盾构直接切削φ25 mm主筋钢筋混凝土桩基可行性研究

2021-01-06李宏波

隧道建设(中英文) 2020年12期

李宏波

(1. 盾构及掘进技术国家重点实验室，河南郑州 450001； 2. 中铁隧道局集团有限公司，广东广州 511458)

0 引言

盾构法在我国地铁隧道建设中发挥着重要作用，在地铁隧道建设中经常会遇到既有建(构)筑物桩基和隧道线路干涉情况。当桩基侵入隧道开挖断面时,一旦处理不当就会引发重大工程事故[1-2]。传统解决桩基干涉通常采用线路避让、桩基破除、桩基托换等方法[3-6]。传统桩基处理方法对环境影响较大,施工成本高,周期长，探索盾构直接切削破除桩基对提高施工效率、降低施工成本及安全施工具有重要意义。

盾构直接切削钢筋混凝土桩基案例如下：上海地铁10号线盾构直接切削33根尺寸为400 mm×400 mm的沙径港桥桩，桩基主筋直径最大为18 mm；广州地铁3号线盾构直接切削19根直径为500～800 mm的桩基，桩基主筋直径最大为16 mm；天津地铁7号线盾构直接切削36根尺寸为350 mm×350 mm的钢筋混凝土方桩，桩基主筋直径最大为16 mm；苏州地铁2号线盾构直接切削14根直径为1 000～2 000 mm的公路桥桩，桩基主筋直径最大为22 mm。在国内现有城市地铁切削桩基案例中，盾构直接切削桩基的主筋直径最大为22 mm，在切削中出现了因断筋较长卡死螺旋输送机，钢筋未能有效切断随刀盘旋转卡死刀盘，因钢筋主筋较粗及切削参数控制不合理导致切削效率极低、切桩过程刀盘冲击振动大、刀具磨损剧烈、切桩过程不平稳引发地表沉降等事故。

针对上述问题：唐仁等[7]研究了盾构切桩剩余基桩沉降及承载力计算问题，为盾构直接切桩沉降控制提供了技术支撑；王营建[8]研究了泥水盾构在复合地层切桩施工参数控制技术；李东海[9]研究了盾构接收切桩过程参数设定与调整原则；王禹椋等[10]研究了盾构切削桩基群对地表沉降的影响；陈海丰等[11]研究了盾构切削大直径桥梁群桩掘削参数变化特征，提出了掘削参数控制方案；符敏[12]研究了盾构切削桩基下穿厂房参数控制技术；袁大军等[13]、傅德明[14]研究了盾构切削大直径钢筋混凝土桩基的新型刀具及刀具配置方法；王飞[15]研究了盾构切削大直径钢筋混凝土群桩的相关机制和技术。

尽管盾构切削桩基已有不少研究和实例，但盾构能否直接切削φ25 mm主筋的大直径钢筋混凝土桩基尚需探索。随着主筋直径的增大，主筋和混凝土握裹力增大。主筋直径增大为断筋难度、断筋排出、刀具配置及冲击磨损带来挑战；握裹力增大给切削掘进参数控制带来挑战，切削参数控制不合理会导致桩基沉降、倾斜等工程事故。本文依托TBM模态掘进试验平台模拟开展滚刀和撕裂刀切削桩基试验，通过对钢筋断裂形态、受力特性、切削参数、刀具损坏及刀盘振动特性综合分析研究盾构直接切削φ25 mm主筋的大直径桩基的可行性，并结合现场提出盾构直接切削桩基的施工建议。

1 试验设计及步骤

1.1 试验设备

切桩试验选用TBM模态掘进试验平台，该试验平台是为真实模拟盾构掘进工况而设计的大型试验平台。平台最大推力为4 000 kN,装备转矩为250 kN·m,刀盘直径为2.5 m,刀盘面板共11个刀箱,3个双刃刀箱位,8个单刃刀具刀箱位,可根据试验需要灵活配置刀具,刀盘转速可以在0～6 r/min调节。TBM模态掘进试验平台如图1所示。

图1 TBM模态掘进试验平台

1.2 试验设计

盾构直接切削桩基试验为探索盾构直接切削φ25 mm主筋的大直径钢筋混凝土桩基可行性、钢筋断裂及受力特性、刀具配置及切削参数而设计。为实现上述目的，试验刀具采用了全盘配置60.18 cm(17英寸)滚刀和全盘配置撕裂刀来模拟盾构切桩。2种不同的刀盘配置如图2所示。在刀盘本体、中心刀及边刀刀座上分别布置无线加速度传感器用于采集不同刀具配置切削钢筋时的振动信号。切削桩基刀盘如图2所示。

(a) 滚刀刀盘

(b) 撕裂刀刀盘

全盘滚刀和全盘撕裂刀刀具布置切削模拟的试验岩样均按照1∶1布置,模拟圆桩直径为1.2 m,方桩尺寸为0.4 m×0.4 m。主筋采用φ25 mm的HRB400螺纹钢,箍筋采用φ10 mm的光圆钢筋，主筋焊接方式固定在岩箱上。为获得刀具切削桩基时钢筋的受力情况,分别在主筋上布设钢筋应力计，每间隔1根主筋布设1个应力计,其中圆桩共有5根主筋布设应力计,方桩在第1、2、4层主筋一端设置应力计3个。切削桩基岩样布置如图3所示。

1.3 试验步骤及参数

钢筋笼安装完成后安置模板，首先浇筑C35混凝土完成桩基模型制作后拆模,在岩箱空隙处填充M2.5水泥砂浆,养护完成后开展试验。每次试验以推进速度控制为参考点,通过设置不同的刀盘转速观察切削状态。试验模拟4种工况,推进速度设置为3、5、7、10 mm/min,刀盘转速设置为0.5、1.0、1.2、1.5 r/min。首先开展全盘滚刀切削φ25 mm主筋的大直径钢筋混凝土桩基试验,步骤如下。

1)启动TBM模态掘进试验平台,设置刀盘转速为1 r/min后启动刀盘,开启系统推进泵,控制推进油缸,在刀盘接触掌子面后记录起始掘进时间及油缸行程。

(a) 桩基及传感器布置图

(b) 钢筋笼岩箱安装图

2)试掘进30 mm深度,切削掉岩箱表层混凝土,试验平台达到稳态掘进后停止推进。

3)设定工况1：推进速度为3 mm/min,设置不同刀盘转速掘进100 mm,开展钢筋应力计参数、刀盘振动信号及装备掘进参数采集,停机收集切断的钢筋头。

4)设定工况2：推进速度为5 mm/min,设置不同刀盘转速掘进100 mm,开展钢筋应力计参数、刀盘振动信号及装备掘进参数采集,停机收集切断的钢筋头。

5)设定工况3：推进速度为7 mm/min,设置不同刀盘转速掘进100 mm,开展钢筋应力计参数、刀盘振动信号及装备掘进参数采集,停机收集切断的钢筋头。

6)设定工况4：推进速度为10 mm/min，设置不同刀盘转速掘进100 mm,开展钢筋应力计参数、刀盘振动信号及装备机器参数采集,停机收集切断的钢筋头。

全盘滚刀切削φ25 mm主筋的大直径钢筋混凝土桩基试验完成后,将刀盘上刀具全部更换为撕裂刀,岩箱重新制作，达到掘进条件后重复上述试验步骤。

2 试验分析

2.1 钢筋断裂形态分析

2.1.1 滚刀切削

通过全盘滚刀直接切削主筋为φ25 mm的大直径钢筋混凝土桩基试验发现，钢筋破坏主要是依靠刀盘旋转和滚刀反复滚压作用的效果。在系统推进过程中钢筋受到碾压,碾压区域瞬间产生应力集中,应力集中区钢筋脆性硬度增加,然后随着刀盘旋转而产生弯折破坏。此外，在模拟桩基制作过程中,钢筋两端固定焊接约束在岩箱中,在钢筋受压的过程中,由于两端固定约束的作用,钢筋还承受了很大的拉应力，钢筋在侧向冲击力的作用下被拉断。在切削钢筋时，推进速度不宜过快，当推进速度和刀盘转速设置过高会导致滚刀贯入到岩箱上没有钢筋布置的区域，随着刀盘旋转，当侧向冲击力大于钢筋在混凝土中的握裹力时，会导致钢筋失去约束被整体拉出而卡死刀盘。滚刀切削钢筋的断面破坏形式主要有剪切破坏、碾压破坏、拉压破坏、压扭破坏。滚刀切削钢筋破坏如图4所示，破坏形式占比如图5所示。

(a) 剪切破坏

(b) 碾压破坏

(d) 压扭破坏

2.1.2 撕裂刀切削

通过全盘撕裂刀直接切削钢筋混凝土桩基试验发现，撕裂刀对钢筋的破坏集中在撕裂刀对钢筋的刮削和正向挤压切割。从切断钢筋的断面来看,主要分为剪拉断面和剪切断面。剪拉断面主要是钢筋在撕裂刀刀刃的切割作用下使钢筋横截面积变小,同时钢筋在刀盘旋转、拉伸等作用下,钢筋在切割部位被拉断或折断；剪切断面由于混凝土对钢筋具有足够的握裹力,撕裂刀对钢筋一直存在切割作用,直至钢筋断裂。撕裂刀切削钢筋的破坏形式主要有剪拉破坏、剪切破坏、弯折破坏、刮削破坏。撕裂刀切削钢筋破坏如图6所示，破坏形式占比如图7所示。

图5 滚刀切削钢筋破坏形式占比

(a) 剪拉破坏

(b) 剪切破坏

(d) 刮削破坏

图7 撕裂刀切削钢筋破坏形式占比

2.1.3 滚刀和撕裂刀切削效果对比

盾构在切削钢筋过程中如果钢筋断裂较长，一方面较长钢筋会随着刀盘的旋转卡死刀盘，另一方方面较长钢筋也难以随着渣土通过螺旋输送机排出。为了比较全盘滚刀和全盘撕裂刀对φ25 mm主筋的大直径钢筋混凝土桩基切削效果,对2类刀具在工况2下对切削的断筋长度进行统计分析。滚刀和撕裂刀切削效果比较如表1所示。

表1 滚刀和撕裂刀切削效果比较

通常钢筋断裂长度大于500 mm时难以排出,400～500 mm时可以排出,小于400 mm时容易排出。由表1可以看出： 1)各个钢筋的断裂区间整体呈现正态分布趋势,滚刀切削钢筋有效断筋48个,占整个钢筋断裂长度的90.6%；撕裂刀切削钢筋有效断筋41个,占整个钢筋断裂长度的85.4%。2)滚刀切削钢筋容易排出的钢筋占整个断裂钢筋的比例为73.6%；撕裂刀切削钢筋容易排出的钢筋占整个断裂钢筋的比例为62.5%。从断筋角度分析,滚刀切削效果优于撕裂刀切削效果。

2.2 钢筋切断受力分析

为了获取滚刀和撕裂刀切削钢筋的受力变化规律,选取桩基最外层和次外层钢筋开展监测受力分析，在推进速度为5 mm/min、刀盘转速为1 r/min的工况下。钢筋的受力监测如表2所示。应力监测曲线如图8所示。

表2 钢筋受力分析

由表2和图8可知： 1)全盘滚刀切削桩基钢筋最外层A1钢筋大约通过5次有效切断,次外层A2钢筋大约通过7次有效切断，钢筋在两端约束后受到滚刀碾压后承受的最大拉应力数值大小为333.2 MPa，最大压应力数值大小为26.6 MPa； 2)全盘撕裂刀切削桩基钢筋最外层B1钢筋大约通过4次有效切断,次外层A2钢筋大约通过9次有效切断，钢筋在两端约束后受到撕裂刀切割后承受的最大拉应力数值大小为250.9 MPa，最大压应力数值大小为64.5 MPa，说明钢筋的拉应力效应大于压应力效应。

(a) 滚刀切削钢筋受力图

(b) 撕裂刀切削钢筋受力图

在表层钢筋切削过程中,撕裂刀切削效果优于滚刀切削效果,原因在于表层钢筋切削未受到其他钢筋干涉,撕裂刀对钢筋的正面切割效果更好。但在次表层切削过程中,撕裂刀切削钢筋整体波动相对于滚刀切削较大,整个切削过程不平稳,振动冲击较大。滚刀切削钢筋耐冲击效果优于撕裂刀，撕裂刀切削钢筋正向切割效果优于滚刀，后续切削钢筋刀具配置过程中可采用组合刀具布置充分发挥各自切削优势。

2.3 刀具损坏形式分析

通过对滚刀、撕裂刀切削φ25 mm主筋钢筋混凝土桩基可知：

1)滚刀碾压破坏钢筋时,由于滚刀刀圈合金钢材料硬度较钢筋高,能够承受较大冲击,且滚刀碾压钢筋时呈滚动状态,钢筋未对滚刀刀圈造成局部损伤。

2)撕裂刀切削钢筋混凝土桩基时,在刀盘旋转过程中,撕裂刀在接触桩侧混凝土的瞬间及从侧面将钢筋拉断的瞬间会受到较大的侧面冲击力,系统推进速度和刀盘转速设置越高，该侧向冲击力越大。在试验中当设置5 mm/min推进速度时,刀盘振动冲击明显增大；设置7 mm/min推进速度时，出现撕裂刀两侧合金整块从刀体崩掉。分析发现，合金崩裂崩脱的主要原因在于撕裂刀在刮削钢筋时承受较大的正面冲击。整个试验中撕裂刀刀头损坏4把,其中2把为撕裂刀中部合金脆性崩裂,2把为刀具两侧合金整块从刀体脱焊掉落。撕裂刀损坏形式分析如图9所示。由此可知，后续采用撕裂刀配置切削钢筋时必须提升合金块的焊接质量。

(a) 刀头损坏

(b) 合金崩裂

2.4 刀盘振动特性分析

切削钢筋的振动对整个装备及现场环境影响很大,通过在刀盘上布置无线加速度传感器采集不同工况下刀盘的振动情况。全盘滚刀和全盘撕裂刀在不同推进速度及刀盘转速下振动趋势变化主要体现在振动幅值变化上。滚刀和撕裂刀切削刀盘振动监测如图10和图11所示。可以看出： 1)相对于全盘滚刀切削钢筋,撕裂刀切削钢筋时刀盘振动幅度和频率较大,相同推进速度和刀盘转速条件下,全盘撕裂刀切削钢筋时整个刀盘卡死次数较多。2)在撕裂刀切削钢筋时,随着刀盘推进,刀具贯入到岩箱中未布置钢筋位置,随着刀盘旋转,钢筋在岩箱两端约束的作业下发生弯折。当钢筋约束力足够强,而刀盘转矩较小时,会造成刀盘卡死,反复冲击振动现象；当钢筋约束力不够强,则会将整个钢筋拉出岩箱,造成钢筋在刀盘中反复缠绕,振动加大,最终卡死刀盘。因此，在掘进过程中系统推进速度和刀盘转速的匹配性至关重要。

2.5 切削过程参数分析

TBM模态掘进试验平台工作原理和实际盾构一样,均是通过控制液压油泵的进给油量来控制液压油缸的推进速度。在切桩过程中,理想状态是准确控制推进速度,保障刀盘每转旋转进给量固定,但在实际工作过程中,不同推进速度设置系统波动较大，分别设置3、5、7、10 mm/min推进速度。滚刀和撕裂刀的推进速度波动如图12所示。

图10 滚刀切削刀盘振动监测图

图11 撕裂刀切削刀盘振动监测图

(a) 滚刀不同工况设置波动

(b) 撕裂刀不同工况设置波动

由图12可以看出： 1)推进速度设定越大，切桩过程波动越大,且全盘滚刀和全盘撕裂刀切削钢筋相比,撕裂刀的推进速度幅度更大，波动幅度的增大导致推进过程的不平稳，进而导致刀盘卡死。2)在全盘滚刀工况下,当推进速度大于5 mm/min时,推进速度波动剧烈；在推进速度设置7 mm/min工况下，刀盘卡死1次；在推进速度设置10 mm/min工况下，刀盘卡死2次。3)在全盘撕裂刀工况下,当推进速度大于3 mm/min时,推进速度波动剧烈；在推进速度设置5 mm/min工况下，刀盘卡死3次；同样工况下，撕裂刀切削大直径钢筋效率和效果低于滚刀切削效果。

为进一步分析掘进参数变化对大直径钢筋切削效果，分析了系统推进速度控制为5 mm/min时，切削过程中推力和转矩的变化如图13和14所示。可以看出： 1)全盘滚刀切削钢筋系统推力为2 400～3 000 kN，转矩为70～200 kN·m； 2)全盘撕裂刀切削钢筋系统推力为600～1 000 kN，转矩为190～350 kN·m； 3)相对于全盘滚刀切削钢筋，全盘撕裂刀切削钢筋具有推力小、转矩大、波动大的特点； 4)撕裂刀切削钢筋平稳性难以控制，转矩波动更加明显。

图13 滚刀切削推力和刀盘转矩随时间变化曲线

图14 撕裂刀切削推力和刀盘转矩随时间变化曲线

3 刀具配置及掘进参数建议

3.1 刀具配置建议

通过不同刀具切削大直径钢筋混凝土桩基发现，滚刀切削混凝土作用效果整体优于撕裂刀切削效果。但通过钢筋断裂受力特性分析，发现滚刀切削钢筋耐冲击效果优于撕裂刀，撕裂刀切削钢筋正向切割效果优于滚刀。为了使滚刀和撕裂刀能够发挥各自的切削优势，后续切削钢筋刀具配置可以采用撕裂刀和滚刀相互配合的组合切削形式。通过撕裂刀和滚刀间隔布置及刀高差的设置顺次切割钢筋，首先保证撕裂刀先接触桩基钢筋，利用撕裂刀正向切割优势预先切割钢筋，然后依靠滚刀的侧向冲击碾压作用来有效断裂大直径钢筋。在刀间距设置上，通过螺旋输送机可输出最大钢筋长度来确定撕裂刀刀间距，在考虑撕裂刀位置和最优滚刀破岩刀间距前提下设置滚刀刀间距，能够保障钢筋的有效断裂，防止出现卡死刀盘及螺旋输送机情况。

3.2 掘进参数建议

通过切削过程参数及刀盘振动特性分析，推进速度是桩基切削的关键控制参量，推进速度的控制对切桩的平稳有效性、刀盘的振动特性影响很大。基于切桩试验数据分析，全盘撕裂刀切削桩基推进速度建议不大于3 mm/min，全盘滚刀切削桩基推进速度建议不大于5 mm/min。相对于滚刀切削钢筋，撕裂刀切削钢筋具有推力小、转矩大、波动大的特点。撕裂刀切削大直径钢筋更容易造成刀盘卡死，因此转矩波动参数应作为盾构直接切削钢筋的重点控制参数，可通过转矩的波动来预判防止卡死刀盘。

3.3 工程应用

试验成果应用在深圳轨道交通14号线盾构下穿电子科技厂房工程，厂房共27根钢筋混凝土桩基侵入隧道开挖断面,桩长为25～28 m,桩径为1 200 mm，桩基主筋直径为25 mm，该隧道区间采用2台直径为6 980 mm复合式土压平衡施工，盾构刀盘上可安装50刃63.72 cm(18英寸)滚刀，其中中心滚刀刀间距为90 mm，正面中间区域滚刀刀间距为80 mm，13—32号刀间距为80 mm，33—38号刀间距为75 mm，每个刀箱位可进行撕裂刀和滚刀互换的组合布置。切削桩基处隧顶埋深为17.85～19.36 m，区间土层情况较为复杂，为典型的软硬不均复合地层，上覆土层主要为人工填土、软土、黏性土、砂土、碎石土以及花岗岩风化残积层。厂房桩基邻近交通干道，地表沉降控制严格，切桩安全要求高，盾构需直接切削φ25 mm主筋的钢筋的混凝土桩基，且在切削过程中会面临同时切削2个桩基情况。盾构切削桩基刀具采用撕裂刀和滚刀组合配置形式，推进速度控制为5 mm/min,刀盘转速控制为0.8～1.2 r/min。以较小的推进速度开展切桩,保证桩基中每根钢筋都受到正向碾压力,避免因为推进速度过快,钢筋受到侧向压力而导致整根钢筋被拉出,发生钢筋在刀盘中缠绕进而卡死刀盘的现象。

切桩过程密切关注推力及转矩的变化，通过切桩过程推力和转矩分布统计，结果如图15和图16所示。可以看出：切桩推力平均值为11 021.84 kN，推力波动控制为9 915～11 840 kN；切桩转矩平均值为1 711.84 kN·m，转矩波动控制为1 570～1 867 kN·m。在切桩过程中一旦出现参数波动剧烈，应及时调整掘进参数避免卡死刀盘。切削过程中确保切桩的平稳性，钢筋的主要破坏形式为滚刀对钢筋的碾压破坏和撕裂刀对钢筋的剪切破坏，切削1根桩基的全套施工工序时间为29～35 h，切削过程中没有出现卡死刀盘及螺旋输送机情况。