盾構切削樁基研究現狀綜述

賈 蓬, 孫占陽, 趙 文, 宋立民

(1. 東北大學資源與土木工程學院, 遼寧 沈陽 110819; 2. 中鐵三局集團第四工程有限公司, 北京 102300)

0 引言

近年來,盾構工法以其安全、高效、機械化程度高、擾動小等優勢,在中國城市地鐵及水下盾構隧道建設中得到廣泛應用[1]。截至2022年底,中國大陸地區累計有38個城市投運城軌交通,運營線路達10 291.95 km,其中地鐵達8 012.85 km,占比77.85%[2]。隨著城市地下空間的大規模發展,使得地鐵隧道施工所遇到的地質條件越來越復雜,因此,在城市建筑密集區難免會遇到既有建(構)筑物樁基障礙[3-5],穿越既有建(構)筑物樁基的情況越來越多。常用的除樁措施包括在盾構到達前樁基托換、人工挖孔除樁、拔樁、沖樁等,但這些工法對周邊環境影響大,而且施工成本高、工期長。盾構直接切削破除障礙樁的優勢明顯、經濟社會效益顯著,在工程實踐中具有更廣闊的應用前景,但盾構切樁技術無論是理論研究還是技術實踐都還需進一步探索。

針對地鐵建設破除障礙樁問題,不斷有人在嘗試新思路和新技術,自2013年至今,盾構直接切削鋼筋混凝土樁基技術取得飛速發展,在理論分析、模擬試驗、數值模擬、實測分析等方面取得了一定的成果。在理論分析方面,學者們主要針對刀間距設計、掘削參數計算模型進行深入研究[6-11];在模擬試驗方面,通過盾構始發洞門前布置試驗樁、盾構模擬試驗平臺、盾構掘進模態綜合試驗臺、線性切削試驗平臺、盾構刀具切削機,研究分析盾構切樁效果及機制、掘進參數特征、刀具損傷規律,分析掘進參數和刀具布置對樁基破壞形態、刀盤磨損的影響規律[12-18];在數值模擬方面,考慮不同掘進工況和不同影響因素下,磨樁刀盤刀具設計與布置及磨樁掘進對剩余樁基承載力和托換樁的影響[6, 19-23];在實測分析方面,根據工程現場沉降監測、切樁效果、刀具磨損、掘削參數多因素綜合作用的監測數據結果,說明磨樁技術的合理性[6,16,19,24-25]。

本文基于當前國內外學者對盾構切樁技術的研究成果,首先,運用文獻計量分析以及統計梳理國內外切樁的工程應用案例,分析盾構切樁研究概況和發展歷程,明晰盾構切樁主要研究熱點;然后,結合研究熱點對盾構切樁相關施工和技術研究進行綜述,包括盾構磨樁對刀盤及刀具、推進過程中施工控制參數、地表沉降、樁基承載力影響等;最后,針對現有研究存在的不足,對尚需深入研究的問題提出若干展望,以期為未來盾構切樁施工及其技術發展提供借鑒。

1 研究方法與文獻計量分析

1.1 研究方法

基于國內外文獻檢索,利用VOSviewer軟件對關鍵詞進行提煉和共現分析,對盾構切樁的研究熱點進行歸納和總結,分析盾構切樁在隧道建設中的研究與應用。選定CNKI中文數據庫和WOS英文核心庫2個主要數據庫,檢索獲取盾構切樁領域的相關研究論文。其中,WOS數據庫的檢索策略為:主題=Shield and cutting pile,時間跨度=所有年,檢索結果共命中31條記錄;CNKI數據庫的檢索策略為: 主題=盾構×(切樁+磨樁),時間跨度=所有年,檢索結果共命中382條記錄;數據檢索日期為2022年11月13日。綜合不同數據庫檢索結果,篩選出主題相關且質量較好的112篇文獻(WOS: 13篇,CNKI: 99篇)進行后續分析。

1.2 文獻計量分析

篩選出在2009—2022年發表的文獻。其中,英文文獻13篇,中文文獻99篇;期刊論文91篇,會議論文7篇,學位論文14篇。在所選文獻中,中文論文占比較大,表明近年來國內在該領域的研究成果較為豐富。通過對所有國內外文獻關鍵詞的同義近似歸并、英文翻譯與統計分析,可得盾構切樁相關文獻關鍵詞的共現關系圖(見圖1),同時將所有文獻的發文時間進行統計,可得2009—2022年相關論文發文數量隨時間變化統計圖(見圖2)。

圖1 文獻關鍵詞的共現關系圖

圖2 盾構切樁相關論文發表數量柱狀圖

結果顯示: 1)在關鍵詞共現關系方面,盾構、盾構隧道、數值模擬、切削樁基等關鍵詞出現頻率較高,突出了切樁技術在盾構隧道建設中發揮重要作用;同時,盾構改造、刀具配置、掘進參數等優化措施與盾構和切樁也關系緊密,說明盾構切樁技術在這些方面開展研究較多,后續文獻分析也將從這幾方面展開。2)在發文量方面,在2012年前相關論文發表數量幾乎為零,此后論文數量呈現階梯狀增長的趨勢。3)截至檢索日(2022年11月13日),近4年相關論文發表數量已達63篇,表明近幾年盾構切樁技術的應用需求顯著增加。

2 盾構切樁實踐發展概述

10余年來盾構切樁技術取得了快速發展,表1對2008—2022年文獻獲取的主要盾構切樁工程實踐案例的地層情況、刀具情況、樁基參數及盾構類型進行了總結。盾構掘削樁基可分為主動切樁和被動切樁。被動切樁指的是在事先不知有樁的情況下切削樁基,因此只能通過調控掘進參數或采用其他輔助措施,切削并穿越樁基;主動切樁指的是在已知有樁的情況下切削樁基,因此可在始發前主動采取盾構設備的改造加強、掘進參數優化、地層加固等措施,從而能夠安全高效切樁[26]。2008年前后,沈陽地鐵1號線和天津津濱輕軌施工時由于被動切削多根樁基,出現了刀盤推力轉矩過大、刀盤不均勻變形、刀具損傷嚴重等問題[27]。

表1(續)

2009—2010年,案例3和案例4的切樁工程采用在刀盤面板上增加一定數量的先行刀和貝殼刀,認為增設先行刀及貝殼刀對盾構切削鋼筋混凝土樁基具有明顯效果。此后,盾構切樁在地鐵建設處理障礙樁的應用開始逐漸增多。

2011年起,北京交通大學袁大軍及其團隊[7, 8, 12, 19, 26, 28]開展了國內首次盾構切削樁基大型現場試驗,分析了掘進參數特征、切樁效果及機制、刀具損傷規律,在此基礎上研發了新型切樁刀具,提出超前貝殼刀布置方案,并成功應用在蘇州軌道交通2號線三石區間盾構切削橋樁工程,驗證了盾構直接切削大直徑樁基的可行性。自此國內對于盾構切樁方面的研究迅速增多。

2019年至今,杜闖東等[14]、許華國等[15]、吳志峰等[16]、李宏波[29]基于TBM掘進模態綜合試驗臺,開展全斷面滾刀、全斷面撕裂刀對比試驗,提出了新型滾刀與撕裂刀高低布置方案,并從刀具損傷、切筋長度、卡機情況、刀盤振動特性等多方面優化了掘削參數,研究成果應用于以色列特拉維夫輕軌紅線項目TBM段(西標段)工程和深圳軌道交通14號線盾構下穿電子科技廠房工程。

筆者總結了2008—2022年多個案例施工方法,盾構切樁施工工藝流程如圖3所示。

圖3 盾構切樁施工工藝流程圖

3 盾構改造

3.1 刀具選擇與布置

刀具的選擇和布置在盾構設計中是非常重要的一部分。從幾何角度上劃分,刀盤刀具的布置方法主要有阿基米德螺旋線布置法和同心圓布置法[48]。通常,在全斷面開挖時為了更好地控制刀盤不平衡轉矩和不平衡徑向力,采用最多的是阿基米德螺旋線布置法[49-50],但盾構切削樁基時,參與切樁的刀具處于動態變化中,很難采用阿基米德螺旋線布置法,因此在已有的切樁案例中多采用同心圓布置法。

盾構刀具按切削原理劃分,一般分為切削刀和滾刀2類。切削刀又分為齒刀、切刀(或刮刀)、先行刀(撕裂刀)、中心刀和保護刀等。針對不同地質條件,盾構掘進主力刀具主要有滾刀及切刀2種。滾刀適用于全斷面硬巖或復合地層中,對于刀盤強度也有較高要求,對于粉砂軟土環境,滾刀的轉軸極有可能進砂后失效;切刀適用于軟土地層,普通切刀不適合在含礫石的高磨蝕地層中掘進,更無法承受連續磨削鋼筋混凝土等高強度障礙物。因此,通用切削類刀具對高強度鋼筋混凝土樁進行直接清除是不合適的。目前針對不同地層情況,盾構切樁刀具配置的研究和應用主要集中在2個方面: 以貝殼刀或滾刀作為先行刀進行布置。

1)在以貝殼刀作為先行刀布置方面。滕麗[51]采用φ400 mm盾構模擬試驗平臺,研究認為盾構碰到障礙物時,刀盤上應適量加裝先行刀和貝殼刀。文獻[13, 24]在常規土壓平衡盾構的基礎上增配了1套先行刀和6把貝殼刀,成功磨削了33根400 mm×400 mm預制方樁,并提出應增加貝殼刀數量。王飛等[12]通過在盾構始發洞門前布置2根試驗樁開展試驗,認為鋼筋周邊混凝土的包裹固定情況是其能否被貝殼刀有效切斷的關鍵因素,并提出配置超前貝殼刀以實現分次切筋,超前貝殼刀與普通貝殼刀高低差配置如圖4所示,有效解決了由于鋼筋過長導致螺旋輸送機卡住的問題。

圖4 超前貝殼刀及分次切削鋼筋示意圖[12]

2)在以滾刀作為先行刀布置方面。張雨等[37]以大連地鐵101標盾構連續磨削穿越地下停車場排樁為背景,考慮到盾構穿越輝綠巖與板巖交互復合巖層和多個高強度鋼筋混凝土樁,提出以滾刀配置為主,刮刀為輔的刀具布置方式。首先,滾刀在推力下擠壓破碎混凝土,同時對鋼筋進行初步切削;其次,刮刀不僅能將破碎的混凝土碎塊刮落,還能將未切斷的鋼筋進行無序纏拉破壞,使得切斷的鋼筋和混凝土碎塊從輸送機順利運出。姜艷林[35]針對廣州地鐵4號線盾構切削大涌橋6根φ1 000鉆孔灌注樁工程,提出在原有土壓平衡盾構刀盤滾刀間加裝貝殼刀,其中貝殼刀(高145 mm)低于滾刀(高175 mm),同時在刀盤外徑加裝保徑刀,防止滾刀磨損后隧道開挖直徑無法得到保證,保護刀盤結構。

在常規含有滾刀的盾構刀盤上布置貝殼刀,可以有效磨削樁基,但是對于兩者的布置方式對切樁效果的影響并不清楚。杜闖東等[14]采用純滾刀和純切刀分別切削C35和C50鋼筋混凝土樁基開展對比試驗,發現全斷面滾刀和全斷面切刀切樁過程中均存在最佳推進速度和刀盤轉速,相互匹配能使其達到最佳掘進效能;李宏波[29]依托TBM模態掘進試驗平臺開展滾刀和撕裂刀切削樁基試驗,發現撕裂刀切削鋼筋正向切割效果優于滾刀,滾刀切削鋼筋抗沖擊效果優于撕裂刀,可采用組合刀具布置充分發揮各自切削優勢,并提出可通過螺旋輸送機內徑確定撕裂刀刀間距,在考慮撕裂刀位置和最優滾刀破巖刀間距的前提下設置滾刀刀間距,保證鋼筋的有效斷裂,降低出現卡死刀盤及螺旋輸送機的風險。在此基礎上,許華國等[15]通過開展盾構刀盤切削鋼筋混凝土樁基室內試驗,對比分析了全斷面滾刀和全斷面撕裂刀切削混凝土樁基的優缺點,提出撕裂刀和滾刀高低組合的配置方案(如圖5所示): 在盾構刀盤上原滾刀安裝位置間隔安裝加高撕裂刀,兩者軌跡線展開平面呈鋸齒狀排列,可有效控制鋼筋的切斷長度,撕裂刀與滾刀的具體高差應根據所切鋼筋直徑、鋼筋保護層厚度、混凝土強度以及混凝土對鋼筋的握裹程度來確定。

圖5 盾構刀具組合布置圖[15]

3.2 刀具設計與優化

目前在盾構切樁方面,對刀具的設計主要是對貝殼刀和刮刀刀刃進行針對性設計,包括刀刃形狀、刀刃角度和刀刃合金種類。

3.2.1 刀刃形狀

貝殼刀的形狀有雙面刃和單面刃2種(如圖6所示),單面刃由于其較雙面刃鋒利,其切斷鋼筋所需的切削面積AS2小于雙面刃對應的切削面積AS1,切削效率更高。但是考慮到盾構切削鋼筋混凝土樁基對刀刃的耐磨性和抗崩性有較高要求,因此工程上多選用雙面刃貝殼刀[6, 26]。而按其角度大小,又可分為鈍角刀、銳角刀、直角刀;銳角刀又可分為雙刃銳角刀和單刃銳角刀。劉浩[52]從受力大小、切削效果以及抗損傷能力對切削鋼筋進行理論分析,認為鈍角刀切斷鋼筋所需切削功最大、切削效率最低,直角刀和單刃銳角刀居于鈍角刀和雙刃銳角刀之間,綜合以上考慮切樁貝殼刀刃宜選用雙面直角刀。此外,文獻[18, 53]開展了不同刀尖形狀(圓弧形、直線形、折線形)(如圖7所示)切削混凝土試驗和離散元三維數值模擬,發現3種不同形狀的刀具在切削力表現上沒有顯著差異,直線形刀具在切削力穩定性方面略優于折線形及圓弧形刀具,在刀具磨損方面圓弧形磨損量最小,但綜合考慮加工難度方面,工程上多選用直線形刀具。

(a) 雙面刃 (b) 單面刃

(a) 圓弧形 (b) 直線形 (c) 折線形

3.2.2 刀刃角度

文獻[25, 30, 54-56]以先行刀的方式配置滾刀或普通貝殼刀,通過合理調整掘進參數、所用刀盤刀具布置方式可以勉強完成小直徑(≤φ800)鋼筋混凝土樁基的切削,但效果不甚理想,存在刀具磨損較大、斷筋較長而難以從螺旋輸送機排出等問題。袁大軍等[19]通過理論分析,研究了刀具前角、后角角度對磨樁效果的影響,提出切削鋼筋混凝土樁基所用刀刃宜選用負前角和零后角。在此基礎上研發了一種新型貝殼刀刀具,采用LS-DYNA建模,分析了該新型貝殼刀切削鋼筋和混凝土時,在不同切削次數下刀具應力、溫度、切削力、切削機制、磨損類型,發現切削鋼筋機制為剪切切削,切削混凝土機制為擠壓破壞,但無論是切削鋼筋還是混凝土,新型貝殼刀硬質合金刀刃的磨損類型均為磨粒磨損,沒有具體研究刀具前角、后角的角度對刀具整體切削參數的影響。

王哲等[6]通過AdvantEdge有限元軟件對貝殼刀的角度進一步設計,建立不同角度前角與后角切削鋼筋二維模型,分析刀刃角度對刀具切削溫度和刀具應力的影響,認為采用-30°前角和0°后角刀刃,應力變化范圍小且應力分散,切削過程中產生的溫度和切削力低,對刀具損傷小,更適用于鋼筋的切削;該設計成功應用于杭州地鐵2號線建國路站—中河路站區間盾構穿越鳳起橋6根大直徑橋樁工程。與此不同的是,杜欣等[9]以北京地鐵12號線盾構切削西壩河橋16根φ800 mm橋樁工程為依托,通過建立0°前角貝殼刀動態切削混凝土三維模型,得到0°前角貝殼刀貫入力和切向力之比約為2∶1,認為0°前角的刀具設計使得更多切向力轉化為貫入力,切樁轉矩降低并與推力值相近,可以提高盾構切樁整體安全性。

3.2.3 刀刃合金優化

王飛等[7]通過盾構切削始發洞門前2根試驗樁模擬試驗對磨樁刀具損傷問題進行研究,發現由于忽略了刀刃背部的防損傷設計,盾構在掘進時背樁側刀刃可能會刮蹭鋼筋或混凝土粗骨料,從而在合金尖角處發生應力集中或者合金與刀體之間脫焊造成整體崩裂。基于此,做如下2項改進: 1)為防止應力集中,刀刃尖角處進行平滑處理; 2)加強刀體與合金之間釬焊焊縫質量,使焊縫飽滿、厚實,提高焊縫強度(如圖8所示)。

3.2.4 刀間距設計

早期切樁工程案例對刀具布置基本上只局限于工程措施上的簡單描述,多采用在原有刀盤刀具間加裝先行刀或在原有刀具位置直接替換先行刀[9, 13, 35, 39],沒有針對切樁刀間距取值進行針對性設計,僅提出在樁基數量多且直徑大時,先行貝殼刀應采取“大寬度、小凈距”的布置方案[38]。

對于刀間距的取值,王飛等[7]參考硬巖地層中相鄰滾刀所形成的“巖脊”,提出了在相鄰貝殼刀間存在一個臨界凈間距(如圖9所示),當凈間距小于該值時,將在相鄰刀具之間產生1個破裂面EF,進而CDEF區域混凝土會被擠壓破裂;當凈間距大于該值時,CDEF區域仍會完整保留,此時將會在刀具間積累產生超過刀刃凸起高度的“混凝土脊”,阻礙刀盤推進。通過切削大直徑樁基試驗,將3種凈刀間距對應的混凝土脊高度進行線性擬合得到臨界凈刀間距為48.7 cm。王飛等[7]從安全、能效、穩定性多角度分析,得出刀間距適當增大不僅可以減少刀具數量、節省成本,而且更有利于實現總推力和總轉矩的控制;刀間距適當減小可提高切樁的安全性,但是過小會由于樁基被切削的過于破碎而浪費效能,最終出于安全性考慮,選擇8 cm的刀間距。與此不同的是,王哲等[6]假設刀盤旋轉1周,相鄰2把貝殼刀切樁深度為h、磨樁寬度為P、樁面開裂角為θ(如圖10所示),基于幾何關系,建立了貝殼刀最合理刀間距S與上述參數的關系:P=2h·tanθ。為避免產生混凝土脊,實現全斷面切樁,則S=2h·tanθ,式中反映了磨樁寬度隨著掘進深度增加而增加,磨樁寬度的增加可以減少貝殼刀數量,但會導致貝殼刀刀刃應力增大加劇磨損。作者綜合考慮刀具磨損量、掘進效率及參考已有工程案例,取相鄰兩貝殼刀間距S=0.62P。

圖10 王哲等提出的相鄰貝殼刀切削混凝土的分析模型[6]

3.3 刀盤強度和耐磨性優化

目前盾構刀盤形式主要有輻條式、面板式和介于兩者之間的輻板式3種[57-58]。但在切樁工程中,尤其是同時切削多根樁時,刀盤的轉矩和推力均較大,由于會受到鋼筋的纏繞、沖擊磨損作用,采用傳統刀盤難以保證刀盤強度和剛度的要求,刀盤本身也較難滿足抗磨蝕要求,因此對盾構刀盤進行優化是至關重要的。

針對盾構穿越樁基及含礫土層刀盤外周易磨損問題,杜欣等[9]在輻條式刀盤外周堆焊了網格狀耐磨硬質合金,并在刀盤外周安裝保護刀具,同時,為了提高刀盤強度和剛度,刀盤外圈增加“T”形內環筋板,外圈板輻條外端設置三角筋板(如圖11所示),最終成功切削北京西壩河橋16根φ800 mm橋樁。針對盾構穿越地層為硬塑狀砂黏性土、全風化混合花崗巖等情況,楊輝等[43]采用6輻條+6輻板式刀盤,保證開口率的同時又能提高刀盤的強度和剛度;另外,由于地層上軟下硬,樁基數量多、強度大,為此用耐磨效果更好的復合板取代了原先的HARDOX耐磨板,并且在刀盤外周布置了50 mm厚的耐磨合金塊。為防止較長鋼筋和較大混凝土塊進入土艙內堵塞螺旋輸送機,杜闖東等[14]在刀盤開口處安裝25個尺寸為25 mm×25 mm的格柵,同時在格柵外表面堆焊高度為3～5 mm的耐磨網格(如圖12所示)。

圖11 刀盤耐磨優化圖[9]

圖12 刀盤格柵布置圖[14]

3.4 螺旋輸送機改造

螺旋輸送機作為盾構重要的出土裝置,在磨樁施工過程中起著將磨樁形成的鋼筋混凝土碎塊送出的作用,盾構能否持續前進不被碎料影響很大程度上取決于螺旋輸送機能否快速高效地將碎料送出。因此,需對螺旋輸送機采取相應措施。

鄭世興[24]在螺旋機上開設1個50 cm×50 cm的施工檢查口,在盾構直接過樁期間可用來檢查螺旋機工作情況,如被鋼筋或混凝土卡住可及時進行清理。傅德明[13]利用小直徑(φ400 mm)盾構切削鋼筋混凝土模擬試驗,提出在盾構切樁過程中,可通過向土艙內添加潤滑減摩材料來防止混凝土碎塊堵塞螺旋輸送機。但上述措施并不能有效解決卡筋問題,遇到卡筋時需要通過正反轉系統進行去除,降低了磨樁效率。已有案例多采用有軸式螺旋輸送機,螺桿軸和螺葉片結構的存在使得其排出長鋼筋和碎樁塊的能力差,王占生等[59]結合盾構切樁試驗,提出可以采用內部空間較開闊的無軸式螺旋輸送機(帶式螺旋輸送機)。帶式螺旋輸送機輸送石塊粒徑大、抗纏繞能力強、輸送能力高(如圖13所示),因此能夠很好地降低螺旋輸送機卡死的風險[60]。但對于富水軟弱地層,帶式螺旋輸送機中空間較大,很難有效地形成土塞效應,極易引起渣土噴涌,此時有軸式輸送機具有更好的適用性[61]。王哲等[6]針對盾構切樁長鋼筋卡機問題,提出通過增加有軸式螺旋機葉片以及在螺旋機葉片、螺機套筒內壁堆焊耐磨層,使得兩者之間的間隙減小至5 mm(如圖14所示),從而降低鋼筋卡在兩者之間的風險。為防止螺旋輸送機出現涌砂涌水等現象,薄春蓮[31]在螺旋輸送機出土口部位裝設球閥閘門。綜上可見,螺旋輸送機的設計對于磨樁施工的作用較大,因此應針對地層情況、樁基情況等對輸送機進行合理選型并做出適應性改造。

(a)有軸式螺旋輸送機

(b)無軸式螺旋輸送機

(a) 螺旋輸送機葉片改造

(b) 螺旋輸送機套筒改造

4 掘進參數

盾構掘進參數(推進參數)可分為2類: 可人為主動設置和調整的稱為主動推進參數,包括推進速度、刀盤轉速等;推力和轉矩為被動推進參數,對刀具磨損、刀盤受力和樁基變形有直接影響,盾構在切樁過程中實際推力和轉矩值應較小為好。薄春蓮[31]針對上海軌交7號線盾構穿越建筑物樁群切削樁基工程,提出在盾構切削樁基過程中,必須嚴格執行預設的各項參數,根據現場各項監測結果應及時調整施工參數,最大限度地減少推進過程中樁基自身整體位移等情況發生。

4.1 推進速度與轉速模擬試驗研究

與常規盾構掘進不同的是,盾構磨樁要切削高強度的鋼筋和混凝土,推速和轉速波動幅度大,高推速和轉速會造成刀具合金崩落、切深變大,從而導致推力、轉矩較大,甚至還會對既有樁基或托換樁的承載力造成影響。因此,選擇合理的推速和轉速顯得尤為重要。筆者將搜集到的文獻中關于盾構切樁模擬試驗的數據統計于表2。文獻[7,28]開展了不同工況下盾構直接切削大直徑樁基現場試驗(如圖15所示),在盾構始發洞門布置2根交錯的試驗樁,從保護刀具合金和減小刀具磨損的角度提出刀盤轉速不宜過大,推進速度不超過2 mm/min,并在工程中得到應用。2014年,傅德明[13]依托φ400 mm盾構模擬試驗平臺,開展了盾構切削鋼筋混凝土室內試驗(如圖16所示),驗證盾構改造及掘削參數設置的合理性; 但是,由于該試驗模擬盾構直徑、刀具布置數量與實際切樁相差較大,可借鑒性不多。李宏波[29]利用TBM模態掘進試驗平臺開展全斷面滾刀和全斷面撕裂刀切削樁基試驗(如圖17所示),從切樁平穩特性、刀盤振動特性、刀具損傷及刀盤卡死情況分析,建議全盤撕裂刀切削樁基推進速度不超過3 mm/min,全盤滾刀切削樁基推進速度不超過5 mm/min。杜闖東等[14]、吳志峰等[16]研究了混凝土強度等級對全斷面滾刀和全斷面撕裂刀掘削參數的影響(如圖18所示),給出了不同混凝土強度等級適宜的推進速度和刀盤轉速,并提出應根據鋼筋數量、混凝土強度等級等確定刀盤最佳推進速度和轉速。Wang等[62]開展了14把全斷面滾刀切樁試驗,研究發現,在低推進速度和低轉速條件下,刀盤振動較小,且中心刀盤徑向振動較明顯。

(a) 盾構切樁現場

(b) 樁基布置形式

(a) φ400 mm盾構模擬試驗平臺

(b) 切削斷面和切削輪廓圖

圖17 TBM模態掘進試驗臺[29]

圖18 方樁和圓樁在巖盤中的布置圖[14]

上述研究共進行了7個試驗,其中5個采用TBM掘進模態綜合試驗臺,1個采用小型模擬試驗平臺,1個為現場試驗。試驗樁主要為圓形和方形,這2種樁基在工程中較為常用。試驗樁樁基截面以圓樁φ1 200 mm、方樁450 mm×400 mm最多,混凝土等級以C35、C50為主。各試驗的相關參數總結見表2。

表2 盾構切樁模擬試驗統計表

表2(續)

4.2 推力和轉矩計算模型

傳統的推力和轉矩理論模型未考慮盾構切割橋樁的影響。刀盤磨削混凝土樁基的過程主要分為2個階段: 逐入切削階段和穩態切削階段。刀盤切削荷載先增大后減小,當刀盤磨削至樁基截面最大處荷載最大[9, 19]。刀盤切削荷載主要受切削材料、作用在材料上的刀具數目影響。由于切削土時所受荷載遠小于切削混凝土荷載,因此刀盤荷載計算模型中一般只計算切削混凝土荷載;另外,由于樁基面積小于刀盤面積,所以任意時刻切削荷載變化的主要因素是作用在樁基上的刀具數目。因此,刀盤荷載計算模型總體上主要分為2大部分: 作用在樁基上的刀具數量計算和單刀荷載的確定。

陳海豐等[8]通過在刀盤平面建立二維坐標系(如圖19所示),確定刀盤在1個旋轉周期內各個時刻的切樁刀具數目,再假定刀具切削混凝土的貫入力和切向力與切深成正比關系,通過MATLAB編程計算在1個旋轉周期內刀盤切削混凝土的荷載。杜欣等[9]通過樁體切削面積與刀盤面積的比值估算刀盤旋轉1周的切樁數目(如圖20所示),基于切刀動態切削混凝土三維模擬,將得到的單刀切削荷載進行疊加,最終得到掘進面刀盤切樁荷載,其結果與陳海豐等[8]的計算模型進行對比發現具有很好的一致性,推力平均誤差約為10%,轉矩平均誤差小于3.3%。此模型應用在北京地鐵切削西壩河橋橋樁工程中,為刀盤切樁掘進荷載分析和刀盤設計提供了參考,但上述模型在計算單刀切削荷載時并沒有考慮刀具配置參數的影響。

圖19 陳海豐等刀盤切樁數學模型[8]

圖20 杜欣等刀盤切樁數學模型[9]

Liu等[63]建立了單刀切削混凝土的分析模型(如圖21所示),并獲得了單刀貫入力,通過式(1)確定,可用于預測盾構切割樁時的推力。

d為刀盤每次旋轉的切削深度;a為切割器和混凝土之間的接觸半徑;Li、lb、lc、ρ為刀具配置參數;引入2個無量綱參數α=lb/a,β=(lc+lb)/a。

圖21 Liu等單刀切削分析模型[63]

Fig. 21 Analyzing model of single cutter by Liu[63]

(1)

式中:fpi為單刀貫入力;E*=E/(1-ν2),E*為樁的彈性模量,ν為泊松比;εu為貫入深度超過混凝土彈性極限后的極限壓縮應變。

Liu等[10]將傳統的推力和轉矩理論模型與盾構全斷面切樁數值模擬結果進行對比(見圖22),發現由于傳統模型未考慮盾構切割樁基,二者結果存在較大差異;提出了一種類似于陳海豐等[8]模型的刀具數量計算方法,在刀盤平面建立極坐標系,利用幾何關系確定任意時刻作用在樁基的刀具數目,利用上述單刀切削混凝土分析模型計算得到作用在樁基上的推力。

Peng等[11]從工程角度出發,以土壓理論和摩擦定律為基礎[64],對盾構切樁過程中的刀盤荷載進行綜合分析(如圖23所示),將樁土復合地基等效簡化為復合土體,見式(2)。

圖22 Liu等刀盤切樁數學模型[10]

圖23 Peng等刀盤切樁數學模型[11]

(2)

式中:γ′為復合土的重度;γp為樁材料的重度;γs為天然地基土的重度;m為復合地基土的換算系數,m=πd2/4l2(其中d為樁的直徑;l為每米的樁間距)。

運用數學方法和力學平衡方法,可得到如式(3)所示的計算模型,結合地層特性和盾構參數可求出各個參數的值,并計算盾構在磨削樁基情況下各分項在刀盤荷載的占比(如圖24所示)。

(3)

(a) 力分項占比

(b) 力矩分項占比

式中:F1為盾構外殼與周圍土體的摩擦阻力;F2為開挖面的正面阻力;F3為盾構切口環的切入阻力;T1為刀盤正面與復合土壤產生的摩阻力矩;T2為刀盤側面和復合土壤所產生的摩擦力矩;T3為土艙內攪拌臂攪拌土體受到的攪拌力矩[65]。

基于該模型,對鄭州地鐵5號線盾構切削樁群的總荷載與實測值進行比較,結果表明,該方法可以有效地預測盾構開挖過程中的總推力和轉矩。該模型與前述模型相比,在樁土等效的基礎上考慮了盾構與土層間的摩擦以及土艙壓力的影響,但并沒有考慮樁基荷載傳遞效應。

4.3 推力和轉矩實測研究

盾構在切削樁基時,刀盤推力和轉矩具有一定的波動性,主要有以下幾個特征:

1)在整個切樁過程中,推力、轉矩總體上先增大后減小;

2)由于實際參與切樁刀具數量的動態變化、刀盤周邊混凝土塊大小不均勻以及未完全切斷的長鋼筋可能纏繞刀盤等因素,推力和轉矩波動性顯著;

3)在同時切削多個樁基或者大直徑樁基時,受到刀頭磨損或者刀刃合金掉落的影響,切樁末期的推力、轉矩值明顯大于切削初期。

在實際切樁工程中,常常會根據盾構類型、切樁數量、穿越土層情況、上覆結構安全性等因素對主動掘削參數進行調整,如表3所示。從表3可以看出目前盾構磨樁多采用土壓平衡盾構,而在實際工程中,對于一些高水壓、高滲透系數地層,泥水盾構更具有優勢[66],但是關于泥水盾構磨樁施工的研究少之又少。基于此,牛瑞等[42]依托南昌地鐵2號線某區間施工,總結對比已有土壓平盾構研究情況,在原刀盤上配置6把撕裂刀,通過分析盾構切樁過程中泥水壓力、推速、轉速、推力、轉矩等參數,提出了一套泥水盾構切樁時參數動態調整的措施及施工方法。

5 盾構切樁引起的地層響應和樁基承載力研究

5.1 建筑沉降

張立亞等[67]針對深圳地鐵9號線某區間盾構穿越建筑切樁施工,使用TS30測量機器人對盾構切樁穿越的建筑樓群進行實時監測,發現切樁累積下沉占總沉降量的60%以上,距離隧道中線越近,地表沉降變化越大;認為傳統按2倍隧道直徑設計監測范圍已經不再適用,提出距隧道中線水平距離大于30 m時的地表沉降量很小(小于3 mm),無需再布設監測點。基于此,王禹椋等[68]以深圳地鐵9號線盾構長距離連續切削群樁工程為背景,利用ABAQUS進行數值模擬,研究盾構切削不同位置、直徑、數量的樁基對地層沉降的影響,結果表明,地表沉降槽的深度隨著樁基直徑的增大呈現非線性增長,樁基數量越多,沉降槽越深,沉降速率越大。盾構切削樁基這一階段的沉降量約占最終沉降的70%,這與張立亞等[67]得到的試驗結果較接近。昝子卉[34]采用Ansys軟件進行三維數值模擬,結果表明隧道側穿(從建筑物角部下穿)建筑物樁基的沉降值比正穿(從建筑物中部)多70%。

Wang等[69]基于杭州地鐵2號線盾構隧道穿越鳳棲大橋工程,研究了基礎擴建和加固以及復合地基改良對橋梁沉降的影響,結果表明,這些措施可以顯著減小切樁對橋梁的沉降,對于未加固的通信和輸水管道(獨立于橋梁的結構)在豎直方向會出現較大位移,建議在切樁前加固橋梁的獨立基礎。張建華等[46]針對杭州地鐵4號線盾構下穿電力隧道切樁工程,采用有限元分析軟件Midas/GTS對盾構切樁后的沉降進行數值模擬,分析掌子面推力和同步注漿壓力對切樁后地表沉降的影響,發現在距樁基大于6 m處增加掌子面推力至1.15倍土壓力可以顯著降低切樁后的最終沉降,而注漿壓力對最終沉降的影響并不明顯。

5.2 切樁后樁基承載力研究

盾構切樁對樁基的承載力影響主要有以下3方面。

1)切樁后由于受到盾構擾動、樁長變短等因素影響,樁側摩阻力下降,甚至產生負側摩阻力。切樁后樁端落在盾構尚未硬化的注漿層,樁端承載力完全喪失,樁基應按純摩擦樁計算承載力。

2)盾構切樁通過時,隧道拱頂發生沉降,該部分土體沉降量大于樁基沉降,對樁基造成負摩阻力,因此要計算切樁后樁基承載力的關鍵是確定樁基負摩阻力范圍。

3)刀盤旋轉影響范圍內,樁基以S形曲線變形(如圖25所示),刀盤頂推使得橋樁向前方偏移(如圖26所示),導致樁土分離側的側摩阻力減小甚至消失,樁土擠壓側的摩阻力增加,因此,計算時要確定盾構旋轉和頂推影響范圍[70]。

孫波等[33]基于深圳地鐵9號線盾構大范圍穿越樁基建筑群工程,對盾構施工前不同加固方式下單樁承載力進行驗算,并根據驗算結果在切樁前采取了有效加固措施。說明在盾構下穿前進行樁基承載力的驗算是十分必要的,然而該計算方法只是將剩余樁簡化成純摩擦樁計算,并沒有考慮樁身負摩阻力的影響。唐仁等[20]采用有限元分析軟件Midas/GTS對盾構切樁進行了三維動態施工模擬,并用工程監測數據進行模型驗證,認為盾構切樁后樁端以上約2 m(這個范圍與隧道圍巖及樁頂荷載有關)范圍內樁身的沉降小于其周圍土體的塌落,土體對樁基產生一個向下的負摩阻力;計算剩余樁體的承載力時,應按負摩阻力來計算。由于切樁時直接作用在樁身上的推力、轉矩以及盾構樁身都會對樁側阻力產生影響,白東鋒等[70]以南京地鐵7號線盾構下穿簡支板橋工程為研究對象,提出考慮樁長減短、施工擾動及橋樁豎向剛度變化的殘樁承載力計算方法,殘樁的承載力為非擾動范圍內樁側摩阻力、盾構旋轉頂推擾動范圍內的樁側摩阻力與樁端承載力之和,其中在擾動范圍內樁土分離側的側摩阻力計為零,樁土擠壓側的摩阻力按照原狀土計算,擾動范圍按照盾構施工擾動范圍工程經驗確定。

圖25 刀盤旋轉對樁體影響示意圖[70]

圖26 刀盤頂推對樁體影響示意圖[70]

5.3 樁基對管片作用力

盾構直接切除建(構)筑物樁基后,一方面需要保證上部結構的安全,另一方面還需要保證在樁基傳遞的荷載作用下管片及隧道的安全。盾構切樁后,管片的受力形式主要有以下2種[32]。

1)由于受到盾構切樁擾動和樁基長度變短等因素影響,切削后的樁端沉降直接觸及管片,對管片產生集中力。

2)樁端不會接觸管片,而是由管片本身、周圍土體和壁后注聚體共同形成了新的樁端持力層,因而只會在隧道頂部產生附加應力。目前針對切樁后殘樁對管片作用力的計算多考慮為樁基直接對管片集中力的情況。昝子卉[34]基于深圳軌道交通9號線大鹿區間切削建筑物群樁工程,對切樁后樁基對管片的作用力進行計算,結果表明,在不考慮地層加固的情況下,傳統管片并不能滿足受力要求,因此用帶肋版的厚鋼管片進行了替換。白東鋒等[70]以南京地鐵7號線下穿簡支板橋工程為研究對象,進一步研究施工擾動范圍、樁體豎向剛度等因素影響下殘樁對管片的作用力,殘樁對管片的作用力可根據殘樁承擔的豎向荷載減去殘樁的承載力來確定,使得切樁后剩余樁基對管片作用力的計算得到進一步細化,從其影響因素方面提出可以通過渣土改良和減少推力和轉矩的變化幅度來減少施工對周圍土體的擾動,通過現場注漿試驗確定合理的注漿參數、加強同步注漿和二次注漿來提高樁側摩阻力和樁端承載力容許值,通過加強管片配筋和提高螺栓強度等級來提高管片自身強度,進而減少切樁后殘樁對管片的影響。王曉慶[71]針對軟土地區盾構穿越既有橋梁樁基工程,為防止切樁后殘樁沉降對管片產生集中荷載,提出可以選擇凝固時間長、強度低的漿液,同時應加強盾構姿態的控制。

6 結論與討論

本文較為全面地總結了國內外盾構切樁研究的一系列研究成果,重點圍繞刀盤刀具設計與改造、螺旋輸送機改造、推力/轉矩計算模型、樁基承載力計算以及沉降方面的研究進行了梳理和總結,有如下幾點認識。

1)10余年來盾構切樁技術發展迅速且取得了良好的切樁效果及經濟效益反饋,切樁技術已相對成熟。盡管盾構直接切削樁體已在一些實際工程中得到應用,但切削鋼筋混凝土樁的刀具參數及布置方式尚沒有明確的確定方法,刀具切削參數的變化特征尚處于研究階段,在復雜地質、極端惡劣地質條件下,仍存在刀具磨損和鋼筋纏繞刀盤的現象,缺乏對刀具磨損的定量分析。

2)在貝殼刀刀間距設計方面,由于混凝土脊破裂面產生的機制尚不明確,且已有的計算方法未考慮混凝土強度的影響,刀間距取值時多依賴已有的工程經驗,有待通過室內試驗和數值模擬對刀具破巖機制進行深入探討。

3)盾構切樁掘削參數的選取多是基于數值模擬和室內試驗,但由于室內試驗選取的試驗參數較為單一,無法考慮諸如刀具布置、刀具類型、樁基結構和鋼筋布置等多方面的因素,而數值模擬方法需對實際工況進行一定程度的簡化,難以反映切樁過程中盾構與樁基相互作用的復雜效應。因此十分有必要開展現場磨樁原位試驗研究,在工程條件允許的情況下可綜合考慮土體特性進行現場切樁。

4)針對盾構切樁的推力和轉矩計算模型,學者們考慮的側重點各不相同,公式簡化條件也不盡相同,公式的推廣性和適用性有待提高。隨著大數據、人工智能等技術在隧道工程中的應用,給數據獲取帶來極大便利,因此,基于大數據分析,綜合大量工程案例,考慮多種復雜因素影響的盾構切樁推力、轉矩預測研究將是今后重要的研究方向。

5)盾構切樁對沉降的影響較為復雜,涉及切樁的規模、上部構筑物、地層性質、施工工藝、地下水、沉降控制措施等多重因素,目前對切樁引起的地表沉降以及控制措施研究較多,而影響機制方面的研究較少;此外,應注重加強切樁過程及切樁后的現場監測,為相關研究提供更多的現場實測數據。