引言：地铁施工已经在全国超过88个城市展开，盾构机作为地铁区间施工的主要设备广泛应用，城市地下复杂的管网和隐蔽构筑物给盾构施工带来困难，在地下掘进过程中突遇钢筋混凝土结构的应急处理越来越成为普遍面临的问题。
本文着重介绍了盾构机非预见性正面切削钻孔桩桥梁基础的工程实例，论证了盾构机穿越切削钢筋混凝土的可行性，给同类工程作为参考。
1情况说明
2008年10月20日18时，沈阳地铁一号线五标段盾构机掘进左线第429环，管理行程952mm时，刀盘扭矩出现40%到90%的突变。之后掘进430环管片时刀盘扭矩继续增大，同时千斤顶推力增大，螺旋输送机出土时出现Φ20及Φ8钢筋，第430环共用2小时40分钟。完成第430环拼装后，盾构机掘进参数变回正常，无其他异常情况。
发现问题后，项目部立刻把问题反映给设计单位及监理单位，经三方协商，需要确定卫工桥2001年施工图纸与启保区间右线的结构关系。经查，设计院设计时参考的是卫工桥1957年的施工图纸，与启保区间隧道图纸对比，桥墩底高程为33.742，隧道顶部高程25.4，二者之间距离8米左右，启保区间左线与卫工桥在结构上不发生冲突。但经施工单位几经辗转在沈阳市政公司第五工程处查找到编制日期为2004年6月30日的竣工图纸。图纸上显示建设大路卫工明渠桥东西向共3排墩柱，每排13根，墩柱底距桥面板26.771米。与现施工的启保区间左线图纸进行对比后发现，盾构隧道与最南侧卫工桥人行道下的墩柱出现结构冲突。
2总体处理方案
(1)首先要保证卫工桥安全，立刻封锁桥面交通，避免荷载引起桥桩下沉，避免隧道结构受损。为不影响工期，盾构推进前对桥基础采用钢管支撑临时加固，盾构通过后对桥基础采用桩基托换进行永久加固。
(2)盾构所处地层条件比较恶劣，根据右线掘进经验，盾构停机时间过长易造成盾构机及管片下沉，土压也不好保持。对桥梁安全更不利，所以盾构必须尽快推进。
(3)盾构继续掘进切削剩余2根桩不可避免，要采取所有可能措施减少盾构刀具磨损，保证盾构顺利通过并且对桥基础影响最小。根据盾构通过卫工桥南侧第一根桩后的掘进参数来看，盾构刀具并没有受到桩身钢筋的太大影响。431~438的掘进参数比较正常。但是针对剩余两根桩要有应急预案，做好出现意外的准备。
(4)加强桥桩沉降观测，若在基础托换施工前桥桩沉降已接触到管片，则需隧道设计单位计算其对地铁隧道的影响，必要时要进行局部处理。
3桥基础临时加固方案
(1)卫工明渠桥被盾构机切断桩身位于桥南侧人行道连续混凝土板下，其中人行道连续混凝土板尺寸为（30m×7m×0.7m）700mm，自重为3820kN。按照新公路规范公路人群荷载为4kN/平方米，换算面积后为840kN。人行道下共6根桩，每根桩平均承重780kN。
根据地质资料，卫工桥联系梁底所处地层为③-3中粗砂地层，地基承载力为300KPa，通过计算在跟联系梁底同标高处采用1.5m×2m×0.5m的扩大基础即可满足地基承载力要求。为了满足尽快掘进要求基础采用609mm钢管支撑在连续混凝土板梁底。
其中桥板跨中加固范围3.6m×4.8m，桥台处加固范围3.6m×3.6m。脚手架搭设高度为3.5-4.0米(挖到系梁底所处地层为③-3中粗砂地层，地基承载力为300KPa)。搭设尺寸为：立杆的纵距b=0.6米，立杆的横距l=0.6米，立杆的步距h=0.6米。
基础布置见图3和图4，计算过程附后。
(2)本加固方案仅考虑桥梁自重荷载，在永久性加固方案实施前，桥面应封锁交通。
4临时加固方案计算过程
4.1已知条件及计算要求
(1)已知条件：
类型：阶梯形；
柱数：单柱；
阶数：1；
基础尺寸(单位mm)：b1=2000，b11=1000，a1=1500，a11=750，h1=500；
柱：圆柱直径=600mm；
设计值：N=1080.00kN，Mx=0.00kN.m，Vx=0.00kN，My=0.00kN.m，Vy=0.00kN；
标准值：Nk=800.00kN，Mxk=0.00kN.m，Vxk=0.00kN，Myk=0.00kN.m，Vyk=0.00kN；
混凝土强度等级：C15，fc=7.20N/mm2；
钢筋级别：HPB235，fy=210N/mm2；
基础混凝土保护层厚度：40mm；
基础与覆土的平均容重：20.00kN/m3；
地基承载力设计值：342kPa；
基础埋深：2.00m；
作用力位置标高：0.000m。
(2)计算要求：
①基础抗弯计算；
②基础抗剪验算；
③基础抗冲切验算；
④地基承载力验算。
4.2基底反力计算
(1)承载力验算时，底板总反力标准值(kPa)：[相应于荷载效应标准组合]
Pk=(Nk+Gk)/A=306.67
Pkmax=(Nk+Gk)/A+Mkx/Wx+Mky/Wy=306.67
Pkmin=(Nk+Gk)/A-Mkx/Wx-Mky/Wy=306.67
各角点反力P1=306.67，P2=306.67，P3=306.67，P4=306.67。
(2)强度计算时，底板净反力设计值(kPa)：[相应于荷载效应基本组合]
P=N/A=360.00
Pmax=N/A+Mx/Wx+My/Wy=360.00
Pmin=N/A-Mx/Wx-My/Wy=360.00
各角点反力P1=360.00，P2=360.00，P3=360.00，P4=360.00。
(3)地基承载力验算：
Pk=306.67<fa=342.00kPa，满足；
Pkmax=306.67<1.2×fa=410.40kPa，满足。
(4)基础抗剪验算：
抗剪验算公式V≤0.7×βh×ft×Ac[GB50010-2002第7.5.3条]
(剪力V根据最大净反力Pmax计算)
第1阶(kN)：V下=367.20，V右=410.40，V上=367.20，V左=410.40；
砼抗剪面积(m2)：Ac下=0.91，Ac右=0.68，Ac上=0.91，Ac左=0.68；
抗剪满足。
(5)基础抗冲切验算：
抗冲切验算公式Fl≤0.7×βhp×ft×Aq[GB50007-2002第8.2.7条]
(冲切力Fl根据最大净反力Pmax计算)
第1阶(kN)：Fl下=28.61，Fl右=163.61，Fl上=28.61，Fl左=163.61；
砼抗冲面积(m2)：Aq下=0.43，Aq右=0.43，Aq上=0.43，Aq左=0.43；
抗冲切满足。
(6)基础受弯计算：
弯矩计算公式M=1/6×la2×(2b+b')×Pmax(la=计算截面处底板悬挑长度)
配筋计算公式As=M/(0.9×fy×h0)
第1阶(kN.m)：M下=69.91，M右=120.60，M上=69.91，M左=120.60；
计算As(mm2/m)：As下=407，As右=935，As上=407，As左=935；
抗弯计算满足。
5盾构切削桥桩时的控制措施
桥桩临时加固后，盾构继续掘进切削剩余2根桩，推进过程中采取所有可能措施减少盾构刀具磨损，保证盾构顺利通过并且对桥基础影响最小。具体措施如下：
(1)切削剩余桩体时降低盾构推进速度和刀盘转速，推进速度控制在8mm以内，刀盘采用1档转速。
(2)穿越过程中严格控制推进土压降低总推力。根据本工程穿越卫工桥盾构隧道覆土深度（14.3m），正常情况下盾构掘进控制土压为0.12~0.15MPa。土压升高或降低对桩基础都是不利的，土压过高对盾构周边桩体扰动大，刀具磨损加剧。土压过低地面沉降容易超标。所以在掘进过程中要严格保持掘进面的土压在0.12~0.13Mpa左右。
(3)向盾壳外注膨润土降低盾壳摩擦力，降低总推力。
(4)增加同步注浆量，及时填充盾尾间隙。
(5)盾尾通过桩体4环后，采用水泥浆进行二次注浆。
(6)采用高浓度膨润土浆液和泡沫剂进行渣土改良，降低刀具温度、主轴承扭矩和改善渣土的和易性。
(7)如果盾构无法切削通过桩体，或通过桩体后无法正常掘进则按照以下应急预案实施：
情况一：盾构在切削中间桩体时，刀具磨损严重，总推力大于盾构设计推力。
处理方法：卫工明渠正处于枯水季节，可封闭半个渠道，换填河底淤泥后，筑岛进行降水井施工。水位降到刀盘底后，进行人工挖孔，开挖直径1800mm，深度18m，1米一个节段。护壁厚度150mm采用早强混凝土。人工挖孔深度范围内中粗砂、卵石层较厚，考虑到砂土地层自立性差，较为松散。为加强护壁安全，竖向采用Ф8圆钢，环向采用Ф10圆钢。
人工挖孔到刀盘底标高后，对刀盘范围内人工挖孔桩外围进行注浆加固，达到强度后破除刀盘侧桩壁，更换刀具及破除桩身钢筋。
情况二：盾构在切削最后一根桩体时，刀具磨损严重，盾构推不动。
处理方法：在桥台两侧进行降水井施工。水位降到刀盘底后，同样进行人工挖孔，更换刀具及破除桩身钢筋。
情况三：盾构通过桥桩后，刀具磨损严重，盾构无法继续推进。
处理方法：根据情况可选择将盾构停在便于封闭围挡、便于施工作业位置，进行降水井施工。水位降到刀盘底后，同样进行人工挖孔，更换刀具及破除桩身钢筋。
6盾构切桩过程及切桩前后数据分析
6.1盾构切削桥桩前掘进情况
盾构切削桩前所处地层基本为粉细砂及中粗砂地层，每环掘进时间30~40分钟，出土45m3左右（虚方），其他掘进参数均较理想。
6.2盾构切削桥桩过程中掘进情况
(1)盾构机切削第一根桩推进情况（施工前不知情）（推进环数为429~430）（推进429环，切桩100mm；推进430环切桩完毕）
①429环推进过程
429环管理行程至1061mm时，刀盘扭矩突然变大，扭矩从先前的40%突然上升到80%以上，而且扭矩不稳定，其间刀盘出现三次瞬间超扭矩，推力逐渐增大到14000kN，并在12000~14000kN之间变动，推进速度降低到10cm/min。
②430环推进过程
430环刀盘启动时，扭矩比较高，达到70%左右。添加剂设定为泡沫原液混合比50‰，流量800L/min，1号加泥泵打开，流量为60L/min，2号加泥泵关闭。千斤顶速度开始为30cm/min，此时刀盘扭矩开始跳动，在40%~90%之间来回跳动。千斤顶速度也不稳定，随着刀盘扭矩的突变忽快忽慢（即扭矩大时，千斤顶速度降低，扭矩小时，千斤顶速度加快）。将千斤顶速度减到20mm/min推进，刀盘转速设定为2档后。刀盘频繁出现超扭矩报警，千斤顶给进速度后，刀盘扭矩立即发生突变跳动，扭矩的变化随推进速度的快慢变化较大。
掘进至700mm左右时，出土量已达到近30m3，出土很稀。为防止超挖，加大土压力，刀盘转速调至5档，泡沫原液混合比设定为100‰，流量1000L/min。螺旋机停止出土推进，土压力最高达到0.28MPa左右。
管理行程推至900mm时，刀盘扭矩降低下来，并趋于稳定。此时，土压力维持在0.2MPa以上推进，刀盘扭矩保持在60%左右，推进速度也稳定下来，所有推进数据恢复正常。推进速度30mm/min左右，土质变干，管理行程至1320mm时推进结束，总出土量40m3，泡沫及膨润土量较多，出土很稀，总出土量符合每环的要求。
(2)盾构机切削第二根桩推进情况（推进环数为442）
①管理行程0~400mm
根据桥桩位置与盾构机刀盘位置关系，本阶段刀盘未碰上桥桩，正常推进，土压力控制在0.18MPa，推力27000kN—29000kN，推进速度20mm/min左右，刀盘扭矩40%~60%，出土量符合要求。
②管理行程401~1000mm过程
此阶段刀盘先行刀已碰上桩体，降低盾构机推进速度，推进速度小于10mm/min，刀盘转速0.18r/min。泡沫原液混合比设定为100‰，流量200L/min；膨润土未注。由于推进速度放低，出土较稀，为保证出土不超限，土压力提高，控制在0.27MPa，此时推力29000kN—33000kN，刀盘扭矩40%~60%，扭矩有时会达到90%以上，出土量符合要求。
③管理行程1000~1380mm过程
盾构机33000kN的推力已无法推进，提高千斤顶油压百分比，推力达34000kN时盾构机才恢复前进。此时推进速度小于7mm/min，控制土压力提高，控制在0.3MPa，此时推力34000kN以上，刀盘扭矩40%~60%，偶而扭矩会到90%以上，出土量符合要求。
(3)盾构机切削第三根桩推进情况（推进环数为454~455）
①454环推进过程
a)管理行程0~700mm
根据桥桩位置与盾构机刀盘位置关系，本阶段刀盘未碰上桥桩，正常推进，土压力控制在0.18MPa，推力18000kN，推进速度30mm/min左右，刀盘扭矩40%~60%，出土量符合要求。
b)管理行程701~900mm过程
此阶段刀盘先行刀已碰上桩体，降低盾构机推进速度，推进速度小于10mm/min，刀盘转速0.18r/min。泡沫原液混合比设定为100‰，流量200L/min；膨润土未注。为保证出土不超限，土压力提高，控制在0.20MPa，此时推力20000kN~22000kN，刀盘扭矩50%~60%，偶而扭矩会到90%以上，出土量符合要求。
②455环推进过程
a)管理行程0~1400mm过程
此阶段刀盘启动时位于桩身上，扭矩比较高，达到70%以上，刀盘启动后，扭矩降低趋于稳定。添加剂设定为泡沫原液混合比100‰，流量200L/min。千斤顶速度小于10cm/min.土压力控制在0.18MPa，此时推力22000kN~30000kN，刀盘扭矩50%~60%，偶而扭矩会到90%以上，出土量符合要求。推完桥桩时推力在20000kN左右。
6.3切削桥桩后掘进情况及刀具判断
(1)盾构机切完第一根桩后，从431环开始，刀盘扭矩变化不大（60%以下），推进速度30mm/min左右，但总推力逐环变大。
(2)盾构机切完第二根桩后，从444环开始，刀盘扭矩变化不大（60%以下），推进速度30mm/min左右，总推力维持在1900吨以上，如表4-3所示。
(3)盾构机切完第三根桩后，从456环开始，刀盘扭矩变化不大（60%以下），推进速度30mm/min左右，总推力基本在2000吨左右，如表4-4所示。
6.4刀具磨损判断
盾构机切桩过程中总推力逐环增加，由原来的9000kN增大到切削混凝土桩时的约30000kN，切削完毕后推力回降到约20000kN，较切桩之前有较大增加，而地质条件变化不大。由此判断，刀具有一定磨损，其周边刮刀和先行刀极有可能部分崩掉，使刀盘上合金刀具开挖直径小于盾体直径，造成总推力不断增加。但鉴于总推力距盾构设计能力尚有余量，扭矩也有较大储备，且盾构机距进站不足400米，沿途各处均具备开仓施工条件，决定暂不采取开仓措施，继续推进，增大膨润土和泡沫注入量，加强刀具润滑和冷却。
采取上述措施后，盾构稳步推进，推力和扭矩均无大的变化，直至进站到达。进站后检查刀具发现中心刀局部崩裂，先行刀缺失3把，周边刮刀有部分崩刃，刀具平均磨损超过12mm，刀盘未见过度磨损。
7盾构通过后桥梁永久加固方案
7.1总体方案
盾构通过后在跨中施作C30(5m×2.5m)扩大基础上接混凝土桥墩，凿除盖梁底桥墩钢筋，并做联系梁同新桥墩顶固结浇注混凝土。桥台处施作C30(2.5m×2.5m)扩大基础上接混凝土桥墩支撑桥板，
7.2永久加固方案计算过程
7.2.1荷载计算
(1)恒载
①连续砼板自重：=15×(1.75+1.25+0.25)×0.7×25=852kN；
②盖梁自重：=1.1×1.5×（1.75+0.5+0.3+0.95）×144kN；
③人行道路面自重：=2×15×0.34×25=255kN；
④行车道路面自重：=2.5×15×0.16×25=150kN；
⑤桩身自重：=25×（π/4×2.5+π/4×1.22×15.2）=478kN。
(2)活载
①人行荷载：=15×（1.75+1.75）×4=210kN。
(3)荷载组合
①标准组合：=g+q=853+144+150+478+210=2090kN；
②基本组合：S=1.35g+1.3g=1.35×1880+1.3×210=2811kN。
7.2.2单桩承载力计算
根据上述地质资料，截桩后的剩余桩长为13.3m，所能提供的侧摩阻力计算如下：
对于桩径大于800mm的大直径桩，单桩的竖向极限承载力标准值：
Ｑsk=
即：Ｑsk=3.14×1.2×0.88×（4×80+1.5×45+5.8×120）=3689kN，
侧摩阻力设计值Ｑs=Ｑsk/1.65=2236kN<桩身荷载基本组合S=2811kN。
不能满足要求，应对桥梁进行加固。
7.2.3桥桩加固检算
采用柱下扩大基础对原桥桩进行托换，双柱+联系梁形式：
根据上述计算，桩身缺失的抗力为：=S-Ｑsk=575kN。
考虑盾构推进过程中对原桩的影响，导致原桩产生水平位移，或可导致桩部分侧摩阻力损失，按照损失50%考虑，即F2=2236×50%=1118kN，因此托换基础所提供的总支撑力为：
F=+=575+1118=1693kN，由两个基础承担，每个基础所承受的力为846.5kN。
基础承载力计算：
基础埋深2m（保证持力层为中砂，其fk=300Kpa），基础宽度小于3m；则修正后的地基承载力特征值为：fa=fk+ηdγm(d-0.5)=300+4.4×9×(2-0.5)=359.4KPa
在轴心力作用下：p≤fa，；求得A=2.49m2；取A=2.5m2；
因此基础底面可采用长2.5m、宽1m的矩形基础，基础厚度和相应配筋按照《建筑地基基础设计规范》的柱下独立基础计算。
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