贾 蓬, 孙占阳, 赵 文, 宋立民

(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)

0 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10 291.95 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VOSviewer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,CNKI: 99篇)进行后续分析。

1.2 文献计量分析

筛选出在2009—2022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2009—2022年相关论文发文数量随时间变化统计图(见图2)。

图1 文献关键词的共现关系图

图2 盾构切桩相关论文发表数量柱状图

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。

2 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2008—2022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]。

表1(续)

2009—2010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2008—2022年多个案例施工方法,盾构切桩施工工艺流程如图3所示。

图3 盾构切桩施工工艺流程图

3 盾构改造

3.1 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。

1)在以贝壳刀作为先行刀布置方面。滕丽[51]采用φ400 mm盾构模拟试验平台,研究认为盾构碰到障碍物时,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[12]

2)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φ1 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),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[15]

3.2 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

(a) 圆弧形 (b) 直线形 (c) 折线形

3.2.2 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(≤φ800)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-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φ800 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)。

3.2.4 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θ(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=2h·tanθ。为避免产生混凝土脊,实现全断面切桩,则S=2h·tanθ,式中反映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。

图10 王哲等提出的相邻贝壳刀切削混凝土的分析模型[6]

3.3 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所示),最终成功切削北京西坝河桥16根φ800 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 mm×25 mm的格栅,同时在格栅外表面堆焊高度为3～5 mm的耐磨网格(如图12所示)。

图11 刀盘耐磨优化图[9]

图12 刀盘格栅布置图[14]

3.4 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 cm×50 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住可及时进行清理。傅德明[13]利用小直径(φ400 mm)盾构切削钢筋混凝土模拟试验,提出在盾构切桩过程中,可通过向土舱内添加润滑减摩材料来防止混凝土碎块堵塞螺旋输送机。但上述措施并不能有效解决卡筋问题,遇到卡筋时需要通过正反转系统进行去除,降低了磨桩效率。已有案例多采用有轴式螺旋输送机,螺杆轴和螺叶片结构的存在使得其排出长钢筋和碎桩块的能力差,王占生等[59]结合盾构切桩试验,提出可以采用内部空间较开阔的无轴式螺旋输送机(带式螺旋输送机)。带式螺旋输送机输送石块粒径大、抗缠绕能力强、输送能力高(如图13所示),因此能够很好地降低螺旋输送机卡死的风险[60]。但对于富水软弱地层,带式螺旋输送机中空间较大,很难有效地形成土塞效应,极易引起渣土喷涌,此时有轴式输送机具有更好的适用性[61]。王哲等[6]针对盾构切桩长钢筋卡机问题,提出通过增加有轴式螺旋机叶片以及在螺旋机叶片、螺机套筒内壁堆焊耐磨层,使得两者之间的间隙减小至5 mm(如图14所示),从而降低钢筋卡在两者之间的风险。为防止螺旋输送机出现涌砂涌水等现象,薄春莲[31]在螺旋输送机出土口部位装设球阀闸门。综上可见,螺旋输送机的设计对于磨桩施工的作用较大,因此应针对地层情况、桩基情况等对输送机进行合理选型并做出适应性改造。

(a)有轴式螺旋输送机

(b)无轴式螺旋输送机

(a) 螺旋输送机叶片改造

(b) 螺旋输送机套筒改造

4 掘进参数

盾构掘进参数(推进参数)可分为2类: 可人为主动设置和调整的称为主动推进参数,包括推进速度、刀盘转速等;推力和转矩为被动推进参数,对刀具磨损、刀盘受力和桩基变形有直接影响,盾构在切桩过程中实际推力和转矩值应较小为好。薄春莲[31]针对上海轨交7号线盾构穿越建筑物桩群切削桩基工程,提出在盾构切削桩基过程中,必须严格执行预设的各项参数,根据现场各项监测结果应及时调整施工参数,最大限度地减少推进过程中桩基自身整体位移等情况发生。

4.1 推进速度与转速模拟试验研究

与常规盾构掘进不同的是,盾构磨桩要切削高强度的钢筋和混凝土,推速和转速波动幅度大,高推速和转速会造成刀具合金崩落、切深变大,从而导致推力、转矩较大,甚至还会对既有桩基或托换桩的承载力造成影响。因此,选择合理的推速和转速显得尤为重要。笔者将搜集到的文献中关于盾构切桩模拟试验的数据统计于表2。文献[7,28]开展了不同工况下盾构直接切削大直径桩基现场试验(如图15所示),在盾构始发洞门布置2根交错的试验桩,从保护刀具合金和减小刀具磨损的角度提出刀盘转速不宜过大,推进速度不超过2 mm/min,并在工程中得到应用。2014年,傅德明[13]依托φ400 mm盾构模拟试验平台,开展了盾构切削钢筋混凝土室内试验(如图16所示),验证盾构改造及掘削参数设置的合理性; 但是,由于该试验模拟盾构直径、刀具布置数量与实际切桩相差较大,可借鉴性不多。李宏波[29]利用TBM模态掘进试验平台开展全断面滚刀和全断面撕裂刀切削桩基试验(如图17所示),从切桩平稳特性、刀盘振动特性、刀具损伤及刀盘卡死情况分析,建议全盘撕裂刀切削桩基推进速度不超过3 mm/min,全盘滚刀切削桩基推进速度不超过5 mm/min。杜闯东等[14]、吴志峰等[16]研究了混凝土强度等级对全断面滚刀和全断面撕裂刀掘削参数的影响(如图18所示),给出了不同混凝土强度等级适宜的推进速度和刀盘转速,并提出应根据钢筋数量、混凝土强度等级等确定刀盘最佳推进速度和转速。Wang等[62]开展了14把全断面滚刀切桩试验,研究发现,在低推进速度和低转速条件下,刀盘振动较小,且中心刀盘径向振动较明显。

(a) 盾构切桩现场

(b) 桩基布置形式

(a) φ400 mm盾构模拟试验平台

(b) 切削断面和切削轮廓图

图17 TBM模态掘进试验台[29]

图18 方桩和圆桩在岩盘中的布置图[14]

上述研究共进行了7个试验,其中5个采用TBM掘进模态综合试验台,1个采用小型模拟试验平台,1个为现场试验。试验桩主要为圆形和方形,这2种桩基在工程中较为常用。试验桩桩基截面以圆桩φ1 200 mm、方桩450 mm×400 mm最多,混凝土等级以C35、C50为主。各试验的相关参数总结见表2。

表2 盾构切桩模拟试验统计表

表2(续)

4.2 推力和转矩计算模型

传统的推力和转矩理论模型未考虑盾构切割桥桩的影响。刀盘磨削混凝土桩基的过程主要分为2个阶段: 逐入切削阶段和稳态切削阶段。刀盘切削荷载先增大后减小,当刀盘磨削至桩基截面最大处荷载最大[9, 19]。刀盘切削荷载主要受切削材料、作用在材料上的刀具数目影响。由于切削土时所受荷载远小于切削混凝土荷载,因此刀盘荷载计算模型中一般只计算切削混凝土荷载;另外,由于桩基面积小于刀盘面积,所以任意时刻切削荷载变化的主要因素是作用在桩基上的刀具数目。因此,刀盘荷载计算模型总体上主要分为2大部分: 作用在桩基上的刀具数量计算和单刀荷载的确定。

陈海丰等[8]通过在刀盘平面建立二维坐标系(如图19所示),确定刀盘在1个旋转周期内各个时刻的切桩刀具数目,再假定刀具切削混凝土的贯入力和切向力与切深成正比关系,通过MATLAB编程计算在1个旋转周期内刀盘切削混凝土的荷载。杜欣等[9]通过桩体切削面积与刀盘面积的比值估算刀盘旋转1周的切桩数目(如图20所示),基于切刀动态切削混凝土三维模拟,将得到的单刀切削荷载进行叠加,最终得到掘进面刀盘切桩荷载,其结果与陈海丰等[8]的计算模型进行对比发现具有很好的一致性,推力平均误差约为10%,转矩平均误差小于3.3%。此模型应用在北京地铁切削西坝河桥桥桩工程中,为刀盘切桩掘进荷载分析和刀盘设计提供了参考,但上述模型在计算单刀切削荷载时并没有考虑刀具配置参数的影响。

图19 陈海丰等刀盘切桩数学模型[8]

图20 杜欣等刀盘切桩数学模型[9]

Liu等[63]建立了单刀切削混凝土的分析模型(如图21所示),并获得了单刀贯入力,通过式(1)确定,可用于预测盾构切割桩时的推力。

d为刀盘每次旋转的切削深度;a为切割器和混凝土之间的接触半径;Li、lb、lc、ρ为刀具配置参数;引入2个无量纲参数α=lb/a,β=(lc+lb)/a。

图21 Liu等单刀切削分析模型[63]

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

(1)

式中:fpi为单刀贯入力;E*=E/(1-ν2),E*为桩的弹性模量,ν为泊松比;εu为贯入深度超过混凝土弹性极限后的极限压缩应变。

Liu等[10]将传统的推力和转矩理论模型与盾构全断面切桩数值模拟结果进行对比(见图22),发现由于传统模型未考虑盾构切割桩基,二者结果存在较大差异;提出了一种类似于陈海丰等[8]模型的刀具数量计算方法,在刀盘平面建立极坐标系,利用几何关系确定任意时刻作用在桩基的刀具数目,利用上述单刀切削混凝土分析模型计算得到作用在桩基上的推力。

Peng等[11]从工程角度出发,以土压理论和摩擦定律为基础[64],对盾构切桩过程中的刀盘荷载进行综合分析(如图23所示),将桩土复合地基等效简化为复合土体,见式(2)。

图22 Liu等刀盘切桩数学模型[10]

图23 Peng等刀盘切桩数学模型[11]

(2)

式中:γ′为复合土的重度;γp为桩材料的重度;γs为天然地基土的重度;m为复合地基土的换算系数,m=πd2/4l2(其中d为桩的直径;l为每米的桩间距)。

运用数学方法和力学平衡方法,可得到如式(3)所示的计算模型,结合地层特性和盾构参数可求出各个参数的值,并计算盾构在磨削桩基情况下各分项在刀盘荷载的占比(如图24所示)。

(3)

(a) 力分项占比

(b) 力矩分项占比

式中:F1为盾构外壳与周围土体的摩擦阻力;F2为开挖面的正面阻力;F3为盾构切口环的切入阻力;T1为刀盘正面与复合土壤产生的摩阻力矩;T2为刀盘侧面和复合土壤所产生的摩擦力矩;T3为土舱内搅拌臂搅拌土体受到的搅拌力矩[65]。

基于该模型,对郑州地铁5号线盾构切削桩群的总荷载与实测值进行比较,结果表明,该方法可以有效地预测盾构开挖过程中的总推力和转矩。该模型与前述模型相比,在桩土等效的基础上考虑了盾构与土层间的摩擦以及土舱压力的影响,但并没有考虑桩基荷载传递效应。

4.3 推力和转矩实测研究

盾构在切削桩基时,刀盘推力和转矩具有一定的波动性,主要有以下几个特征:

1)在整个切桩过程中,推力、转矩总体上先增大后减小;

2)由于实际参与切桩刀具数量的动态变化、刀盘周边混凝土块大小不均匀以及未完全切断的长钢筋可能缠绕刀盘等因素,推力和转矩波动性显著;

3)在同时切削多个桩基或者大直径桩基时,受到刀头磨损或者刀刃合金掉落的影响,切桩末期的推力、转矩值明显大于切削初期。

在实际切桩工程中,常常会根据盾构类型、切桩数量、穿越土层情况、上覆结构安全性等因素对主动掘削参数进行调整,如表3所示。从表3可以看出目前盾构磨桩多采用土压平衡盾构,而在实际工程中,对于一些高水压、高渗透系数地层,泥水盾构更具有优势[66],但是关于泥水盾构磨桩施工的研究少之又少。基于此,牛瑞等[42]依托南昌地铁2号线某区间施工,总结对比已有土压平盾构研究情况,在原刀盘上配置6把撕裂刀,通过分析盾构切桩过程中泥水压力、推速、转速、推力、转矩等参数,提出了一套泥水盾构切桩时参数动态调整的措施及施工方法。

5 盾构切桩引起的地层响应和桩基承载力研究

5.1 建筑沉降

张立亚等[67]针对深圳地铁9号线某区间盾构穿越建筑切桩施工,使用TS30测量机器人对盾构切桩穿越的建筑楼群进行实时监测,发现切桩累积下沉占总沉降量的60%以上,距离隧道中线越近,地表沉降变化越大;认为传统按2倍隧道直径设计监测范围已经不再适用,提出距隧道中线水平距离大于30 m时的地表沉降量很小(小于3 mm),无需再布设监测点。基于此,王禹椋等[68]以深圳地铁9号线盾构长距离连续切削群桩工程为背景,利用ABAQUS进行数值模拟,研究盾构切削不同位置、直径、数量的桩基对地层沉降的影响,结果表明,地表沉降槽的深度随着桩基直径的增大呈现非线性增长,桩基数量越多,沉降槽越深,沉降速率越大。盾构切削桩基这一阶段的沉降量约占最终沉降的70%,这与张立亚等[67]得到的试验结果较接近。昝子卉[34]采用Ansys软件进行三维数值模拟,结果表明隧道侧穿(从建筑物角部下穿)建筑物桩基的沉降值比正穿(从建筑物中部)多70%。

Wang等[69]基于杭州地铁2号线盾构隧道穿越凤栖大桥工程,研究了基础扩建和加固以及复合地基改良对桥梁沉降的影响,结果表明,这些措施可以显著减小切桩对桥梁的沉降,对于未加固的通信和输水管道(独立于桥梁的结构)在竖直方向会出现较大位移,建议在切桩前加固桥梁的独立基础。张建华等[46]针对杭州地铁4号线盾构下穿电力隧道切桩工程,采用有限元分析软件Midas/GTS对盾构切桩后的沉降进行数值模拟,分析掌子面推力和同步注浆压力对切桩后地表沉降的影响,发现在距桩基大于6 m处增加掌子面推力至1.15倍土压力可以显著降低切桩后的最终沉降,而注浆压力对最终沉降的影响并不明显。

5.2 切桩后桩基承载力研究

盾构切桩对桩基的承载力影响主要有以下3方面。

1)切桩后由于受到盾构扰动、桩长变短等因素影响,桩侧摩阻力下降,甚至产生负侧摩阻力。切桩后桩端落在盾构尚未硬化的注浆层,桩端承载力完全丧失,桩基应按纯摩擦桩计算承载力。

2)盾构切桩通过时,隧道拱顶发生沉降,该部分土体沉降量大于桩基沉降,对桩基造成负摩阻力,因此要计算切桩后桩基承载力的关键是确定桩基负摩阻力范围。

3)刀盘旋转影响范围内,桩基以S形曲线变形(如图25所示),刀盘顶推使得桥桩向前方偏移(如图26所示),导致桩土分离侧的侧摩阻力减小甚至消失,桩土挤压侧的摩阻力增加,因此,计算时要确定盾构旋转和顶推影响范围[70]。

孙波等[33]基于深圳地铁9号线盾构大范围穿越桩基建筑群工程,对盾构施工前不同加固方式下单桩承载力进行验算,并根据验算结果在切桩前采取了有效加固措施。说明在盾构下穿前进行桩基承载力的验算是十分必要的,然而该计算方法只是将剩余桩简化成纯摩擦桩计算,并没有考虑桩身负摩阻力的影响。唐仁等[20]采用有限元分析软件Midas/GTS对盾构切桩进行了三维动态施工模拟,并用工程监测数据进行模型验证,认为盾构切桩后桩端以上约2 m(这个范围与隧道围岩及桩顶荷载有关)范围内桩身的沉降小于其周围土体的塌落,土体对桩基产生一个向下的负摩阻力;计算剩余桩体的承载力时,应按负摩阻力来计算。由于切桩时直接作用在桩身上的推力、转矩以及盾构桩身都会对桩侧阻力产生影响,白东锋等[70]以南京地铁7号线盾构下穿简支板桥工程为研究对象,提出考虑桩长减短、施工扰动及桥桩竖向刚度变化的残桩承载力计算方法,残桩的承载力为非扰动范围内桩侧摩阻力、盾构旋转顶推扰动范围内的桩侧摩阻力与桩端承载力之和,其中在扰动范围内桩土分离侧的侧摩阻力计为零,桩土挤压侧的摩阻力按照原状土计算,扰动范围按照盾构施工扰动范围工程经验确定。

图25 刀盘旋转对桩体影响示意图[70]

图26 刀盘顶推对桩体影响示意图[70]

5.3 桩基对管片作用力

盾构直接切除建(构)筑物桩基后,一方面需要保证上部结构的安全,另一方面还需要保证在桩基传递的荷载作用下管片及隧道的安全。盾构切桩后,管片的受力形式主要有以下2种[32]。

1)由于受到盾构切桩扰动和桩基长度变短等因素影响,切削后的桩端沉降直接触及管片,对管片产生集中力。

2)桩端不会接触管片,而是由管片本身、周围土体和壁后注聚体共同形成了新的桩端持力层,因而只会在隧道顶部产生附加应力。目前针对切桩后残桩对管片作用力的计算多考虑为桩基直接对管片集中力的情况。昝子卉[34]基于深圳轨道交通9号线大鹿区间切削建筑物群桩工程,对切桩后桩基对管片的作用力进行计算,结果表明,在不考虑地层加固的情况下,传统管片并不能满足受力要求,因此用带肋版的厚钢管片进行了替换。白东锋等[70]以南京地铁7号线下穿简支板桥工程为研究对象,进一步研究施工扰动范围、桩体竖向刚度等因素影响下残桩对管片的作用力,残桩对管片的作用力可根据残桩承担的竖向荷载减去残桩的承载力来确定,使得切桩后剩余桩基对管片作用力的计算得到进一步细化,从其影响因素方面提出可以通过渣土改良和减少推力和转矩的变化幅度来减少施工对周围土体的扰动,通过现场注浆试验确定合理的注浆参数、加强同步注浆和二次注浆来提高桩侧摩阻力和桩端承载力容许值,通过加强管片配筋和提高螺栓强度等级来提高管片自身强度,进而减少切桩后残桩对管片的影响。王晓庆[71]针对软土地区盾构穿越既有桥梁桩基工程,为防止切桩后残桩沉降对管片产生集中荷载,提出可以选择凝固时间长、强度低的浆液,同时应加强盾构姿态的控制。

6 结论与讨论

本文较为全面地总结了国内外盾构切桩研究的一系列研究成果,重点围绕刀盘刀具设计与改造、螺旋输送机改造、推力/转矩计算模型、桩基承载力计算以及沉降方面的研究进行了梳理和总结,有如下几点认识。

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。尽管盾构直接切削桩体已在一些实际工程中得到应用,但切削钢筋混凝土桩的刀具参数及布置方式尚没有明确的确定方法,刀具切削参数的变化特征尚处于研究阶段,在复杂地质、极端恶劣地质条件下,仍存在刀具磨损和钢筋缠绕刀盘的现象,缺乏对刀具磨损的定量分析。

2)在贝壳刀刀间距设计方面,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,刀间距取值时多依赖已有的工程经验,有待通过室内试验和数值模拟对刀具破岩机制进行深入探讨。

3)盾构切桩掘削参数的选取多是基于数值模拟和室内试验,但由于室内试验选取的试验参数较为单一,无法考虑诸如刀具布置、刀具类型、桩基结构和钢筋布置等多方面的因素,而数值模拟方法需对实际工况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。因此十分有必要开展现场磨桩原位试验研究,在工程条件允许的情况下可综合考虑土体特性进行现场切桩。

4)针对盾构切桩的推力和转矩计算模型,学者们考虑的侧重点各不相同,公式简化条件也不尽相同,公式的推广性和适用性有待提高。随着大数据、人工智能等技术在隧道工程中的应用,给数据获取带来极大便利,因此,基于大数据分析,综合大量工程案例,考虑多种复杂因素影响的盾构切桩推力、转矩预测研究将是今后重要的研究方向。

5)盾构切桩对沉降的影响较为复杂,涉及切桩的规模、上部构筑物、地层性质、施工工艺、地下水、沉降控制措施等多重因素,目前对切桩引起的地表沉降以及控制措施研究较多,而影响机制方面的研究较少;此外,应注重加强切桩过程及切桩后的现场监测,为相关研究提供更多的现场实测数据。