1、引用格式:贾蓬,孙占阳,赵文,等.盾构切削桩基研究现状综述J.隧道建设(中英文),2023,43(10):1637.JIA Peng,SUN Zhanyang,ZHAO Wen,et al.Overview on research of shield cutting pile foundationJ.Tunnel Construction,2023,43(10):1637.收稿日期:2023-02-13;修回日期:2023-08-30基金项目:国家自然科学基金项目(52174071)第一作者简介:贾蓬(1973),女,内蒙古呼和浩特人,2008 年毕业于东北大学,工程力学专业,博士,教授,博士
2、生导师,主要从事隧道与地下工程方面的教学与科研工作。E-mail:polorjia 。盾构切削桩基研究现状综述贾 蓬1,孙占阳1,赵 文1,宋立民2(1.东北大学资源与土木工程学院,辽宁 沈阳 110819;2.中铁三局集团第四工程有限公司,北京 102300)摘要:为厘清盾构切桩的发展脉络,全面掌握其应用及发展情况,综述了国内外盾构切削桩基技术的研究现状。首先,基于文献计量分析对盾构切桩相关文献的热点关键词和发展趋势进行分析,归纳总结盾构切桩领域的研究热点及研究进展。其次,在此基础上分别从盾构改造、掘削参数优化、盾构切桩引起的地层响应和桩基承载力研究 3 个方面综述当前最新研究成果。最后,对
3、盾构切削桩基的主要研究方法、研究机制、适用范围及优缺点进行归纳总结,探讨有待解决的主要问题以及未来重点研究方向。结果表明:1)10 余年来盾构切桩技术发展迅速且取得了良好的切桩效果及经济效益反馈,切桩技术已相对成熟;2)刀具参数及布置方式尚没有明确的确定方法,在复杂地质条件下,仍存在刀具磨损和钢筋缠绕刀盘的现象;3)由于混凝土脊破裂面产生的机制尚不明确,且已有的计算方法未考虑混凝土强度的影响,刀间距设计多依赖已有的工程经验;4)盾构切桩掘削参数的选取多是基于数值模拟和室内试验,对实际工况都进行一定程度的简化,难以反映切桩过程中盾构与桩基相互作用的复杂效应;5)推力和转矩计算模型的公式简化条件不
4、尽相同、侧重点各不相同,公式的推广性和适用性还需进一步提高;6)目前对切桩引起的地表沉降以及控制措施研究较多,影响机制方面的研究还较少。关键词:盾构切桩;刀盘改造;掘削参数;地表沉降DOI:10.3973/j.issn.2096-4498.2023.10.002文章编号:2096-4498(2023)10-1637-20中图分类号:U 455.43 文献标志码:A开放科学(资源服务)标识码(OSID):O Ov ve er rv vi ie ew w o on n R Re es se ea ar rc ch h o of f S Sh hi ie el ld d C Cu ut tt ti
5、in ng g P Pi il le e F Fo ou un nd da at ti io on nJIA Peng1,SUN Zhanyang1,ZHAO Wen1,SONG Limin2(1.School of Resources and Civil Engineering,Northeastern University,Shenyang 110819,Liaoning,China;2.The Fourth Engineering Co.,Ltd.,China Railway No.3 Engineering Group Co.,Ltd.,Beijing 102300,China)A A
6、b bs st tr ra ac ct t:A comprehensive overview of global research on shield cutting pile foundations is offered to shed light on their development,applications,and progress.A literature review encompassing key terms and emerging trends in shield cutting pile technology is conducted.This initial step
7、 allows us to understand the current state of research and highlight areas of active investigation.Subsequently,recent research achievements are consolidated into three focal points:the transformation of shield machines,the optimization of cutting parameters,and the study of stratum response and pil
8、e bearing capacity concerning shield cutting piles.Finally,the primary research methods,mechanisms,applicability,strengths,weaknesses,and outstanding challenges of shield cutting pile foundations are summarized and discussed.Furthermore,future research directions are identified.Key findings are as f
9、ollows:(1)Rapid development in shield cutting pile technology has yielded promising pile-cutting results and economic benefits over the past decade,reaching a relatively mature stage.(2)Challenges persist in determining the parameters and arrangements of shield pile-cutting tools,specifically in com
10、plex geological conditions where tool wear and rebar entanglement at the cutterhead are common issues.(3)The mechanism of the concrete ridge rupture surface remains incompletely understood,and existing calculation methods lack considerations for concrete strength,relying heavily on engineering exper
11、tise to design cutter spacing.(4)Selection of shield pile-cutting parameters primarily relies on numerical simulations and indoor experiments,隧道建设(中英文)第 43 卷which may oversimplify real working conditions and fail to capture the complex interactions between the shield and the pile foundation during c
12、utting.(5)Existing formulas for thrust and torque calculations vary in their simplifications and emphases,warranting improvements in generalizability and applicability.(6)Thus,the current literature predominantly focuses on surface settlement caused by cut piles and corresponding mitigation measures
13、,rather than exploring the impact mechanisms of shield cutting pile technology.K Ke ey yw wo or rd ds s:shield cutting pile;cutterhead transformation;cutting parameters;surface settlement0 引言近年来,盾构工法以其安全、高效、机械化程度高、扰动小等优势,在中国城市地铁及水下盾构隧道建设中得到广泛应用1。截至 2022 年底,中国大陆地区累计有 38 个 城 市 投 运 城 轨 交 通,运 营 线 路 达10
14、291.95 km,其 中 地 铁 达 8 012.85 km,占 比77.85%2。随着城市地下空间的大规模发展,使得地铁隧道施工所遇到的地质条件越来越复杂,因此,在城市建筑密集区难免会遇到既有建(构)筑物桩基障碍3-5,穿越既有建(构)筑物桩基的情况越来越多。常用的除桩措施包括在盾构到达前桩基托换、人工挖孔除桩、拔桩、冲桩等,但这些工法对周边环境影响大,而且施工成本高、工期长。盾构直接切削破除障碍桩的优势明显、经济社会效益显著,在工程实践中具有更广阔的应用前景,但盾构切桩技术无论是理论研究还是技术实践都还需进一步探索。针对地铁建设破除障碍桩问题,不断有人在尝试新思路和新技术,自 2013
15、年至今,盾构直接切削钢筋混凝土桩基技术取得飞速发展,在理论分析、模拟试验、数值模拟、实测分析等方面取得了一定的成果。在理论分析方面,学者们主要针对刀间距设计、掘削参数计算模型进行深入研究6-11;在模拟试验方面,通过盾构始发洞门前布置试验桩、盾构模拟试验平台、盾构掘进模态综合试验台、线性切削试验平台、盾构刀具切削机,研究分析盾构切桩效果及机制、掘进参数特征、刀具损伤规律,分析掘进参数和刀具布置对桩基破坏形态、刀盘磨损的影响规律12-18;在数值模拟方面,考虑不同掘进工况和不同影响因素下,磨桩刀盘刀具设计与布置及磨桩掘进对剩余桩基承载力和托换桩的影响6,19-23;在实测分析方面,根据工程现场沉
16、降监测、切桩效果、刀具磨损、掘削参数多因素综合作用的监测数据结果,说明磨桩技术的合理性6,16,19,24-25。本文基于当前国内外学者对盾构切桩技术的研究成果,首先,运用文献计量分析以及统计梳理国内外切桩的工程应用案例,分析盾构切桩研究概况和发展历程,明晰盾构切桩主要研究热点;然后,结合研究热点对盾构切桩相关施工和技术研究进行综述,包括盾构磨桩对刀盘及刀具、推进过程中施工控制参数、地表沉降、桩基承载力影响等;最后,针对现有研究存在的不足,对尚需深入研究的问题提出若干展望,以期为未来盾构切桩施工及其技术发展提供借鉴。1 研究方法与文献计量分析1.1 研究方法 基于国内外文献检索,利用 VOSv
17、iewer 软件对关键词进行提炼和共现分析,对盾构切桩的研究热点进行归纳和总结,分析盾构切桩在隧道建设中的研究与应用。选定 CNKI 中文数据库和 WOS 英文核心库 2个主要数据库,检索获取盾构切桩领域的相关研究论文。其中,WOS 数据库的检索策略为:主题=Shield and cutting pile,时间跨度=所有年,检索结果共命中 31条记录;CNKI 数据库的检索策略为:主题=盾构(切桩+磨桩),时间跨度=所有年,检索结果共命中382 条记录;数据检索日期为 2022 年 11 月 13 日。综合不同数据库检索结果,筛选出主题相关且质量较好的 112 篇文献(WOS:13 篇,CNK
18、I:99 篇)进行后续分析。1.2 文献计量分析 筛选出在 20092022 年发表的文献。其中,英文文献 13 篇,中文文献 99 篇;期刊论文 91 篇,会议论文7 篇,学位论文 14 篇。在所选文献中,中文论文占比较大,表明近年来国内在该领域的研究成果较为丰富。通过对所有国内外文献关键词的同义近似归并、英文翻译与统计分析,可得盾构切桩相关文献关键词的共现关系图(见图 1),同时将所有文献的发文时间进行统计,可得 20092022 年相关论文发文数量随时间变化统计图(见图 2)。结果显示:1)在关键词共现关系方面,盾构、盾构隧道、数值模拟、切削桩基等关键词出现频率较高,突出了切桩技术在盾构
19、隧道建设中发挥重要作用;同时,盾构改造、刀具配置、掘进参数等优化措施与盾构和切桩也关系紧密,说明盾构切桩技术在这些方面开展研究较多,后续文献分析也将从这几方面展开。2)在发文量方面,在 2012 年前相关论文发表数量几乎为零,此后论文数量呈现阶梯状增长的趋势。3)截至检索日(2022 年 11 月 13 日),近 4 年相关论文发表数量已达 63 篇,表明近几年盾构切桩技术的应用需求显著增加。8361第 10 期贾 蓬,等:盾构切削桩基研究现状综述图 1 文献关键词的共现关系图Fig.1 Co-occurrence diagram of keywords in published papers
20、图 2 盾构切桩相关论文发表数量柱状图Fig.2Histogram of published paper numbers related to shield cutting piles2 盾构切桩实践发展概述 10 余年来盾构切桩技术取得了快速发展,表 1 对20082022 年文献获取的主要盾构切桩工程实践案例的地层情况、刀具情况、桩基参数及盾构类型进行了总结。盾构掘削桩基可分为主动切桩和被动切桩。被动切桩指的是在事先不知有桩的情况下切削桩基,因此只能通过调控掘进参数或采用其他辅助措施,切削并穿越桩基;主动切桩指的是在已知有桩的情况下切削桩基,因此可在始发前主动采取盾构设备的改造加强、掘进参
21、数优化、地层加固等措施,从而能够安全高效切桩26。2008 年前后,沈阳地铁 1 号线和天津津滨轻轨施工时由于被动切削多根桩基,出现了刀盘推力转矩过大、刀盘不均匀变形、刀具损伤严重等问题27。20092010 年,案例 3 和案例 4 的切桩工程采用在刀盘面板上增加一定数量的先行刀和贝壳刀,认为增设先行刀及贝壳刀对盾构切削钢筋混凝土桩基具有明显效果。此后,盾构切桩在地铁建设处理障碍桩的应用开始逐渐增多。2011 年 起,北 京 交 通 大 学 袁 大 军 及 其 团队7,8,12,19,26,28开展了国内首次盾构切削桩基大型现场试验,分析了掘进参数特征、切桩效果及机制、刀具损伤规律,在此基础
22、上研发了新型切桩刀具,提出超前贝壳刀布置方案,并成功应用在苏州轨道交通 2 号线三石区间盾构切削桥桩工程,验证了盾构直接切削大直径桩基的可行性。自此国内对于盾构切桩方面的研究迅速增多。2019 年至今,杜闯东等14、许华国等15、吴志峰等16、李宏波29基于 TBM 掘进模态综合试验台,开展全断面滚刀、全断面撕裂刀对比试验,提出了新型滚刀与撕裂刀高低布置方案,并从刀具损伤、切筋长度、卡机情况、刀盘振动特性等多方面优化了掘削参数,研究成果应用于以色列特拉维夫轻轨红线项目 TBM 段(西标段)工程和深圳轨道交通 14 号线盾构下穿电子科技厂房工程。笔者总结了 20082022 年多个案例施工方法,
23、盾构切桩施工工艺流程如图 3 所示。表 1 盾构切桩工程实例统计表Table 1 Statistics on engineering examples of shield cutting piles案例编号工程名称土层参数盾构刀具情况、刀具种类桩基情况磨桩数量/根桩基类型及尺寸/mm主筋类型/mm混凝土强度盾构切桩位置盾构类型论文发表年份1 上海地铁 10 号线盾构切削简支梁桥桩基24,30 黏质粉土夹粉质黏 土、灰 色 砂质粉 土、灰 色 淤泥质黏土标 准刀、先行刀、贝壳刀同时磨 5混凝土方桩 40040018C25刀盘全断面切削桩基中部日 本 三 菱6 340 mm 土压平衡盾构2009,
24、2010 2上海地铁 7 号线盾构切削工业厂房桩基25,31 淤泥质黏土和粉质 黏 土、砂 质粉土 原标准切刀保持不变,增加 65把先行贝壳刀同时磨 3混凝土方桩 35035016C30刀盘全断面切削桩基中部日 本 小 松6 340 mm 土压平衡盾构2010,20113沈阳地铁 1 号线盾构切削桥梁桩基32中粗砂、砾砂被 动切削,未做改进共磨 3 钻孔灌注 桩1 20020C25刀盘上部切削桩基下部日 本 小 松6 340 mm 土压平衡盾构20129361隧道建设(中英文)第 43 卷表 1(续)案例编号工程名称土层参数盾构刀具情况、刀具种类桩基情况磨桩数量/根桩基类型及尺寸/mm主筋类型
25、/mm混凝土强度盾构切桩位置盾构类型论文发表年份4天津津滨轻轨盾构切削房屋桩基32粉质黏土被 动切削,未做改进共磨 43混凝土预制方桩2526C25刀盘全断面切削桩基下部日 本 川 崎6 340 mm 土压平衡盾构20125苏州轨道交通2 号线三石区间盾构切削桥桩工程12 上半断面为粉砂,下 半 断 面 为粉质黏土刮 刀、小贝壳刀、大贝壳刀、羊角先行刀共磨 14 钻孔灌注桩1 200、1 0002220刀盘全断面切 削 桩 基 中上部日 本 小 松6 340 mm 土压平衡盾构20136深圳地铁 9 号线大剧院鹿丹村区间工程33-34 中微风化花岗岩层和砾质黏性土层共计 4 把中心滚刀,10
26、把边缘滚刀,23 把正面滚刀共磨 137 沉管灌注桩 340C20刀盘全断面或上部切削桩基下部2015,20167广州地铁 4 号线南延段广大区间盾构下穿大涌桥35圆 砾层、粉土粉砂层及黏土层在 原 有 刮 刀、滚刀基础上加焊保径 刀、贝 壳 型刀具同时磨 1钻孔灌注桩1 000 25刀盘全断面切 削 桩 基 中下部海瑞克6 280 mm 土压平衡盾构20158昆明地铁 8 标环昆区间盾构磨桩工程36 淤泥质黏土和粉质 黏 土、砂 质粉土10 把 以 上 滚刀,加焊 30 把先行刀同时磨 2600、400刀盘全断面切削桩基中部20159大连地铁 101标盾构连续磨削穿越 63 根 800 mm
27、 的 C35 钢 筋混凝土灌注桩排桩工程37洪 积 粉 细 砂层,可 塑 状 粉 质黏土层滚 刀、正面刮刀、周边刮刀同时磨 2钢筋混凝 土灌注桩 排 桩80022C35刀盘全断面或上部切削桩基下部6 250 mm土压平衡(EPB)盾构201610南京地铁 5 号线盾构区间下穿夫子庙过街通道施工38 全、强、中风化板岩 交 互 地 层,地层含水量较大先行刀(贝壳刀)同时磨 7密排预制 钢筋混凝 土方桩45045018刀盘上部切削桩基下部土压平衡盾构201911哈尔滨地铁 2号线一期工程哈尔滨北站大耿家站盾构区间39 粉质黏土和粉质黏土夹团块状粉细 砂,未 经 历岩层 在原有刀具基础上增加 8 把
28、撕裂刀同时磨 4CFG 桩400刀盘全断面切削桩基下部6 280 mm土压平衡盾构201912南昌地铁 2 号线 4 标红谷中大道站到阳明公园站隧道工程40 主要地层为中砂层 提前更换切刀和刮 刀,将 球 齿滚刀更换为圆弧刃滚 刀,在 外 圈加焊撕裂刀同时磨 1单桩单柱 钻孔灌注桩1 500、1 200252220刀盘全断面或上部切削桩基下部泥水盾构201913以色列特拉维夫轻轨红线项目TBM 段(西标段)工程15 中砂、砾砂、圆砾、中 风 化 泥 质粉砂 岩、中 风 化砂砾岩、泥岩 撕裂刀和滚刀组合配置形式共磨 11 1 000、1 20022C35刀盘全断面或上部切削桩基下部土压平衡盾构2
29、01914深圳轨道交通14 号线盾构下穿电子科技厂房工程29 粉砂夹砂质粉土、砂质粉土、淤泥质粉质黏土 撕裂刀和滚刀组合配置形式共磨 27 1 20025刀盘全断面切削桩基下部6 980 mm复合式土压平衡盾构20200461第 10 期贾 蓬,等:盾构切削桩基研究现状综述表 1(续)案例编号工程名称土层参数盾构刀具情况、刀具种类桩基情况磨桩数量/根桩基类型及尺寸/mm主筋类型/mm混凝土强度盾构切桩位置盾构类型论文发表年份15杭州地铁 2 号线建国路站中河路站区间盾构穿越凤起桥切削6 根大直径桥桩工程6粉质黏土-中细砂-卵 石(地层,大 多 为 卵 石地层贝壳刀、刮刀同时磨 2钻孔灌注桩1
30、00022C25刀盘全断面切 削 桩 基 中上部202016 北京地铁 12 号线长春桥站区间出土井盾构切割GFRP 筋 混 凝 土围护桩无障碍接收工程41淤 泥 质 黏 土、粉质黏土、粉砂鱼 尾刀,周边保径 刀、外 周 切刀、主切刀、仿形刀、注 入 口 保 护刀、磨损检测刀、仿形刀同时磨 1GFRP筋 混凝土围 护 桩1 800D32 玻璃纤维筋C30刀盘全断面切 削 桩 基 中下部加泥式土压平衡式盾构202017宁波轨道交通4 号线柳宁盾构区间23 中风化泥质粉砂岩 贝壳型焊接撕裂 刀、撕 裂 刀、刮刀同时磨 4800、700、60014刀盘上部切削桩基下部202018南昌地铁某盾构区间隧
31、道切削桥梁单桩基础42 硬塑状砂黏性土、全 风 化 混 合花岗岩 2 层 滚刀、切刀、刮刀、保径刀、超挖刀,并 在 原 基 础上 增 加 6 把 撕裂刀同时磨 1桥桩1 500 28刀盘上部切削桩基下部国产气垫式泥水加压平衡盾构202019 广州地铁 12 号线官洲站大学城北站盾构区间下穿既有地铁 4号线43-44 黏质粉土夹粉质黏 土、灰 色 砂质粉 土、灰 色 淤泥质黏土 楔齿滚刀和焊接型重型撕裂刀同时磨 81 20028、25C30刀盘全断面或上部切削桩基下部 6 700 mm复合式土压平衡盾构2021,202220郑州地铁 5 号线农业东路站心怡路站区间隧道工程45粉 质 黏 土 层、
32、黏质 粉 土 层、细砂 层 和 黏 质 粉土层共磨 175水泥土桩 500C30刀盘上部切削桩基下部6 420 mm土压平衡盾构202221杭州地铁 4 号线盾构下穿电力隧道切削桩基工程46素 填土、粉质黏土、砂 质 黏 土夹粉土共磨 2减沉桩60028C35刀盘全断面切 削 桩 基 中下部202222穗莞深城际轨道交通深圳机场至前海段区间工程47全风化-微风化花岗岩 滚刀、撕裂刀、刮刀共磨 88 1 200临时立柱桩、400PHC预制管桩最大 22 最高 C80刀盘全断面切削桩基下部土压平衡盾构2022 注:“磨桩数量”列共磨指工程磨桩总数,同时磨指刀盘最多同时磨桩数量。下同。3 盾构改造3
33、.1 刀具选择与布置刀具的选择和布置在盾构设计中是非常重要的一部分。从几何角度上划分,刀盘刀具的布置方法主要有阿基米德螺旋线布置法和同心圆布置法48。通常,在全断面开挖时为了更好地控制刀盘不平衡转矩和不平衡径向力,采用最多的是阿基米德螺旋线布置法49-50,但盾构切削桩基时,参与切桩的刀具处于动态变化中,很难采用阿基米德螺旋线布置法,因此在已有的切桩案例中多采用同心圆布置法。盾构刀具按切削原理划分,一般分为切削刀和滚刀 2 类。切削刀又分为齿刀、切刀(或刮刀)、先行刀(撕裂刀)、中心刀和保护刀等。针对不同地质条件,盾构掘进主力刀具主要有滚刀及切刀 2 种。滚刀适用于全断面硬岩或复合地层中,对于
34、刀盘强度也有较高要求,对于粉砂软土环境,滚刀的转轴极有可能进砂后失效;切刀适用于软土地层,普通切刀不适合在含砾石的高磨蚀地层中掘进,更无法承受连续磨削钢筋混凝1461隧道建设(中英文)第 43 卷土等高强度障碍物。因此,通用切削类刀具对高强度钢筋混凝土桩进行直接清除是不合适的。目前针对不同地层情况,盾构切桩刀具配置的研究和应用主要集中在2 个方面:以贝壳刀或滚刀作为先行刀进行布置。图 3 盾构切桩施工工艺流程图Fig.3 Shield cutting pile construction process 1)在以贝壳刀作为先行刀布置方面。滕丽51采用 400 mm 盾构模拟试验平台,研究认为盾构
35、碰到障碍物时,刀盘上应适量加装先行刀和贝壳刀。文献13,24在常规土压平衡盾构的基础上增配了 1 套先行刀和 6 把贝壳刀,成功磨削了 33 根 400 mm 400 mm 预制方桩,并提出应增加贝壳刀数量。王飞等12通过在盾构始发洞门前布置 2 根试验桩开展试验,认为钢筋周边混凝土的包裹固定情况是其能否被贝壳刀有效切断的关键因素,并提出配置超前贝壳刀以实现分次切筋,超前贝壳刀与普通贝壳刀高低差配置如图 4 所示,有效解决了由于钢筋过长导致螺旋输送机卡住的问题。图 4 超前贝壳刀及分次切削钢筋示意图12Fig.4 Advance shell cutter and cutting rebar f
36、ractionally122)在以滚刀作为先行刀布置方面。张雨等37以大连地铁 101 标盾构连续磨削穿越地下停车场排桩为背景,考虑到盾构穿越辉绿岩与板岩交互复合岩层和多个高强度钢筋混凝土桩,提出以滚刀配置为主,刮刀为辅的刀具布置方式。首先,滚刀在推力下挤压破碎混凝土,同时对钢筋进行初步切削;其次,刮刀不仅能将破碎的混凝土碎块刮落,还能将未切断的钢筋进行无序缠拉破坏,使得切断的钢筋和混凝土碎块从输送机顺利运出。姜艳林35针对广州地铁 4 号线盾构切削大涌桥 6 根 1 000 钻孔灌注桩工程,提出在原有土压平衡盾构刀盘滚刀间加装贝壳刀,其中贝壳刀(高145 mm)低于滚刀(高 175 mm),
37、同时在刀盘外径加装保径刀,防止滚刀磨损后隧道开挖直径无法得到保证,保护刀盘结构。在常规含有滚刀的盾构刀盘上布置贝壳刀,可以有效磨削桩基,但是对于两者的布置方式对切桩效果的影响并不清楚。杜闯东等14采用纯滚刀和纯切刀分别切削 C35 和 C50 钢筋混凝土桩基开展对比试验,发现全断面滚刀和全断面切刀切桩过程中均存在最佳推进速度和刀盘转速,相互匹配能使其达到最佳掘进效能;李宏波29依托 TBM 模态掘进试验平台开展滚刀和撕裂刀切削桩基试验,发现撕裂刀切削钢筋正向切割效果优于滚刀,滚刀切削钢筋抗冲击效果优于撕裂刀,可采用组合刀具布置充分发挥各自切削优势,并提出可通过螺旋输送机内径确定撕裂刀刀间距,在
38、考虑撕裂刀位置和最优滚刀破岩刀间距的前提下设置滚刀刀间距,保证钢筋的有效断裂,降低出现卡死刀盘及螺旋输送机的风险。在此基础上,许华国等15通过开展盾构刀盘切削钢筋混凝土桩基室内试验,对比分析了全断面滚刀和全断面撕裂刀切削混凝土桩基的优缺2461第 10 期贾 蓬,等:盾构切削桩基研究现状综述点,提出撕裂刀和滚刀高低组合的配置方案(如图 5所示):在盾构刀盘上原滚刀安装位置间隔安装加高撕裂刀,两者轨迹线展开平面呈锯齿状排列,可有效控制钢筋的切断长度,撕裂刀与滚刀的具体高差应根据所切钢筋直径、钢筋保护层厚度、混凝土强度以及混凝土对钢筋的握裹程度来确定。图 5 盾构刀具组合布置图15Fig.5 Sh
39、ield tool combination arrangement153.2 刀具设计与优化 目前在盾构切桩方面,对刀具的设计主要是对贝壳刀和刮刀刀刃进行针对性设计,包括刀刃形状、刀刃角度和刀刃合金种类。3.2.1 刀刃形状 贝壳刀的形状有双面刃和单面刃 2 种(如图 6 所示),单面刃由于其较双面刃锋利,其切断钢筋所需的切削面积 AS2小于双面刃对应的切削面积 AS1,切削效率更高。但是考虑到盾构切削钢筋混凝土桩基对刀刃的耐磨性和抗崩性有较高要求,因此工程上多选用双面刃贝壳刀6,26。而按其角度大小,又可分为钝角刀、锐角刀、直角刀;锐角刀又可分为双刃锐角刀和单刃锐角刀。刘浩52从受力大小、切
40、削效果以及抗损伤能力对切削钢筋进行理论分析,认为钝角刀切断钢筋所需切削功最大、切削效率最低,直角刀和单刃锐角刀居于钝角刀和双刃锐角刀之间,综合以上考虑切桩贝壳刀刃宜选用双面直角刀。此外,文献18,53开展了不同刀尖形状(圆弧形、直线形、折线形)(如图 7 所示)切削混凝土试验和离散元三维数值模拟,发现 3种不同形状的刀具在切削力表现上没有显著差异,直线形刀具在切削力稳定性方面略优于折线形及圆弧形刀具,在刀具磨损方面圆弧形磨损量最小,但综合考虑加工难度方面,工程上多选用直线形刀具。(a)双面刃(b)单面刃图 6 贝壳刀 2 种刀刃对钢筋的切削效果26Fig.6 Rebar cutting eff
41、ects of two kinds of blades of shell cutters26(a)圆弧形(b)直线形(c)折线形图 7 刮刀刀刃形状(圆弧形、直线形、折线形)18,53Fig.7Shape of scraper blade(rounded,straight,and bending lines)18,533.2.2 刀刃角度 文献25,30,54-56以先行刀的方式配置滚刀或普通贝壳刀,通过合理调整掘进参数、所用刀盘刀具布置方式可以勉强完成小直径(800)钢筋混凝土桩基的切削,但效果不甚理想,存在刀具磨损较大、断筋较长而难以从螺旋输送机排出等问题。袁大军等19通过理论分析,研究了
42、刀具前角、后角角度对磨桩效果的影响,提出切削钢筋混凝土桩基所用刀刃宜选用负前角和零后角。在此基础上研发了一种新型贝壳刀刀具,采用 LS-DYNA 建模,分析了该新型贝壳刀切削钢筋和混凝土时,在不同切削次数下刀具应力、温度、切削力、切削机制、磨损类型,发现切削钢筋机制为剪切切削,切削混凝土机制为挤压破坏,但无论是切削钢筋还是混凝土,新型贝壳刀硬质合金刀刃的磨损类型均为磨粒磨损,没有具体研究刀具前角、后角的角度对刀具整体切削参数的影响。王哲等6通过 AdvantEdge 有限元软件对贝壳刀的角度进一步设计,建立不同角度前角与后角切削钢筋二维模型,分析刀刃角度对刀具切削温度和刀具应力的影响,认为采用
43、-30前角和 0后角刀刃,应力变化范围小且应力分散,切削过程中产生的温度和切削力低,对刀具损伤小,更适用于钢筋的切削;该设计成功应用于杭州地铁 2 号线建国路站中河路站区间盾构穿越凤起桥 6 根大直径桥桩工程。与此不同的是,杜欣等9以北京地铁 12 号线盾构切削西坝河桥 16 根800 mm 桥桩工程为依托,通过建立 0前角贝壳刀动态切削混凝土三维模型,得到 0前角贝壳刀贯入力和切向力之比约为 2 1,认为 0前角的刀具设计使得更多切向力转化为贯入力,切桩转矩降低并与推力值相近,可以提高盾构切桩整体安全性。3.2.3 刀刃合金优化 王飞等7通过盾构切削始发洞门前2 根试验桩模拟试验对磨桩刀具损
44、伤问题进行研究,发现由于忽略了刀刃背部的防损伤设计,盾构在掘进时背桩侧刀刃可能会刮蹭钢筋或混凝土粗骨料,从而在合金尖角处3461隧道建设(中英文)第 43 卷发生应力集中或者合金与刀体之间脱焊造成整体崩裂。基于此,做如下 2 项改进:1)为防止应力集中,刀刃尖角处进行平滑处理;2)加强刀体与合金之间钎焊焊缝质量,使焊缝饱满、厚实,提高焊缝强度(如图 8所示)。(a)原设计(b)改进设计图 8 贝壳刀刀刃的原设计与改进设计7Fig.8 Original and improved design of shell cutter blade73.2.4 刀间距设计 早期切桩工程案例对刀具布置基本上只局
45、限于工程措施上的简单描述,多采用在原有刀盘刀具间加装先行刀或在原有刀具位置直接替换先行刀9,13,35,39,没有针对切桩刀间距取值进行针对性设计,仅提出在桩基数量多且直径大时,先行贝壳刀应采取“大宽度、小净距”的布置方案38。对于刀间距的取值,王飞等7参考硬岩地层中相邻滚刀所形成的“岩脊”,提出了在相邻贝壳刀间存在一个临界净间距(如图 9 所示),当净间距小于该值时,将在相邻刀具之间产生 1 个破裂面 EF,进而CDEF 区域混凝土会被挤压破裂;当净间距大于该值时,CDEF 区域仍会完整保留,此时将会在刀具间积累产生超过刀刃凸起高度的“混凝土脊”,阻碍刀盘推进。通过切削大直径桩基试验,将 3
46、 种净刀间距对应的混凝土脊高度进行线性拟合得到临界净刀间距为48.7 cm。王飞等7从安全、能效、稳定性多角度分析,得出刀间距适当增大不仅可以减少刀具数量、节省成本,而且更有利于实现总推力和总转矩的控制;刀间距适当减小可提高切桩的安全性,但是过小会由于桩基被切削的过于破碎而浪费效能,最终出于安全性考虑,选择 8 cm 的刀间距。与此不同的是,王哲等6假设刀盘旋转 1 周,相邻 2 把贝壳刀切桩深度为 h、磨桩宽度为 P、桩面开裂角为(如图 10 所示),基于几何关系,建立了贝壳刀最合理刀间距 S 与上述参数的关系:P=2htan。为避免产生混凝土脊,实现全断面切桩,则 S=2htan,式中反映
47、了磨桩宽度随着掘进深度增加而增加,磨桩宽度的增加可以减少贝壳刀数量,但会导致贝壳刀刀刃应力增大加剧磨损。作者综合考虑刀具磨损量、掘进效率及参考已有工程案例,取相邻两贝壳刀间距 S=0.62P。(a)小于临界净间距(b)大于临界净间距图 9 王飞等提出的相邻贝壳刀切削混凝土的分析模型7Fig.9 Analyzing model for concrete cutting of adjacent shell cutters by Wang Fei7图 10 王哲等提出的相邻贝壳刀切削混凝土的分析模型6Fig.10Analyzing model for concrete cutting of adja
48、cent shell cutters by Wang Zhe63.3 刀盘强度和耐磨性优化 目前盾构刀盘形式主要有辐条式、面板式和介于两者之间的辐板式 3 种57-58。但在切桩工程中,尤其是同时切削多根桩时,刀盘的转矩和推力均较大,由于会受到钢筋的缠绕、冲击磨损作用,采用传统刀盘难以保证刀盘强度和刚度的要求,刀盘本身也较难满足抗磨蚀要求,因此对盾构刀盘进行优化是至关重要的。针对盾构穿越桩基及含砾土层刀盘外周易磨损问题,杜欣等9在辐条式刀盘外周堆焊了网格状耐磨硬质合金,并在刀盘外周安装保护刀具,同时,为了提高刀盘强度和刚度,刀盘外圈增加“T”形内环筋板,外圈板辐条外端设置三角筋板(如图 11
49、所示),最终成功切削北京西坝河桥 16 根 800 mm 桥桩。针对盾构穿越地层为硬塑状砂黏性土、全风化混合花岗岩等情况,杨辉等43采用 6 辐条+6 辐板式刀盘,保证开口率的同时又能提高刀盘的强度和刚度;另外,由于地层上软下硬,桩基数量多、强度大,为此用耐磨效果更好的复合板取代了原先的 HARDOX 耐磨板,并且在刀盘外周布置了 50 mm 厚的耐磨合金块。为防止较长钢筋和较大混凝土块进入土舱内堵塞螺旋输送机,杜闯东等14在刀盘开口处安装 25 个尺寸为 25 mm25 mm4461第 10 期贾 蓬,等:盾构切削桩基研究现状综述的格栅,同时在格栅外表面堆焊高度为 35 mm 的耐磨网格(如
50、图 12 所示)。图 11 刀盘耐磨优化图9Fig.11 Abrasiveness optimization of cutterhead9图 12 刀盘格栅布置图14Fig.12 Grille layout of cutterhead143.4 螺旋输送机改造 螺旋输送机作为盾构重要的出土装置,在磨桩施工过程中起着将磨桩形成的钢筋混凝土碎块送出的作用,盾构能否持续前进不被碎料影响很大程度上取决于螺旋输送机能否快速高效地将碎料送出。因此,需对螺旋输送机采取相应措施。郑世兴24在螺旋机上开设 1 个 50 cm50 cm 的施工检查口,在盾构直接过桩期间可用来检查螺旋机工作情况,如被钢筋或混凝土卡
