盾構(gòu)切削樁基研究現(xiàn)狀綜述

賈 蓬, 孫占陽, 趙 文, 宋立民

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

0 引言

近年來,盾構(gòu)工法以其安全、高效、機(jī)械化程度高、擾動(dòng)小等優(yōu)勢,在中國城市地鐵及水下盾構(gòu)隧道建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用[1]。截至2022年底,中國大陸地區(qū)累計(jì)有38個(gè)城市投運(yùn)城軌交通,運(yùn)營線路達(dá)10 291.95 km,其中地鐵達(dá)8 012.85 km,占比77.85%[2]。隨著城市地下空間的大規(guī)模發(fā)展,使得地鐵隧道施工所遇到的地質(zhì)條件越來越復(fù)雜,因此,在城市建筑密集區(qū)難免會(huì)遇到既有建(構(gòu))筑物樁基障礙[3-5],穿越既有建(構(gòu))筑物樁基的情況越來越多。常用的除樁措施包括在盾構(gòu)到達(dá)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(huán)境影響大,而且施工成本高、工期長。盾構(gòu)直接切削破除障礙樁的優(yōu)勢明顯、經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益顯著,在工程實(shí)踐中具有更廣闊的應(yīng)用前景,但盾構(gòu)切樁技術(shù)無論是理論研究還是技術(shù)實(shí)踐都還需進(jìn)一步探索。

針對地鐵建設(shè)破除障礙樁問題,不斷有人在嘗試新思路和新技術(shù),自2013年至今,盾構(gòu)直接切削鋼筋混凝土樁基技術(shù)取得飛速發(fā)展,在理論分析、模擬試驗(yàn)、數(shù)值模擬、實(shí)測分析等方面取得了一定的成果。在理論分析方面,學(xué)者們主要針對刀間距設(shè)計(jì)、掘削參數(shù)計(jì)算模型進(jìn)行深入研究[6-11];在模擬試驗(yàn)方面,通過盾構(gòu)始發(fā)洞門前布置試驗(yàn)樁、盾構(gòu)模擬試驗(yàn)平臺(tái)、盾構(gòu)掘進(jìn)模態(tài)綜合試驗(yàn)臺(tái)、線性切削試驗(yàn)平臺(tái)、盾構(gòu)刀具切削機(jī),研究分析盾構(gòu)切樁效果及機(jī)制、掘進(jìn)參數(shù)特征、刀具損傷規(guī)律,分析掘進(jìn)參數(shù)和刀具布置對樁基破壞形態(tài)、刀盤磨損的影響規(guī)律[12-18];在數(shù)值模擬方面,考慮不同掘進(jìn)工況和不同影響因素下,磨樁刀盤刀具設(shè)計(jì)與布置及磨樁掘進(jìn)對剩余樁基承載力和托換樁的影響[6, 19-23];在實(shí)測分析方面,根據(jù)工程現(xiàn)場沉降監(jiān)測、切樁效果、刀具磨損、掘削參數(shù)多因素綜合作用的監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果,說明磨樁技術(shù)的合理性[6,16,19,24-25]。

本文基于當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)者對盾構(gòu)切樁技術(shù)的研究成果,首先,運(yùn)用文獻(xiàn)計(jì)量分析以及統(tǒng)計(jì)梳理國內(nèi)外切樁的工程應(yīng)用案例,分析盾構(gòu)切樁研究概況和發(fā)展歷程,明晰盾構(gòu)切樁主要研究熱點(diǎn);然后,結(jié)合研究熱點(diǎn)對盾構(gòu)切樁相關(guān)施工和技術(shù)研究進(jìn)行綜述,包括盾構(gòu)磨樁對刀盤及刀具、推進(jìn)過程中施工控制參數(shù)、地表沉降、樁基承載力影響等;最后,針對現(xiàn)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(gòu)切樁施工及其技術(shù)發(fā)展提供借鑒。

1 研究方法與文獻(xiàn)計(jì)量分析

1.1 研究方法

基于國內(nèi)外文獻(xiàn)檢索,利用VOSviewer軟件對關(guān)鍵詞進(jìn)行提煉和共現(xiàn)分析,對盾構(gòu)切樁的研究熱點(diǎn)進(jìn)行歸納和總結(jié),分析盾構(gòu)切樁在隧道建設(shè)中的研究與應(yīng)用。選定CNKI中文數(shù)據(jù)庫和WOS英文核心庫2個(gè)主要數(shù)據(jù)庫,檢索獲取盾構(gòu)切樁領(lǐng)域的相關(guān)研究論文。其中,WOS數(shù)據(jù)庫的檢索策略為:主題=Shield and cutting pile,時(shí)間跨度=所有年,檢索結(jié)果共命中31條記錄;CNKI數(shù)據(jù)庫的檢索策略為: 主題=盾構(gòu)×(切樁+磨樁),時(shí)間跨度=所有年,檢索結(jié)果共命中382條記錄;數(shù)據(jù)檢索日期為2022年11月13日。綜合不同數(shù)據(jù)庫檢索結(jié)果,篩選出主題相關(guān)且質(zhì)量較好的112篇文獻(xiàn)(WOS: 13篇,CNKI: 99篇)進(jìn)行后續(xù)分析。

1.2 文獻(xiàn)計(jì)量分析

篩選出在2009—2022年發(fā)表的文獻(xiàn)。其中,英文文獻(xiàn)13篇,中文文獻(xiàn)99篇;期刊論文91篇,會(huì)議論文7篇,學(xué)位論文14篇。在所選文獻(xiàn)中,中文論文占比較大,表明近年來國內(nèi)在該領(lǐng)域的研究成果較為豐富。通過對所有國內(nèi)外文獻(xiàn)關(guān)鍵詞的同義近似歸并、英文翻譯與統(tǒng)計(jì)分析,可得盾構(gòu)切樁相關(guān)文獻(xiàn)關(guān)鍵詞的共現(xiàn)關(guān)系圖(見圖1),同時(shí)將所有文獻(xiàn)的發(fā)文時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì),可得2009—2022年相關(guān)論文發(fā)文數(shù)量隨時(shí)間變化統(tǒng)計(jì)圖(見圖2)。

圖1 文獻(xiàn)關(guān)鍵詞的共現(xiàn)關(guān)系圖

圖2 盾構(gòu)切樁相關(guān)論文發(fā)表數(shù)量柱狀圖

結(jié)果顯示: 1)在關(guān)鍵詞共現(xiàn)關(guān)系方面,盾構(gòu)、盾構(gòu)隧道、數(shù)值模擬、切削樁基等關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻率較高,突出了切樁技術(shù)在盾構(gòu)隧道建設(shè)中發(fā)揮重要作用;同時(shí),盾構(gòu)改造、刀具配置、掘進(jìn)參數(shù)等優(yōu)化措施與盾構(gòu)和切樁也關(guān)系緊密,說明盾構(gòu)切樁技術(shù)在這些方面開展研究較多,后續(xù)文獻(xiàn)分析也將從這幾方面展開。2)在發(fā)文量方面,在2012年前相關(guān)論文發(fā)表數(shù)量幾乎為零,此后論文數(shù)量呈現(xiàn)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(guān)論文發(fā)表數(shù)量已達(dá)63篇,表明近幾年盾構(gòu)切樁技術(shù)的應(yīng)用需求顯著增加。

2 盾構(gòu)切樁實(shí)踐發(fā)展概述

10余年來盾構(gòu)切樁技術(shù)取得了快速發(fā)展,表1對2008—2022年文獻(xiàn)獲取的主要盾構(gòu)切樁工程實(shí)踐案例的地層情況、刀具情況、樁基參數(shù)及盾構(gòu)類型進(jìn)行了總結(jié)。盾構(gòu)掘削樁基可分為主動(dòng)切樁和被動(dòng)切樁。被動(dòng)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(diào)控掘進(jìn)參數(shù)或采用其他輔助措施,切削并穿越樁基;主動(dòng)切樁指的是在已知有樁的情況下切削樁基,因此可在始發(fā)前主動(dòng)采取盾構(gòu)設(shè)備的改造加強(qiáng)、掘進(jìn)參數(shù)優(yōu)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?yàn)I輕軌施工時(shí)由于被動(dòng)切削多根樁基,出現(xiàn)了刀盤推力轉(zhuǎn)矩過大、刀盤不均勻變形、刀具損傷嚴(yán)重等問題[27]。

表1(續(xù))

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(shù)量的先行刀和貝殼刀,認(rèn)為增設(shè)先行刀及貝殼刀對盾構(gòu)切削鋼筋混凝土樁基具有明顯效果。此后,盾構(gòu)切樁在地鐵建設(shè)處理障礙樁的應(yīng)用開始逐漸增多。

2011年起,北京交通大學(xué)袁大軍及其團(tuán)隊(duì)[7, 8, 12, 19, 26, 28]開展了國內(nèi)首次盾構(gòu)切削樁基大型現(xiàn)場試驗(yàn),分析了掘進(jìn)參數(shù)特征、切樁效果及機(jī)制、刀具損傷規(guī)律,在此基礎(chǔ)上研發(fā)了新型切樁刀具,提出超前貝殼刀布置方案,并成功應(yīng)用在蘇州軌道交通2號線三石區(qū)間盾構(gòu)切削橋樁工程,驗(yàn)證了盾構(gòu)直接切削大直徑樁基的可行性。自此國內(nèi)對于盾構(gòu)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(jìn)模態(tài)綜合試驗(yàn)臺(tái),開展全斷面滾刀、全斷面撕裂刀對比試驗(yàn),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(jī)情況、刀盤振動(dòng)特性等多方面優(yōu)化了掘削參數(shù),研究成果應(yīng)用于以色列特拉維夫輕軌紅線項(xiàng)目TBM段(西標(biāo)段)工程和深圳軌道交通14號線盾構(gòu)下穿電子科技廠房工程。

筆者總結(jié)了2008—2022年多個(gè)案例施工方法,盾構(gòu)切樁施工工藝流程如圖3所示。

圖3 盾構(gòu)切樁施工工藝流程圖

3 盾構(gòu)改造

3.1 刀具選擇與布置

刀具的選擇和布置在盾構(gòu)設(shè)計(jì)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(shí)為了更好地控制刀盤不平衡轉(zhuǎn)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(gòu)切削樁基時(shí),參與切樁的刀具處于動(dòng)態(tài)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(gòu)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(hù)刀等。針對不同地質(zhì)條件,盾構(gòu)掘進(jìn)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(fù)合地層中,對于刀盤強(qiáng)度也有較高要求,對于粉砂軟土環(huán)境,滾刀的轉(zhuǎn)軸極有可能進(jìn)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(jìn),更無法承受連續(xù)磨削鋼筋混凝土等高強(qiáng)度障礙物。因此,通用切削類刀具對高強(qiáng)度鋼筋混凝土樁進(jìn)行直接清除是不合適的。目前針對不同地層情況,盾構(gòu)切樁刀具配置的研究和應(yīng)用主要集中在2個(gè)方面: 以貝殼刀或滾刀作為先行刀進(jìn)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(gòu)模擬試驗(yàn)平臺(tái),研究認(rèn)為盾構(gòu)碰到障礙物時(shí),刀盤上應(yīng)適量加裝先行刀和貝殼刀。文獻(xiàn)[13, 24]在常規(guī)土壓平衡盾構(gòu)的基礎(chǔ)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(yù)制方樁,并提出應(yīng)增加貝殼刀數(shù)量。王飛等[12]通過在盾構(gòu)始發(fā)洞門前布置2根試驗(yàn)樁開展試驗(yàn),認(rèn)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(guān)鍵因素,并提出配置超前貝殼刀以實(shí)現(xiàn)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(dǎo)致螺旋輸送機(jī)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(biāo)盾構(gòu)連續(xù)磨削穿越地下停車場排樁為背景,考慮到盾構(gòu)穿越輝綠巖與板巖交互復(fù)合巖層和多個(gè)高強(qiáng)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(shí)對鋼筋進(jìn)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(jìn)行無序纏拉破壞,使得切斷的鋼筋和混凝土碎塊從輸送機(jī)順利運(yùn)出。姜艷林[35]針對廣州地鐵4號線盾構(gòu)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(gòu)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(shí)在刀盤外徑加裝保徑刀,防止?jié)L刀磨損后隧道開挖直徑無法得到保證,保護(hù)刀盤結(jié)構(gòu)。

在常規(guī)含有滾刀的盾構(gòu)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(yàn),發(fā)現(xiàn)全斷面滾刀和全斷面切刀切樁過程中均存在最佳推進(jìn)速度和刀盤轉(zhuǎn)速,相互匹配能使其達(dá)到最佳掘進(jìn)效能;李宏波[29]依托TBM模態(tài)掘進(jìn)試驗(yàn)平臺(tái)開展?jié)L刀和撕裂刀切削樁基試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)撕裂刀切削鋼筋正向切割效果優(yōu)于滾刀,滾刀切削鋼筋抗沖擊效果優(yōu)于撕裂刀,可采用組合刀具布置充分發(fā)揮各自切削優(yōu)勢,并提出可通過螺旋輸送機(jī)內(nèi)徑確定撕裂刀刀間距,在考慮撕裂刀位置和最優(yōu)滾刀破巖刀間距的前提下設(shè)置滾刀刀間距,保證鋼筋的有效斷裂,降低出現(xiàn)卡死刀盤及螺旋輸送機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。在此基礎(chǔ)上,許華國等[15]通過開展盾構(gòu)刀盤切削鋼筋混凝土樁基室內(nèi)試驗(yàn),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(yōu)缺點(diǎn),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(gòu)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(yīng)根據(jù)所切鋼筋直徑、鋼筋保護(hù)層厚度、混凝土強(qiáng)度以及混凝土對鋼筋的握裹程度來確定。

圖5 盾構(gòu)刀具組合布置圖[15]

3.2 刀具設(shè)計(jì)與優(yōu)化

目前在盾構(gòu)切樁方面,對刀具的設(shè)計(jì)主要是對貝殼刀和刮刀刀刃進(jìn)行針對性設(shè)計(jì),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(yīng)的切削面積AS1,切削效率更高。但是考慮到盾構(gòu)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(jìn)行理論分析,認(rèn)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(xiàn)[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(yàn)和離散元三維數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)3種不同形狀的刀具在切削力表現(xiàn)上沒有顯著差異,直線形刀具在切削力穩(wěn)定性方面略優(yōu)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(xiàn)[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(diào)整掘進(jìn)參數(shù)、所用刀盤刀具布置方式可以勉強(qiáng)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(jī)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(fù)前角和零后角。在此基礎(chǔ)上研發(fā)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?xí)r,在不同切削次數(shù)下刀具應(yīng)力、溫度、切削力、切削機(jī)制、磨損類型,發(fā)現(xiàn)切削鋼筋機(jī)制為剪切切削,切削混凝土機(jī)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(zhì)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(shù)的影響。

王哲等[6]通過AdvantEdge有限元軟件對貝殼刀的角度進(jìn)一步設(shè)計(jì),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(yīng)力的影響,認(rèn)為采用-30°前角和0°后角刀刃,應(yīng)力變化范圍小且應(yīng)力分散,切削過程中產(chǎn)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(shè)計(jì)成功應(yīng)用于杭州地鐵2號線建國路站—中河路站區(qū)間盾構(gòu)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(gòu)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(dòng)態(tài)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(rèn)為0°前角的刀具設(shè)計(jì)使得更多切向力轉(zhuǎn)化為貫入力,切樁轉(zhuǎn)矩降低并與推力值相近,可以提高盾構(gòu)切樁整體安全性。

3.2.3 刀刃合金優(yōu)化

王飛等[7]通過盾構(gòu)切削始發(fā)洞門前2根試驗(yàn)樁模擬試驗(yàn)對磨樁刀具損傷問題進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)由于忽略了刀刃背部的防損傷設(shè)計(jì),盾構(gòu)在掘進(jìn)時(shí)背樁側(cè)刀刃可能會(huì)刮蹭鋼筋或混凝土粗骨料,從而在合金尖角處發(fā)生應(yīng)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(xiàng)改進(jìn): 1)為防止應(yīng)力集中,刀刃尖角處進(jìn)行平滑處理; 2)加強(qiáng)刀體與合金之間釬焊焊縫質(zhì)量,使焊縫飽滿、厚實(shí),提高焊縫強(qiáng)度(如圖8所示)。

3.2.4 刀間距設(shè)計(jì)

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(jìn)行針對性設(shè)計(jì),僅提出在樁基數(shù)量多且直徑大時(shí),先行貝殼刀應(yīng)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(gè)臨界凈間距(如圖9所示),當(dāng)凈間距小于該值時(shí),將在相鄰刀具之間產(chǎn)生1個(gè)破裂面EF,進(jìn)而CDEF區(qū)域混凝土?xí)粩D壓破裂;當(dāng)凈間距大于該值時(shí),CDEF區(qū)域仍會(huì)完整保留,此時(shí)將會(huì)在刀具間積累產(chǎn)生超過刀刃凸起高度的“混凝土脊”,阻礙刀盤推進(jìn)。通過切削大直徑樁基試驗(yàn),將3種凈刀間距對應(yīng)的混凝土脊高度進(jìn)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(wěn)定性多角度分析,得出刀間距適當(dāng)增大不僅可以減少刀具數(shù)量、節(jié)省成本,而且更有利于實(shí)現(xiàn)總推力和總轉(zhuǎn)矩的控制;刀間距適當(dāng)減小可提高切樁的安全性,但是過小會(huì)由于樁基被切削的過于破碎而浪費(fèi)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(shè)刀盤旋轉(zhuǎn)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(guān)系,建立了貝殼刀最合理刀間距S與上述參數(shù)的關(guān)系:P=2h·tanθ。為避免產(chǎn)生混凝土脊,實(shí)現(xiàn)全斷面切樁,則S=2h·tanθ,式中反映了磨樁寬度隨著掘進(jìn)深度增加而增加,磨樁寬度的增加可以減少貝殼刀數(shù)量,但會(huì)導(dǎo)致貝殼刀刀刃應(yīng)力增大加劇磨損。作者綜合考慮刀具磨損量、掘進(jìn)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(qiáng)度和耐磨性優(yōu)化

目前盾構(gòu)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(shí)切削多根樁時(shí),刀盤的轉(zhuǎn)矩和推力均較大,由于會(huì)受到鋼筋的纏繞、沖擊磨損作用,采用傳統(tǒng)刀盤難以保證刀盤強(qiáng)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(gòu)刀盤進(jìn)行優(yōu)化是至關(guān)重要的。

針對盾構(gòu)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(wǎng)格狀耐磨硬質(zhì)合金,并在刀盤外周安裝保護(hù)刀具,同時(shí),為了提高刀盤強(qiáng)度和剛度,刀盤外圈增加“T”形內(nèi)環(huán)筋板,外圈板輻條外端設(shè)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(gòu)穿越地層為硬塑狀砂黏性土、全風(fēng)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(shí)又能提高刀盤的強(qiáng)度和剛度;另外,由于地層上軟下硬,樁基數(shù)量多、強(qiáng)度大,為此用耐磨效果更好的復(fù)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(jìn)入土艙內(nèi)堵塞螺旋輸送機(jī),杜闖東等[14]在刀盤開口處安裝25個(gè)尺寸為25 mm×25 mm的格柵,同時(shí)在格柵外表面堆焊高度為3～5 mm的耐磨網(wǎng)格(如圖12所示)。

圖11 刀盤耐磨優(yōu)化圖[9]

圖12 刀盤格柵布置圖[14]

3.4 螺旋輸送機(jī)改造

螺旋輸送機(jī)作為盾構(gòu)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(gòu)能否持續(xù)前進(jìn)不被碎料影響很大程度上取決于螺旋輸送機(jī)能否快速高效地將碎料送出。因此,需對螺旋輸送機(jī)采取相應(yīng)措施。

鄭世興[24]在螺旋機(jī)上開設(shè)1個(gè)50 cm×50 cm的施工檢查口,在盾構(gòu)直接過樁期間可用來檢查螺旋機(jī)工作情況,如被鋼筋或混凝土卡住可及時(shí)進(jìn)行清理。傅德明[13]利用小直徑(φ400 mm)盾構(gòu)切削鋼筋混凝土模擬試驗(yàn),提出在盾構(gòu)切樁過程中,可通過向土艙內(nèi)添加潤滑減摩材料來防止混凝土碎塊堵塞螺旋輸送機(jī)。但上述措施并不能有效解決卡筋問題,遇到卡筋時(shí)需要通過正反轉(zhuǎn)系統(tǒng)進(jìn)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(jī),螺桿軸和螺葉片結(jié)構(gòu)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(jié)合盾構(gòu)切樁試驗(yàn),提出可以采用內(nèi)部空間較開闊的無軸式螺旋輸送機(jī)(帶式螺旋輸送機(jī))。帶式螺旋輸送機(jī)輸送石塊粒徑大、抗纏繞能力強(qiáng)、輸送能力高(如圖13所示),因此能夠很好地降低螺旋輸送機(jī)卡死的風(fēng)險(xiǎn)[60]。但對于富水軟弱地層,帶式螺旋輸送機(jī)中空間較大,很難有效地形成土塞效應(yīng),極易引起渣土噴涌,此時(shí)有軸式輸送機(jī)具有更好的適用性[61]。王哲等[6]針對盾構(gòu)切樁長鋼筋卡機(jī)問題,提出通過增加有軸式螺旋機(jī)葉片以及在螺旋機(jī)葉片、螺機(jī)套筒內(nèi)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(fēng)險(xiǎn)。為防止螺旋輸送機(jī)出現(xiàn)涌砂涌水等現(xiàn)象,薄春蓮[31]在螺旋輸送機(jī)出土口部位裝設(shè)球閥閘門。綜上可見,螺旋輸送機(jī)的設(shè)計(jì)對于磨樁施工的作用較大,因此應(yīng)針對地層情況、樁基情況等對輸送機(jī)進(jìn)行合理選型并做出適應(yīng)性改造。

(a)有軸式螺旋輸送機(jī)

(b)無軸式螺旋輸送機(jī)

(a) 螺旋輸送機(jī)葉片改造

(b) 螺旋輸送機(jī)套筒改造

4 掘進(jìn)參數(shù)

盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)(推進(jìn)參數(shù))可分為2類: 可人為主動(dòng)設(shè)置和調(diào)整的稱為主動(dòng)推進(jìn)參數(shù),包括推進(jìn)速度、刀盤轉(zhuǎn)速等;推力和轉(zhuǎn)矩為被動(dòng)推進(jìn)參數(shù),對刀具磨損、刀盤受力和樁基變形有直接影響,盾構(gòu)在切樁過程中實(shí)際推力和轉(zhuǎn)矩值應(yīng)較小為好。薄春蓮[31]針對上海軌交7號線盾構(gòu)穿越建筑物樁群切削樁基工程,提出在盾構(gòu)切削樁基過程中,必須嚴(yán)格執(zhí)行預(yù)設(shè)的各項(xiàng)參數(shù),根據(jù)現(xiàn)場各項(xiàng)監(jiān)測結(jié)果應(yīng)及時(shí)調(diào)整施工參數(shù),最大限度地減少推進(jìn)過程中樁基自身整體位移等情況發(fā)生。

4.1 推進(jìn)速度與轉(zhuǎn)速模擬試驗(yàn)研究

與常規(guī)盾構(gòu)掘進(jìn)不同的是,盾構(gòu)磨樁要切削高強(qiáng)度的鋼筋和混凝土,推速和轉(zhuǎn)速波動(dòng)幅度大,高推速和轉(zhuǎn)速會(huì)造成刀具合金崩落、切深變大,從而導(dǎo)致推力、轉(zhuǎn)矩較大,甚至還會(huì)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(zhuǎn)速顯得尤為重要。筆者將搜集到的文獻(xiàn)中關(guān)于盾構(gòu)切樁模擬試驗(yàn)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)于表2。文獻(xiàn)[7,28]開展了不同工況下盾構(gòu)直接切削大直徑樁基現(xiàn)場試驗(yàn)(如圖15所示),在盾構(gòu)始發(fā)洞門布置2根交錯(cuò)的試驗(yàn)樁,從保護(hù)刀具合金和減小刀具磨損的角度提出刀盤轉(zhuǎn)速不宜過大,推進(jìn)速度不超過2 mm/min,并在工程中得到應(yīng)用。2014年,傅德明[13]依托φ400 mm盾構(gòu)模擬試驗(yàn)平臺(tái),開展了盾構(gòu)切削鋼筋混凝土室內(nèi)試驗(yàn)(如圖16所示),驗(yàn)證盾構(gòu)改造及掘削參數(shù)設(shè)置的合理性; 但是,由于該試驗(yàn)?zāi)M盾構(gòu)直徑、刀具布置數(shù)量與實(shí)際切樁相差較大,可借鑒性不多。李宏波[29]利用TBM模態(tài)掘進(jìn)試驗(yàn)平臺(tái)開展全斷面滾刀和全斷面撕裂刀切削樁基試驗(yàn)(如圖17所示),從切樁平穩(wěn)特性、刀盤振動(dòng)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(jìn)速度不超過3 mm/min,全盤滾刀切削樁基推進(jìn)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(qiáng)度等級對全斷面滾刀和全斷面撕裂刀掘削參數(shù)的影響(如圖18所示),給出了不同混凝土強(qiáng)度等級適宜的推進(jìn)速度和刀盤轉(zhuǎn)速,并提出應(yīng)根據(jù)鋼筋數(shù)量、混凝土強(qiáng)度等級等確定刀盤最佳推進(jìn)速度和轉(zhuǎn)速。Wang等[62]開展了14把全斷面滾刀切樁試驗(yàn),研究發(fā)現(xiàn),在低推進(jìn)速度和低轉(zhuǎn)速條件下,刀盤振動(dòng)較小,且中心刀盤徑向振動(dòng)較明顯。

(a) 盾構(gòu)切樁現(xiàn)場

(b) 樁基布置形式

(a) φ400 mm盾構(gòu)模擬試驗(yàn)平臺(tái)

(b) 切削斷面和切削輪廓圖

圖17 TBM模態(tài)掘進(jìn)試驗(yàn)臺(tái)[29]

圖18 方樁和圓樁在巖盤中的布置圖[14]

上述研究共進(jìn)行了7個(gè)試驗(yàn),其中5個(gè)采用TBM掘進(jìn)模態(tài)綜合試驗(yàn)臺(tái),1個(gè)采用小型模擬試驗(yàn)平臺(tái),1個(gè)為現(xiàn)場試驗(yàn)。試驗(yàn)樁主要為圓形和方形,這2種樁基在工程中較為常用。試驗(yàn)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(yàn)的相關(guān)參數(shù)總結(jié)見表2。

表2 盾構(gòu)切樁模擬試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)表

表2(續(xù))

4.2 推力和轉(zhuǎn)矩計(jì)算模型

傳統(tǒng)的推力和轉(zhuǎn)矩理論模型未考慮盾構(gòu)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(gè)階段: 逐入切削階段和穩(wěn)態(tài)切削階段。刀盤切削荷載先增大后減小,當(dāng)?shù)侗P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(shù)目影響。由于切削土?xí)r所受荷載遠(yuǎn)小于切削混凝土荷載,因此刀盤荷載計(jì)算模型中一般只計(jì)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(shí)刻切削荷載變化的主要因素是作用在樁基上的刀具數(shù)目。因此,刀盤荷載計(jì)算模型總體上主要分為2大部分: 作用在樁基上的刀具數(shù)量計(jì)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(biāo)系(如圖19所示),確定刀盤在1個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)各個(gè)時(shí)刻的切樁刀具數(shù)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(guān)系,通過MATLAB編程計(jì)算在1個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)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(zhuǎn)1周的切樁數(shù)目(如圖20所示),基于切刀動(dòng)態(tài)切削混凝土三維模擬,將得到的單刀切削荷載進(jìn)行疊加,最終得到掘進(jìn)面刀盤切樁荷載,其結(jié)果與陳海豐等[8]的計(jì)算模型進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)具有很好的一致性,推力平均誤差約為10%,轉(zhuǎn)矩平均誤差小于3.3%。此模型應(yīng)用在北京地鐵切削西壩河橋橋樁工程中,為刀盤切樁掘進(jìn)荷載分析和刀盤設(shè)計(jì)提供了參考,但上述模型在計(jì)算單刀切削荷載時(shí)并沒有考慮刀具配置參數(shù)的影響。

圖19 陳海豐等刀盤切樁數(shù)學(xué)模型[8]

圖20 杜欣等刀盤切樁數(shù)學(xué)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(yù)測盾構(gòu)切割樁時(shí)的推力。

d為刀盤每次旋轉(zhuǎn)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(shù);引入2個(gè)無量綱參數(shù)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(yīng)變。

Liu等[10]將傳統(tǒng)的推力和轉(zhuǎn)矩理論模型與盾構(gòu)全斷面切樁數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比(見圖22),發(fā)現(xiàn)由于傳統(tǒng)模型未考慮盾構(gòu)切割樁基,二者結(jié)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(shù)量計(jì)算方法,在刀盤平面建立極坐標(biāo)系,利用幾何關(guān)系確定任意時(shí)刻作用在樁基的刀具數(shù)目,利用上述單刀切削混凝土分析模型計(jì)算得到作用在樁基上的推力。

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

圖22 Liu等刀盤切樁數(shù)學(xué)模型[10]

圖23 Peng等刀盤切樁數(shù)學(xué)模型[11]

(2)

式中:γ′為復(fù)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(fù)合地基土的換算系數(shù),m=πd2/4l2(其中d為樁的直徑;l為每米的樁間距)。

運(yùn)用數(shù)學(xué)方法和力學(xué)平衡方法,可得到如式(3)所示的計(jì)算模型,結(jié)合地層特性和盾構(gòu)參數(shù)可求出各個(gè)參數(shù)的值,并計(jì)算盾構(gòu)在磨削樁基情況下各分項(xiàng)在刀盤荷載的占比(如圖24所示)。

(3)

(a) 力分項(xiàng)占比

(b) 力矩分項(xiàng)占比

式中:F1為盾構(gòu)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(gòu)切口環(huán)的切入阻力;T1為刀盤正面與復(fù)合土壤產(chǎn)生的摩阻力矩;T2為刀盤側(cè)面和復(fù)合土壤所產(chǎn)生的摩擦力矩;T3為土艙內(nèi)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(gòu)切削樁群的總荷載與實(shí)測值進(jìn)行比較,結(jié)果表明,該方法可以有效地預(yù)測盾構(gòu)開挖過程中的總推力和轉(zhuǎn)矩。該模型與前述模型相比,在樁土等效的基礎(chǔ)上考慮了盾構(gòu)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(yīng)。

4.3 推力和轉(zhuǎn)矩實(shí)測研究

盾構(gòu)在切削樁基時(shí),刀盤推力和轉(zhuǎn)矩具有一定的波動(dòng)性,主要有以下幾個(gè)特征:

1)在整個(gè)切樁過程中,推力、轉(zhuǎn)矩總體上先增大后減小;

2)由于實(shí)際參與切樁刀具數(shù)量的動(dòng)態(tài)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(zhuǎn)矩波動(dòng)性顯著;

3)在同時(shí)切削多個(gè)樁基或者大直徑樁基時(shí),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(zhuǎn)矩值明顯大于切削初期。

在實(shí)際切樁工程中,常常會(huì)根據(jù)盾構(gòu)類型、切樁數(shù)量、穿越土層情況、上覆結(jié)構(gòu)安全性等因素對主動(dòng)掘削參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,如表3所示。從表3可以看出目前盾構(gòu)磨樁多采用土壓平衡盾構(gòu),而在實(shí)際工程中,對于一些高水壓、高滲透系數(shù)地層,泥水盾構(gòu)更具有優(yōu)勢[66],但是關(guān)于泥水盾構(gòu)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(qū)間施工,總結(jié)對比已有土壓平盾構(gòu)研究情況,在原刀盤上配置6把撕裂刀,通過分析盾構(gòu)切樁過程中泥水壓力、推速、轉(zhuǎn)速、推力、轉(zhuǎn)矩等參數(shù),提出了一套泥水盾構(gòu)切樁時(shí)參數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)整的措施及施工方法。

5 盾構(gòu)切樁引起的地層響應(yīng)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(qū)間盾構(gòu)穿越建筑切樁施工,使用TS30測量機(jī)器人對盾構(gòu)切樁穿越的建筑樓群進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)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(rèn)為傳統(tǒng)按2倍隧道直徑設(shè)計(jì)監(jiān)測范圍已經(jīng)不再適用,提出距隧道中線水平距離大于30 m時(shí)的地表沉降量很小(小于3 mm),無需再布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)。基于此,王禹椋等[68]以深圳地鐵9號線盾構(gòu)長距離連續(xù)切削群樁工程為背景,利用ABAQUS進(jìn)行數(shù)值模擬,研究盾構(gòu)切削不同位置、直徑、數(shù)量的樁基對地層沉降的影響,結(jié)果表明,地表沉降槽的深度隨著樁基直徑的增大呈現(xiàn)非線性增長,樁基數(shù)量越多,沉降槽越深,沉降速率越大。盾構(gòu)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(yàn)結(jié)果較接近。昝子卉[34]采用Ansys軟件進(jìn)行三維數(shù)值模擬,結(jié)果表明隧道側(cè)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(gòu)隧道穿越鳳棲大橋工程,研究了基礎(chǔ)擴(kuò)建和加固以及復(fù)合地基改良對橋梁沉降的影響,結(jié)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(dú)立于橋梁的結(jié)構(gòu))在豎直方向會(huì)出現(xiàn)較大位移,建議在切樁前加固橋梁的獨(dú)立基礎(chǔ)。張建華等[46]針對杭州地鐵4號線盾構(gòu)下穿電力隧道切樁工程,采用有限元分析軟件Midas/GTS對盾構(gòu)切樁后的沉降進(jìn)行數(shù)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(fā)現(xiàn)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(gòu)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(gòu)擾動(dòng)、樁長變短等因素影響,樁側(cè)摩阻力下降,甚至產(chǎn)生負(fù)側(cè)摩阻力。切樁后樁端落在盾構(gòu)尚未硬化的注漿層,樁端承載力完全喪失,樁基應(yīng)按純摩擦樁計(jì)算承載力。

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

3)刀盤旋轉(zhuǎn)影響范圍內(nèi),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(dǎo)致樁土分離側(cè)的側(cè)摩阻力減小甚至消失,樁土擠壓側(cè)的摩阻力增加,因此,計(jì)算時(shí)要確定盾構(gòu)旋轉(zhuǎn)和頂推影響范圍[70]。

孫波等[33]基于深圳地鐵9號線盾構(gòu)大范圍穿越樁基建筑群工程,對盾構(gòu)施工前不同加固方式下單樁承載力進(jìn)行驗(yàn)算,并根據(jù)驗(yàn)算結(jié)果在切樁前采取了有效加固措施。說明在盾構(gòu)下穿前進(jìn)行樁基承載力的驗(yàn)算是十分必要的,然而該計(jì)算方法只是將剩余樁簡化成純摩擦樁計(jì)算,并沒有考慮樁身負(fù)摩阻力的影響。唐仁等[20]采用有限元分析軟件Midas/GTS對盾構(gòu)切樁進(jìn)行了三維動(dòng)態(tài)施工模擬,并用工程監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行模型驗(yàn)證,認(rèn)為盾構(gòu)切樁后樁端以上約2 m(這個(gè)范圍與隧道圍巖及樁頂荷載有關(guān))范圍內(nèi)樁身的沉降小于其周圍土體的塌落,土體對樁基產(chǎn)生一個(gè)向下的負(fù)摩阻力;計(jì)算剩余樁體的承載力時(shí),應(yīng)按負(fù)摩阻力來計(jì)算。由于切樁時(shí)直接作用在樁身上的推力、轉(zhuǎn)矩以及盾構(gòu)樁身都會(huì)對樁側(cè)阻力產(chǎn)生影響,白東鋒等[70]以南京地鐵7號線盾構(gòu)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(dòng)及橋樁豎向剛度變化的殘樁承載力計(jì)算方法,殘樁的承載力為非擾動(dòng)范圍內(nèi)樁側(cè)摩阻力、盾構(gòu)旋轉(zhuǎn)頂推擾動(dòng)范圍內(nèi)的樁側(cè)摩阻力與樁端承載力之和,其中在擾動(dòng)范圍內(nèi)樁土分離側(cè)的側(cè)摩阻力計(jì)為零,樁土擠壓側(cè)的摩阻力按照原狀土計(jì)算,擾動(dòng)范圍按照盾構(gòu)施工擾動(dòng)范圍工程經(jīng)驗(yàn)確定。

圖25 刀盤旋轉(zhuǎn)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(gòu)直接切除建(構(gòu))筑物樁基后,一方面需要保證上部結(jié)構(gòu)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(gòu)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(gòu)切樁擾動(dòng)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(chǎn)生集中力。

2)樁端不會(huì)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(huì)在隧道頂部產(chǎn)生附加應(yīng)力。目前針對切樁后殘樁對管片作用力的計(jì)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(qū)間切削建筑物群樁工程,對切樁后樁基對管片的作用力進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果表明,在不考慮地層加固的情況下,傳統(tǒng)管片并不能滿足受力要求,因此用帶肋版的厚鋼管片進(jìn)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(jìn)一步研究施工擾動(dòng)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(jù)殘樁承擔(dān)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(jì)算得到進(jìn)一步細(xì)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(zhuǎn)矩的變化幅度來減少施工對周圍土體的擾動(dòng),通過現(xiàn)場注漿試驗(yàn)確定合理的注漿參數(shù)、加強(qiáng)同步注漿和二次注漿來提高樁側(cè)摩阻力和樁端承載力容許值,通過加強(qiáng)管片配筋和提高螺栓強(qiáng)度等級來提高管片自身強(qiáng)度,進(jìn)而減少切樁后殘樁對管片的影響。王曉慶[71]針對軟土地區(qū)盾構(gòu)穿越既有橋梁樁基工程,為防止切樁后殘樁沉降對管片產(chǎn)生集中荷載,提出可以選擇凝固時(shí)間長、強(qiáng)度低的漿液,同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)盾構(gòu)姿態(tài)的控制。

6 結(jié)論與討論

本文較為全面地總結(jié)了國內(nèi)外盾構(gòu)切樁研究的一系列研究成果,重點(diǎn)圍繞刀盤刀具設(shè)計(jì)與改造、螺旋輸送機(jī)改造、推力/轉(zhuǎn)矩計(jì)算模型、樁基承載力計(jì)算以及沉降方面的研究進(jìn)行了梳理和總結(jié),有如下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)。

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

2)在貝殼刀刀間距設(shè)計(jì)方面,由于混凝土脊破裂面產(chǎn)生的機(jī)制尚不明確,且已有的計(jì)算方法未考慮混凝土強(qiáng)度的影響,刀間距取值時(shí)多依賴已有的工程經(jīng)驗(yàn),有待通過室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬對刀具破巖機(jī)制進(jìn)行深入探討。

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

4)針對盾構(gòu)切樁的推力和轉(zhuǎn)矩計(jì)算模型,學(xué)者們考慮的側(cè)重點(diǎn)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(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)在隧道工程中的應(yīng)用,給數(shù)據(jù)獲取帶來極大便利,因此,基于大數(shù)據(jù)分析,綜合大量工程案例,考慮多種復(fù)雜因素影響的盾構(gòu)切樁推力、轉(zhuǎn)矩預(yù)測研究將是今后重要的研究方向。

5)盾構(gòu)切樁對沉降的影響較為復(fù)雜,涉及切樁的規(guī)模、上部構(gòu)筑物、地層性質(zhì)、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(jī)制方面的研究較少;此外,應(yīng)注重加強(qiáng)切樁過程及切樁后的現(xiàn)場監(jiān)測,為相關(guān)研究提供更多的現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)。