杜闖東， 張 杰， 唐縱雄

(中鐵隧道局集團(tuán)有限公司， 廣東 廣州 511458)

0 引言

近年來(lái)隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市軌道交通建設(shè)已經(jīng)成為現(xiàn)代化大都市的象征，以地鐵為代表的城市軌道交通更是一個(gè)現(xiàn)代化大都市中必不可少的現(xiàn)代化交通工具。然而地鐵隧道施工中地質(zhì)情況的不確定性和地下環(huán)境的復(fù)雜性，使得地鐵隧道的施工難度越來(lái)越大，尤其是地鐵隧道施工中經(jīng)常遇到近距離、層疊交叉穿越樁基，穿越既有高架橋樁，穿越既有車站、既有隧道等建(構(gòu))筑物的情況屢見(jiàn)不鮮。地鐵隧道施工過(guò)程中復(fù)雜的地下環(huán)境和不確定的地質(zhì)條件，使得工程的建設(shè)周期、建設(shè)成本以及施工風(fēng)險(xiǎn)變大。近年來(lái)，相關(guān)學(xué)者相繼采用有限元分析法、簡(jiǎn)化理論方法等對(duì)地鐵近距離、層疊交叉穿越樁基、切削樁基等施工進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[1]借助有限元數(shù)值分析，對(duì)鄰近樁基的變形特征進(jìn)行研究；文獻(xiàn)[2]模擬隧道近距離穿越高架樁基的施工過(guò)程；文獻(xiàn)[3]通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)盾構(gòu)直接切削樁基(玻璃纖維筋)施工技術(shù)的可行性進(jìn)行研究；文獻(xiàn)[4]利用MADIS 模擬盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程，分析盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中土層的應(yīng)力和位移變化對(duì)車站站房樁基礎(chǔ)及盾構(gòu)管片的應(yīng)力變化的影響；文獻(xiàn)[5]采用簡(jiǎn)化理論方法、三維有限元數(shù)值模擬方法以及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方法，揭示軟土地層土壓平衡盾構(gòu)上下交疊穿越地鐵隧道的變形規(guī)律。目前國(guó)內(nèi)研究完成了高架樁基準(zhǔn)確穿越[6]、房屋建筑群[7]、侵限樁基[8]的施工工藝和施工參數(shù)，且通過(guò)研究鋼筋斷裂形式[9]、刀具配置和改進(jìn)[10]、建筑物保護(hù)加固[11]、施工監(jiān)測(cè)反饋[12]、推力和轉(zhuǎn)矩選擇[13]、群樁效應(yīng)模擬[14]、樁基托換[15]等方式拓展盾構(gòu)掘進(jìn)切削樁基的方法。但針對(duì)不同地質(zhì)條件下，大直徑土壓盾構(gòu)直接切削鋼筋混凝土樁基的實(shí)例分析研究仍很有必要，特別是當(dāng)?shù)侗P(pán)受到振動(dòng)停止運(yùn)轉(zhuǎn)等情況仍是亟待解決的問(wèn)題。

本文以以色列特拉維夫輕軌紅線工程為依托，重點(diǎn)結(jié)合盾構(gòu)直接切削樁基模擬實(shí)驗(yàn)及工程實(shí)例，展開(kāi)研究和分析。該工程為首次在國(guó)外施工的大直徑土壓盾構(gòu)隧道，由于城市建筑物密集，地下樁基深度較大，且考慮海外施工環(huán)境的復(fù)雜性，使得該項(xiàng)目存在較多的施工安全風(fēng)險(xiǎn)。本文通過(guò)建立盾構(gòu)掘進(jìn)模態(tài)綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)開(kāi)展盾構(gòu)刀具直接切削樁基室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)盾構(gòu)刀盤(pán)進(jìn)行適用性改進(jìn)并調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)，結(jié)合盾構(gòu)下穿施工案例，對(duì)河道及鐵路采取旋噴注漿加固，形成一套盾構(gòu)直接掘進(jìn)切削不同類型鋼筋混凝土樁基的施工方法。

1 工程簡(jiǎn)介

以色列特拉維夫輕軌紅線項(xiàng)目TBM段(西標(biāo)段)工程位于以色列特拉維夫市中心，本標(biāo)段盾構(gòu)隧道線路全長(zhǎng)11.79 km(先隧后站單線延米)，呈南北走向，線路起于Herzl始發(fā)井,終于Ben Gurion車站。線路主要沿城市道路敷設(shè),沿線主要穿越既有高速公路、既有鐵路、Ayalon河及Shefaa Tal橋等重要建筑物。線路隧道最大縱坡為27‰，最小縱坡為5‰，隧道埋深為5.9～30.6 m，線路最小曲線半徑為220 m，線間距為0.8～5 m(均不足1倍洞徑)，為小間距淺埋隧道。盾構(gòu)隧道主要穿越Kurkar(凝砂塊)結(jié)構(gòu)的K1、K2、K3地層。

本工程盾構(gòu)隧道采用單層鋼筋混凝土(B60)襯砌管片結(jié)構(gòu)，襯砌管片外徑為7 200 mm，內(nèi)徑為6 500 mm，厚度為350 mm。為滿足220 m小曲線轉(zhuǎn)彎需求，管片環(huán)寬設(shè)計(jì)為1 500 mm和1 200 mm 2種。采用6臺(tái)開(kāi)挖直徑為7.54 m土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)施工，刀盤(pán)采用標(biāo)準(zhǔn)面板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要由4個(gè)主刀梁和8個(gè)副刀梁及外圈梁組成，開(kāi)口率為35.5%，額定轉(zhuǎn)速為1.27 r/min，最高轉(zhuǎn)速為3.8 r/min。主驅(qū)動(dòng)額定轉(zhuǎn)矩為12 000 kN·m，脫困轉(zhuǎn)矩為14 000 kN·m，最大推力為55 750 kN。螺旋輸送機(jī)采用950 mm內(nèi)徑軸式螺旋輸送機(jī)，最大轉(zhuǎn)矩為210 kN·m，最高轉(zhuǎn)速為25 r/min，最大通過(guò)粒徑為φ355 mm×550 mm。

工程施工范圍主要為“6站3區(qū)間”土建工程，即Allenby、Yehudit、Shaul Hamelech、Arlosoroff、Abba Hillel、Bialik 6座車站和Herzl—Carlebach區(qū)間、Galei Gil—Ben Gurion區(qū)間、Galei Gil—Carlebach區(qū)間。其中Carlebach—Ben Gurion區(qū)間在中間設(shè)立盾構(gòu)始發(fā)井(Galei Gil)，4臺(tái)盾構(gòu)在此下井，分別向Carlebach站和Ben Gurion站掘進(jìn)施工，2臺(tái)盾構(gòu)由Herzl井始發(fā)至Carlebach站掘進(jìn)施工。其中Galei Gil—Arlosoroff區(qū)間盾構(gòu)從Galei Gil始發(fā)后，需連續(xù)下穿高速公路、河道、鐵路并再次下穿高速后進(jìn)入Arlosoroff站，如圖1所示。

圖1 Galei Gil—Arlosoroff區(qū)間位置平面圖

根據(jù)地勘資料，該區(qū)間所處地層以黏土、砂土、粉質(zhì)砂土、凝砂塊為主，其中隧道范圍內(nèi)主要以粉質(zhì)砂土、砂土地層為主，隧底為砂土、含砂土的板巖地層，凝砂塊在整個(gè)地層中的含量不超過(guò)20%，標(biāo)貫值最高可超過(guò)50擊，但達(dá)不到MPa級(jí)別。地下水位相對(duì)較高，在Galei Gil始發(fā)端頭，地下水位線位于隧道頂部4 m處，過(guò)河段與過(guò)鐵路段地下水位位于隧道頂部5.5 m處，Arlosoroff站地下水位位于隧道頂部5 m處。

該區(qū)間隧道下穿的建(構(gòu))筑物均為城市主要市政設(shè)施，其中Ayalon河道為特拉維夫城市主河道，河道兩側(cè)為阿亞隆高速公路，其中緊鄰河道西側(cè)還有在運(yùn)行的鐵路線，阿亞隆高速車流量平均120輛/min。隧道南側(cè)為以色列特拉維夫中央火車站，為城市的交通換乘站，列車運(yùn)行量大，平均每3 min就有1輛列車進(jìn)出該站，隧道北側(cè)為阿亞隆橋，橋上車流量更多為城市主干道。Galei Gil始發(fā)井兩端相距約200 m為2座輕軌紅線地下車站，車站位置及標(biāo)高不能改變。輕軌隧道必須從此處下穿河道樁基群，河道樁基沿河道擋墻布置，該區(qū)間盾構(gòu)掘進(jìn)范圍內(nèi)共有11根樁基侵入2條隧道范圍內(nèi)。侵入隧道內(nèi)的樁基與隧道平面位置圖如圖2所示。侵入隧道樁基統(tǒng)計(jì)表如表1所示。區(qū)間樁基位置關(guān)系圖如圖3所示。

(a) 平面位置航拍圖

(b) 平面位置關(guān)系圖

隧道樁徑/m樁長(zhǎng)/m樁間距/m混凝土等級(jí)侵入隧道長(zhǎng)度/m侵入隧道根數(shù)Axis1L(TBM6)1 124.9B407.142Axis2R(TBM5)1.2122.8B407.8421124.7B407.141113.51.1B401.76

注： 以色列本地混凝土標(biāo)號(hào)以字母B表示，B40相當(dāng)于中國(guó)的C35混凝土等級(jí)。

(a) TBM6區(qū)間樁基位置關(guān)系圖

(b) TBM5區(qū)間樁基位置關(guān)系圖

2 盾構(gòu)直接切削樁基模擬實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)利用土壓盾構(gòu)掘進(jìn)模態(tài)綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)開(kāi)展盾構(gòu)刀具直接切削樁基室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)，本次實(shí)驗(yàn)需測(cè)取的參數(shù)主要包括不同刀具(滾刀、切刀)切削圓樁和方樁的切削效果、刀盤(pán)振動(dòng)特性、鋼筋破壞形式及受力情況、盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，評(píng)價(jià)滾刀和切刀切削圓樁和方樁的可行性。

1)重點(diǎn)觀察滾刀/切刀破樁過(guò)程、鋼筋形變過(guò)程、鋼筋與混凝土間的破壞過(guò)程，觀察鋼筋破壞斷面形態(tài)，分析鋼筋受力及斷裂方式。

2)提取刀盤(pán)的振動(dòng)數(shù)據(jù)，測(cè)取滾刀和切刀切樁過(guò)程中的振動(dòng)加速度變化情況。

3)記錄實(shí)驗(yàn)臺(tái)的推力、轉(zhuǎn)矩等掘進(jìn)參數(shù)，提取破樁實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的參數(shù)。

為對(duì)比滾刀和切刀直接切削樁基的效果，實(shí)驗(yàn)制定2組刀具配置方案： 第1組為刀盤(pán)配置純滾刀，第2組為刀盤(pán)配置純切刀。同時(shí)，針對(duì)每組刀具配置，按1∶1比例在巖盤(pán)內(nèi)同時(shí)澆筑圓樁和方樁。設(shè)計(jì)盾構(gòu)掘進(jìn)模態(tài)綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)巖盤(pán)直徑為2 500 mm，刀具切削直徑為2 280 mm，模擬巖層厚度為500 mm。按1∶1比例將方樁和圓樁平行布置于同一巖盤(pán)內(nèi)，一側(cè)圓樁直徑為1 200 mm，另一側(cè)方樁尺寸為450 mm×400 mm，巖盤(pán)內(nèi)對(duì)稱布設(shè)方樁和圓樁，間距為280 mm。圓樁和方樁內(nèi)主筋采用φ25 mm螺紋鋼，箍筋采用φ10 mm光圓鋼筋，第1種工況樁基采用C35等級(jí)混凝土，第2種工況樁基采用C50等級(jí)混凝土；方樁和圓樁之間填充M5等級(jí)水泥砂漿。方樁和圓樁橫向剖面布置圖如圖4所示。方樁和圓樁在巖盤(pán)中的布置圖如圖5所示。

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器

本次實(shí)驗(yàn)采用的TBM掘進(jìn)模態(tài)綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖6所示。TBM掘進(jìn)模態(tài)綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要有機(jī)械結(jié)構(gòu)、液壓泵站、掘進(jìn)裝置、旋轉(zhuǎn)裝置、螺旋輸送裝置及其控制系統(tǒng)等構(gòu)成，分別以垂直和水平狀態(tài)針對(duì)各樣巖樣以不同材質(zhì)的刀具、刀間距布置和不一樣的破巖切削速度、進(jìn)給量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)分析不同刀具參數(shù)導(dǎo)致的破巖效率和刀具壽命，為相應(yīng)的工程配置不同材質(zhì)的刀具及布置，以滿足實(shí)際施工的需要。

圖4 方樁和圓樁橫向剖面布置圖(單位： mm)

Fig. 4 Horizontal profile of square pile and circular pile (unit: mm)

圖5 方樁和圓樁在巖盤(pán)中的布置圖

(a) 實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)物照片

2.2.1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

1)壓頭靜力侵入巖石測(cè)試； 2)滾刀靜力侵入巖石測(cè)試； 3)轉(zhuǎn)速定值給定，推力侵深實(shí)驗(yàn)； 4)滾刀運(yùn)動(dòng)狀態(tài)滾壓破巖測(cè)試； 5)模擬撕裂刀、刮刀高差破巖測(cè)試； 6)不同材質(zhì)刀具各種狀態(tài)的磨蝕實(shí)驗(yàn)。

2.2.2 性能參數(shù)

TBM掘進(jìn)模態(tài)綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表2所示。

2.3 滾刀切樁實(shí)驗(yàn)效果

本組實(shí)驗(yàn)2種工況刀盤(pán)均全部配置43.18 cm(17英寸)常截面滾刀，共11把。其中1#—2#、3#—4#、5#—6#為雙刃滾刀(共3把)，7#—14#為單刃滾刀(共8把)。通過(guò)TBM掘進(jìn)模態(tài)綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)的空推和空轉(zhuǎn)，調(diào)試各項(xiàng)參數(shù)處于正常范圍內(nèi)，同時(shí)驗(yàn)證不同參數(shù)之間(推進(jìn)速度與總推力、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩)的相關(guān)性。

2.3.1 滾刀切削C30鋼筋混凝土層

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，刀盤(pán)在恒定的推進(jìn)速度和轉(zhuǎn)速下，總推力和刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩逐漸增大，且2個(gè)參數(shù)的相關(guān)性較強(qiáng)。如推進(jìn)速度和刀盤(pán)轉(zhuǎn)速不能滿足滾刀穩(wěn)定、高效破巖的要求，可提高推進(jìn)速度和刀盤(pán)轉(zhuǎn)速。

滾刀切削鋼筋混凝土層時(shí)，刀盤(pán)總推力和轉(zhuǎn)矩在前期掘進(jìn)速度條件下逐漸降低(見(jiàn)圖7)，后期掘進(jìn)速度條件下增大，最后刀盤(pán)因轉(zhuǎn)矩過(guò)大而出現(xiàn)卡機(jī)現(xiàn)象。由此可見(jiàn)，刀盤(pán)推進(jìn)速度13.30 mm/min、轉(zhuǎn)速0.57～0.51 r/min可認(rèn)為是滾刀掘進(jìn)效率最高的1組匹配參數(shù)。

圖7 刀盤(pán)總推力和轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間變化圖

Fig. 7 Time-varying relationship between total thrust and torque of cutterhead

從觀察實(shí)驗(yàn)過(guò)程(聲音、振動(dòng)等)及監(jiān)測(cè)參數(shù)，基于不出現(xiàn)卡機(jī)事故及高效掘進(jìn)的目的，可以分析得出： 1)滾刀切削C30混凝土層的最優(yōu)推進(jìn)速度≥9.47 mm/min，但不得超過(guò)17.25 mm/min，同時(shí)轉(zhuǎn)速不得≤0.61 r/min； 2)滾刀切削C30鋼筋混凝土層時(shí)，推進(jìn)速度宜取8.36 mm/min左右，但不得超過(guò)13.30 mm/min。提高轉(zhuǎn)速可以相對(duì)提高推進(jìn)速度，但對(duì)周圍影響增加，建議轉(zhuǎn)速不宜超過(guò)1.00 r/min。滾刀切削C30鋼筋混凝土層(第1種工況)掘進(jìn)參數(shù)概況如表3所示。

表3 滾刀切削C30鋼筋混凝土層(第1種工況)掘進(jìn)參數(shù)概況

2.3.2 滾刀切削C50鋼筋混凝土層

以相同的推進(jìn)速度繼續(xù)掘進(jìn)至鋼筋層，總推力和刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間變化如圖8所示。可以看出： 1)穩(wěn)定推進(jìn)總推力為2 203.2～3 267.0 kN，瞬時(shí)最大總推力達(dá)到3 556.3 kN； 2)刀盤(pán)穩(wěn)定推進(jìn)轉(zhuǎn)矩為88.9～235.7 kN·m，瞬時(shí)最大轉(zhuǎn)矩達(dá)到295.8 kN·m。

由圖7和圖8可知： 1)相比滾刀切削混凝土?xí)r所需總推力及轉(zhuǎn)矩，滾刀掘進(jìn)鋼筋混凝土層所需總推力稍大，瞬時(shí)總推力更大； 2)刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩稍大且振幅變大，瞬時(shí)總推力變得更大。

滾刀切削C50混凝土層所取掘進(jìn)速度和轉(zhuǎn)速能夠保持滾刀高效掘進(jìn)，同時(shí)考慮到實(shí)驗(yàn)掘進(jìn)混凝土面積較小，建議滾刀推進(jìn)速度宜取6.89 mm/min，轉(zhuǎn)速取0.59 r/min。如遇大面積混凝土層，可適當(dāng)減小推進(jìn)速度，或增大轉(zhuǎn)速；相同的推進(jìn)速度和轉(zhuǎn)速下，滾刀切削C50鋼筋混凝土層需要更大的推力和轉(zhuǎn)矩，但仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，最佳掘進(jìn)參數(shù)同樣可取推進(jìn)速度6.89 mm/min、轉(zhuǎn)速0.59 r/min。同時(shí)可以分析得到，混凝土強(qiáng)度越高對(duì)滾刀切削鋼筋越有利。 滾刀切削C50鋼筋混凝土層(第2種工況)掘進(jìn)參數(shù)概況如表4所示。

圖8 刀盤(pán)總推力和轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間變化圖

Fig. 8 Time-varying relationship between total thrust and torque of cutterhead

表4 滾刀切削C50鋼筋混凝土層(第2種工況)掘進(jìn)參數(shù)概況

2.4 切刀切樁實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.4.1 切刀刀盤(pán)空推與空載

將刀盤(pán)滾刀全部更換為切刀，刀盤(pán)以最大推進(jìn)速度59.7 mm/min穩(wěn)定空推時(shí)，總推力為1 041.2 kN；設(shè)定刀盤(pán)以恒定轉(zhuǎn)速0.672 r/min空轉(zhuǎn)時(shí)，刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩為12.388 kN·m。

2.4.2 切刀切削鋼筋混凝土層

設(shè)定刀盤(pán)推進(jìn)速度，反饋平均值為2.377 mm/min，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速為0.531 r/min。刀盤(pán)總推力和轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間變化如圖9所示?？梢钥闯觯?1)切刀低速切削鋼筋層時(shí)，刀盤(pán)總推力主要為244.3～522.7 kN，瞬時(shí)最大總推力為681.2 kN； 2)刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩為37.3～76.4 kN·m，瞬時(shí)最大轉(zhuǎn)矩達(dá)到232.2 kN·m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于平穩(wěn)狀態(tài)值，刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩值振動(dòng)幅度大，且頻率高； 3)提高刀盤(pán)推進(jìn)速度后，刀盤(pán)推力增加，刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩增加至113.2～287.5 kN·m，切刀切削掘進(jìn)維持較短時(shí)間后出現(xiàn)刀盤(pán)轉(zhuǎn)速降低現(xiàn)象，降低推進(jìn)速度，繼續(xù)推進(jìn)刀盤(pán)； 4)當(dāng)?shù)侗P(pán)轉(zhuǎn)矩超過(guò)330 kN·m時(shí)，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速會(huì)逐漸降低。

圖9 總推力和刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間變化曲線圖

Fig. 9 Time-varying relationship between total thrust and torque of cutterhead

相對(duì)于滾刀切削樁基，切刀切削C50鋼筋混凝土層時(shí)刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩值變化幅度和頻率明顯增大，最優(yōu)推進(jìn)速度宜取5.466 mm/min，轉(zhuǎn)速宜取0.575 r/min，同時(shí)增大轉(zhuǎn)速可以提高推進(jìn)速度達(dá)到高效破巖目的，轉(zhuǎn)速不宜超過(guò)1.444 r/min。相比于切刀切削C50混凝土，切刀切削C50鋼筋混凝土層過(guò)程中，刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩值變化幅度明顯增大，最優(yōu)推進(jìn)速度宜取3.896 mm/min，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速為0.531 r/min，雖然增大轉(zhuǎn)速可以提高推進(jìn)速度達(dá)到高效破巖目的，但轉(zhuǎn)矩值變化幅度過(guò)大，建議不可盲目提高轉(zhuǎn)速。

2.4.3 切刀低速切削鋼筋混凝土層振動(dòng)特性

切刀切削鋼筋混凝土層時(shí)，中心刀、7#刀刀座、9#刀刀座和刀盤(pán)最外側(cè)面的3向振動(dòng)加速度如圖10所示。低推進(jìn)速度和低轉(zhuǎn)速切削鋼筋混凝土樁基使刀盤(pán)各部位均產(chǎn)生較大振動(dòng)，中心刀刀座在刀盤(pán)軸向振動(dòng)加速度為-1.193g～1.260g，徑向振動(dòng)加速度為2.126g～2.608g。徑向振動(dòng)加速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于軸向振動(dòng)加速度，說(shuō)明切刀切削鋼筋混凝土基樁導(dǎo)致刀盤(pán)環(huán)向振動(dòng)強(qiáng)烈。

(a) 刀盤(pán)中心刀背面振動(dòng)加速度變化曲線

(b) 刀盤(pán)7#刀座側(cè)面振動(dòng)加速度變化曲線

(c) 刀盤(pán)9#刀座側(cè)面振動(dòng)加速度變化曲線

(d) 刀盤(pán)最外側(cè)振動(dòng)加速度變化曲線

圖10切刀不同速度切削鋼筋混凝土層刀盤(pán)振動(dòng)加速度變化曲線圖

Fig. 10 Vibration acceleration curves of drag bit when cutting reinforced concrete at different speeds

2.4.4 切刀高速切削鋼筋混凝土層振動(dòng)特性

增大刀盤(pán)推進(jìn)速度后，總推力和刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩均增大。中心刀刀座和7#刀刀座振動(dòng)加速度隨時(shí)間的變化如圖11所示。可以看出，增大刀盤(pán)推進(jìn)速度后，刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)不穩(wěn)定，卡機(jī)現(xiàn)象明顯。

2.5 實(shí)驗(yàn)總結(jié)

本次實(shí)驗(yàn)就滾刀和切刀直接切削基樁開(kāi)展了2組模擬實(shí)驗(yàn)，混凝土分別采用C35和C50，可以得到如下結(jié)論。

1)滾刀和切刀直接切削鋼筋具有不同的機(jī)制，滾刀以擠壓破碎的方式破除混凝土，以剪壓、剪拉、彎折破壞方式作用于主筋，鋼筋的破壞形式與混凝土抗壓強(qiáng)度、鋼筋邊界條件、掘進(jìn)控制參數(shù)(推進(jìn)速度與刀盤(pán)轉(zhuǎn)速)等因素有關(guān)，具有明顯的彎曲、彎扭變形；切刀以剪切、擠壓的方式破除混凝土(混凝土崩裂現(xiàn)象明顯)，鋼筋以剪切破壞為主，剪拉/剪彎破壞為輔，鋼筋切口與切刀外形溫和。刮刀切割C50鋼筋混凝土樁基如圖12所示。通過(guò)剪拉破壞的鋼筋如圖13所示。

(a) 刀盤(pán)中心刀背面振動(dòng)加速度變化曲線

(b) 刀盤(pán)7#刀座側(cè)面振動(dòng)加速度變化曲線

Fig. 11 Vibration acceleration curves of drag bit when cutting reinforced concrete at a high speed

圖12 刮刀切割C50鋼筋混凝土樁基

Fig. 12 Cutting C50 reinforced concrete pile foundation by scrape cutter

圖13 通過(guò)剪拉破壞的鋼筋

2)分析刀盤(pán)振動(dòng)數(shù)據(jù)，在低速推進(jìn)和刀盤(pán)低轉(zhuǎn)速條件下，滾刀切樁導(dǎo)致刀盤(pán)振動(dòng)頻率及振幅小于切刀切樁時(shí)刀盤(pán)振動(dòng)情況，并且滾刀切樁造成的刀盤(pán)軸向振動(dòng)明顯，切刀切樁造成的刀盤(pán)環(huán)向振動(dòng)作用明顯。在分別提高推進(jìn)速度和刀盤(pán)轉(zhuǎn)速條件下，切刀切樁造成刀盤(pán)環(huán)向振幅和振動(dòng)頻率均有較大幅度增大，甚至頻繁出現(xiàn)卡機(jī)現(xiàn)象。

3)滾刀和切刀切樁過(guò)程中均存在最佳推進(jìn)速度和刀盤(pán)轉(zhuǎn)速，相互匹配才能達(dá)到最佳掘進(jìn)效能。滾刀切削混凝土作用效果明顯，提高推進(jìn)速度和轉(zhuǎn)速，破巖效率變高，但對(duì)鋼筋的破壞變化不大；切刀切削混凝土作用效果較差，但對(duì)鋼筋切斷效果明顯。同時(shí)，一定推進(jìn)速度下，切刀切樁轉(zhuǎn)矩不足以抵抗切向阻力而發(fā)生卡機(jī)，但在該推進(jìn)速度下，增大刀盤(pán)轉(zhuǎn)速，卡機(jī)現(xiàn)象減輕，甚至未出現(xiàn)。

3 盾構(gòu)刀盤(pán)適用性改進(jìn)

針對(duì)鋼筋混凝土樁，應(yīng)根據(jù)混凝土強(qiáng)度等級(jí)、鋼筋數(shù)量等確定刀盤(pán)最佳推進(jìn)速度和轉(zhuǎn)速，并相互匹配達(dá)到最優(yōu)掘進(jìn)效能。當(dāng)盾構(gòu)直接切削鋼筋層時(shí)，宜遵循“低推速、高轉(zhuǎn)速、少干擾”的原則，提高切刀切斷鋼筋的能力。具體實(shí)施分為3個(gè)方面： 調(diào)整刀具高度、放置格柵、螺旋輸送機(jī)增加正反轉(zhuǎn)和伸縮功能。

3.1 調(diào)整刀具高度

刀盤(pán)刀具布置位置不變，在現(xiàn)滾刀基礎(chǔ)上，進(jìn)行局部滾刀加高設(shè)計(jì)，調(diào)整單刃滾刀、切刀、焊接撕裂刀高差，刀盤(pán)正面滾刀刀尖高度呈“鋸齒”狀，使掌子面同根鋼筋在滾刀的滾壓下先實(shí)現(xiàn)局部斷裂，防止切除下的鋼筋長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，減小刀盤(pán)及螺旋輸送機(jī)被卡的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 放置格柵

在刀盤(pán)開(kāi)口處安裝20個(gè)25 mm×25 mm格柵(見(jiàn)圖14)，格柵高度分別選用150、200、268 mm 3種，同時(shí)在格柵外表面堆焊耐磨網(wǎng)格，耐磨層高度為3～5 mm。放置格柵減小刀盤(pán)開(kāi)口尺寸，防止有較長(zhǎng)鋼筋及較大混凝土塊進(jìn)入土艙內(nèi)堵塞螺旋輸送機(jī)前艙門(mén)，保障螺旋輸送機(jī)前艙門(mén)出渣順暢。

圖14 刀盤(pán)整體布置圖

3.3 螺旋輸送機(jī)增加正反轉(zhuǎn)及伸縮功能

為避免在切削樁基過(guò)程中出現(xiàn)螺旋輸送機(jī)被卡情況，通過(guò)螺旋輸送機(jī)伸縮和正反轉(zhuǎn)，使之脫困，必要時(shí)可打開(kāi)設(shè)置在螺旋輸送機(jī)筒體上的觀察窗口對(duì)殼體內(nèi)部進(jìn)行清理。

4 盾構(gòu)直接切削樁基控制措施及實(shí)施效果

4.1 掘進(jìn)參數(shù)

在掘進(jìn)過(guò)程中，應(yīng)加強(qiáng)施工測(cè)量，控制盾構(gòu)姿態(tài)變化。推進(jìn)時(shí)不急糾、不猛糾，釆用穩(wěn)坡法、緩坡法推進(jìn)。同時(shí)根據(jù)實(shí)際穿越樁基情況，提高盾構(gòu)姿態(tài)測(cè)量頻率，確保盾構(gòu)軸線與設(shè)計(jì)軸線相符。

掘進(jìn)時(shí)，若土艙壓力小于設(shè)定值±0.02 MPa，則立即降低螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速、減少出土量進(jìn)行保壓；若土艙壓力大于設(shè)定值0.04 MPa，則立即減小推進(jìn)速度，保證盾構(gòu)在等壓情況下推進(jìn)。施工過(guò)程中土體壓力控制為0.13～0.2 MPa(設(shè)定值為0.13～0.18 MPa)。

盾構(gòu)掘進(jìn)應(yīng)遵循“低開(kāi)挖速度、高轉(zhuǎn)速、低擾動(dòng)”的原則，提高切割鋼筋的能力，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速控制為1.0～1.2 r/min，推進(jìn)速度控制為3～5 mm/min(實(shí)驗(yàn)值)，最大值為10 mm/min。盾構(gòu)采用切磨樁的模式，也就是說(shuō)用較小的推力掘進(jìn)。由于刀具切磨樁時(shí)鋼筋的不完全切削、纏繞以及拉斷，可能產(chǎn)生瞬間轉(zhuǎn)矩增大，應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)，當(dāng)達(dá)到設(shè)定值時(shí)可以采用反轉(zhuǎn)的辦法，以避免刀具的損傷和刀盤(pán)的變形等。同時(shí)要保證泡沫和膨潤(rùn)土的注入量，以減小刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩和刀具的磨損。施工過(guò)程轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較小，整體處于3 300～4 300 kN·m的正常區(qū)間，推進(jìn)速度大于設(shè)定推進(jìn)速度，現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)速度為17～22 mm/min。實(shí)驗(yàn)室與現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)參數(shù)對(duì)比如表5所示。

表5 實(shí)驗(yàn)室與現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)參數(shù)對(duì)比

掘進(jìn)過(guò)程中刀盤(pán)刀具存在有一定程度的異常損壞，經(jīng)分析，原因是刀盤(pán)切削的樁基鋼筋與刀盤(pán)、刀具摩擦碰撞，鋼筋切斷與渣土混合后，對(duì)刀盤(pán)和刀具產(chǎn)生的二次損傷，并造成刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩的增大。

4.2 出渣量

為使切除的鋼筋較順利輸出，螺旋輸送機(jī)輸送過(guò)程中需添加適量的泡沫和膨潤(rùn)土，并充分利用螺旋輸送機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，防止螺旋輸送機(jī)卡住，必要時(shí)可通過(guò)螺旋輸送機(jī)觀察窗進(jìn)行人工處理。

主司機(jī)、值班工程師觀察每斗渣換車時(shí)推進(jìn)距離，按照地質(zhì)及同期施工總結(jié)，推進(jìn)完成進(jìn)度與渣斗裝載數(shù)量關(guān)系，推進(jìn)距離小于30 cm時(shí)，則由值班工程師進(jìn)行分析后確定下步推進(jìn)方法(增壓或少出土)，每環(huán)推進(jìn)完成后由值班工程師對(duì)總的出渣量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并仔細(xì)比對(duì)是否超出預(yù)定最大出渣量(100.4～102.4 m3)。若出現(xiàn)超挖現(xiàn)象，則在管片拼裝完成后補(bǔ)充盾尾注漿，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際出渣量為66～83 m3，均值為74.9 m3，出渣量穩(wěn)定，未出現(xiàn)超挖現(xiàn)象。

4.3 盾尾同步注漿

同步注漿與盾構(gòu)推進(jìn)同步進(jìn)行，至推進(jìn)完成后結(jié)束，當(dāng)環(huán)注漿量報(bào)值班工程師，若注漿量小于8.5 m3/環(huán)，則在管片拼裝完成后，下一環(huán)未推進(jìn)時(shí)補(bǔ)充注漿，上環(huán)注漿量+補(bǔ)充注漿量不小于9.5 m3。

盾構(gòu)切樁后，被切斷的樁基端部將作用于壁后注漿的漿液中，盾尾脫出樁基區(qū)域后，必須對(duì)該區(qū)段隧道進(jìn)行二次注漿，對(duì)管片襯砌壁后土體進(jìn)行加固。

4.4 監(jiān)控測(cè)量

為保障盾構(gòu)切削樁基掘進(jìn)的順利進(jìn)行，在阿亞隆高速公路、河道、鐵路等位置，設(shè)置了50余個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，并在河道擋墻位置加設(shè)位移監(jiān)測(cè)，所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)位均實(shí)施24 h自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以在第一時(shí)間提供準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中通過(guò)掘進(jìn)參數(shù)調(diào)整、渣土改良、二次注漿、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等措施，最終將盾構(gòu)掘進(jìn)引起的沉降控制在5 mm以內(nèi)，其中鐵路側(cè)累計(jì)沉降最大處為19 mm(含旋噴注漿加固時(shí)的沉降)。沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均在結(jié)構(gòu)安全允許范圍內(nèi)，如圖15所示。

4.5 地層加固

為保障阿亞隆河道擋墻及兩側(cè)高速公路和鐵路的安全運(yùn)營(yíng)，在河道內(nèi)對(duì)隧道掘進(jìn)范圍內(nèi)的樁基進(jìn)行旋噴加固處理，旋噴加固范圍為隧道頂部以上2.5 m，隧道底部以下2.5 m，掘進(jìn)方向加固范圍為最邊緣樁基向外延伸3 m(見(jiàn)圖16和圖17)。為了避免加固施工對(duì)高速公路和鐵路的正常運(yùn)行，旋噴加固選擇在河道內(nèi)斜向的加固方案，最終旋噴加固達(dá)到了預(yù)期效果，取芯檢查效果良好。

圖15盾構(gòu)下穿阿亞隆河道區(qū)域沉降監(jiān)測(cè)云圖(單位： mm)

Fig. 15 Settlement monitoring nephogram of Ayalon River area underneath passed by TBM (unit: mm)

圖16 阿亞隆河道及鐵路加固平面示意圖(單位： cm)

圖17 旋噴加固示意圖(單位： cm)

4.6 盾構(gòu)直接切削樁基實(shí)施效果

盾構(gòu)在下穿阿亞隆河道直接切削過(guò)程中，通過(guò)運(yùn)用以上掘進(jìn)控制措施，盾構(gòu)掘進(jìn)狀態(tài)良好，2臺(tái)盾構(gòu)直接切削樁基掘進(jìn)過(guò)程中TBM5出現(xiàn)有螺旋輸送機(jī)卡機(jī)的情況，但通過(guò)螺旋輸送機(jī)正反轉(zhuǎn)及螺旋輸送機(jī)伸縮等措施，得到了很好的解決。盾構(gòu)直接切削樁基從渣土中取出的鋼筋如圖18所示。可以看出： 鋼筋的斷裂形式主要有剪切和拉伸斷裂2種破壞形式，其中滾刀在鋼筋切削過(guò)程中起主要作用。在掘進(jìn)過(guò)程中通過(guò)地面監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)及時(shí)指導(dǎo)洞內(nèi)掘進(jìn)參數(shù)的調(diào)整，同時(shí)及時(shí)對(duì)盾構(gòu)通過(guò)區(qū)域進(jìn)行二次補(bǔ)強(qiáng)注漿，最終使盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中及后續(xù)地表沉降均在可控范圍內(nèi)，保障了阿亞隆河道擋墻、高速公路及鐵路的運(yùn)行安全。

圖18 盾構(gòu)直接切削樁基從渣土中取出的鋼筋

Fig. 18 Rebars from muck by TBM directly cutting pile foundation

5 結(jié)論與建議

1)鋼筋的破壞形式與混凝土抗壓強(qiáng)度、鋼筋邊界條件、掘進(jìn)控制參數(shù)(推進(jìn)速度與刀盤(pán)轉(zhuǎn)速)等因素有關(guān)，盾構(gòu)切削樁基施工過(guò)程滾刀和切刀切樁過(guò)程中均存在最佳推進(jìn)速度和刀盤(pán)轉(zhuǎn)速，并且相互匹配才能達(dá)到最佳且穩(wěn)定的掘進(jìn)效能。

2)盾構(gòu)切削樁基施工過(guò)程中，盾構(gòu)推進(jìn)速度受到推進(jìn)力、推進(jìn)轉(zhuǎn)矩、推進(jìn)姿態(tài)影響，貫入度較實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)大，推進(jìn)順利且快速，切削過(guò)程的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)整體較為平穩(wěn)，無(wú)異常波動(dòng)，采用泡沫劑、膨潤(rùn)土改良后的渣土流塑性、連續(xù)性較好。

3)滾刀切削混凝土作用效果明顯比切刀好，但對(duì)鋼筋的切削作用效果明顯不如切刀，建議以后在盾構(gòu)切削樁基、地下連續(xù)墻等刀盤(pán)刀具配置方面對(duì)滾刀和切刀的數(shù)量，以及滾刀高度進(jìn)行展開(kāi)研究，使其滾刀和切刀能夠發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)。

4)本項(xiàng)目中24 h自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)提供了及時(shí)有效的數(shù)據(jù)資料，對(duì)掘進(jìn)參數(shù)調(diào)整以及二次補(bǔ)充注漿起到了關(guān)鍵性的作用，使河道、高速公路以及鐵路沉降得到了良好的控制。推薦24 h全自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)后續(xù)類似工程使用，對(duì)掘進(jìn)控制及參數(shù)調(diào)整至關(guān)重要。