盾构刀盘切削钢筋混凝土桩基室内试验研究

许华国， 陈 馈， 孙振川

(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

随着城市地下空间的开发建设，地铁及地下管廊工程大量采用盾构法施工。在盾构施工中，常常会遇到既有建筑物桩基础及地下废弃构筑物的情况。采用传统改线避让、地面拔桩、 开挖竖井凿桩等处理方法，不但对周边环境影响极大，而且施工成本高、工期长。相比传统清障方法，盾构刀盘直接切削钢筋混凝土穿越桩基更加经济、高效。

在盾构穿越钢筋混凝土桩基施工方面，国内已开展了相关研究。刘建卫[1]开展了盾构穿越城市建(构)筑物桩基的施工技术研究。徐前卫等[2]对地铁盾构隧道穿越桥梁下方群桩基础的托换与除桩技术进行了研究。王飞等[3-4]对切削钢筋混凝土桩基的贝壳刀具刃口进行了研究，并在苏州项目进行了贝壳刀直接切削钢筋混凝土桩基现场试验。张立亚等[5]对地铁盾构隧道切桩穿越建筑群的沉降影响进行了研究，分析了盾构切桩穿越对住宅楼的变形影响。岳鹏飞等[6]对盾构施工穿越建筑物桩基的影响进行了研究。陈海丰等[7]开展了盾构直接切削大直径桩基的掘削参数研究，证明在掘削参数设置合理的情况下，盾构切削钢筋混凝土桩基是可行的。傅德明等[8]在上海轨道交通10号线5.1标对软土盾构直接切削钢筋混凝土桩基施工进行了研究。郑坚[9]对上海轨道交通10号线溧阳路站—曲阳路站区间隧道穿越桩基础的盾构进行了改造研究。侯克忠等[10]对盾构掘进机采用的特种刀具进行了研究与制备。滕丽[11]采用小直径(400 mm)盾构模拟平台，进行了先行贝壳刀切削C20素混凝土试验。杨自华等[12]开展了泥水盾构穿越桩基础掘进施工技术研究。符敏[13]介绍了盾构切削钢筋混凝土桩基穿越厂房所采取的技术措施。杜闯东[14]开展了侵入盾构隧道桩基人工挖孔处理技术研究。王虹等[15]对盾构穿越建筑物桩基群的施工重难点进行了分析总结。虽然国内众多工程也尝试性地采用了盾构直接切削钢筋混凝土桩基的处理方式，但往往由于没有对穿越钢筋混凝土桩基的盾构刀具配置进行针对性的设计，导致配置的刀具切削钢筋效果不佳，切削钢筋断裂长度过大，进而导致长钢筋缠绕盾构刀盘，螺旋输送机被长钢筋卡死，造成停机故障，因此常常需要开舱取出卡在刀盘上及螺旋机内的长钢筋，不但影响施工进度，增加施工成本，而且开舱风险也较大。

为解决盾构穿越钢筋混凝土桩基的工程难题，开展了盾构刀盘直接切削钢筋混凝土桩基的室内试验研究，对切削桩基效果、钢筋破坏形态、刀盘振动特性及刀具损伤形式进行了统计分析，评价了滚刀和撕裂刀切削混凝土桩基的优缺点； 并研究了掘进参数对盾构刀盘直接切削钢筋混凝土桩基的影响特征，得出了合理的掘进参数。以期提供一种将钢筋切断切短并能通过螺旋输送机直接排出的方法，实现盾构安全高效顺利穿越地下钢筋混凝土桩基的目的。

1 试验设计

1.1 试验设备

试验采用TBM模态掘进试验平台，该试验平台主驱动采用液压马达驱动方式，4缸同步推进系统。最大总推力为40 000 kN，额定转矩为250 kN·m，刀盘直径为2 500 mm，刀盘面板可安装11把17英寸(43.18 cm)滚刀或替换刀具。试验平台具有刀间距80～100 mm可调节、不同种类刀具可相互替换的特点，可保持垂直姿态(见图1)或水平姿态2种掘进方式。

图1 TBM模态掘进试验台

本次试验采用17英寸(43.18 cm)滚刀和撕裂刀2种刀具，试验台搭载无线加速度传感器对盾构刀盘切削钢筋混凝土桩基产生的振动进行监测。试验刀具及传感器如图2所示。

(a) 17英寸(43.18 cm)滚刀

(c) 振动测试无线加速度传感器

1.2 试验制样

试验岩样按1∶1比例将圆桩和方桩平行布置于同一岩箱内，圆桩直径为1 200 mm，另一侧方桩尺寸为400 mm×450 mm。圆桩和方桩内主筋采用HRB400直径25 mm的螺纹钢，箍筋采用HPB235直径10 mm的光圆钢筋。将焊接好的钢筋笼放入试验台岩箱模具内，将钢筋笼两端的钢筋焊接固定于岩箱内侧，模拟混凝土桩基上下两端约束在隧道掌子面外土层的情况。岩箱制样布置如图3所示，钢筋笼安装如图4所示。

图3 岩箱制样布置图(单位： mm)

图4 岩箱钢筋笼安装图

钢筋笼安装固定完成后进行混凝土模板支设，在支好的桩基模板内浇筑C35混凝土，2 d后拆除模板。浇筑成型后的钢筋混凝土桩基如图5所示。

图5 浇筑成型后的钢筋混凝土桩基

在岩箱内混凝土桩外空隙部位浇筑填充M2.5水泥砂浆，模拟桩基周围进行注浆加固后的土层。待混凝土桩养护28 d达到设计强度后进行桩基切削试验。制作完成后的岩样如图6所示。

2 掘进切削试验

根据方案进行钢筋混凝土桩基切削试验，2种不同的刀具切削钢筋混凝土时均采取不同的刀盘推进速度根据刀盘转速的不同各设置6组试验，具体掘进参数设置见表1，其中第1组为试样表层试掘进组。

图6 制作完成后的岩样

表1 掘进参数

2.1 滚刀掘进切削试验

采用全盘17英寸(43.18 cm)滚刀切割钢筋混凝土桩基试验，先将竖直状态的TBM模态掘进试验台翻转90°呈水平状态，然后打开推进泵，刀盘不接触岩盘，分别旋转推力电位计和转速电位计，测试空转空推情况下刀盘的推力和转矩。将盾构刀盘匀速推进接近岩面，根据表1预设的掘进参数由第1组至第6组依次调节设置刀盘推进速度、刀盘转速进行掘进试验。在试验过程中记录刀盘推力、转矩的变化以及刀盘振动的情况。滚刀切削钢筋混凝土桩基的破坏形态如图7所示。

图7 滚刀切削钢筋混凝土桩基的破坏形态

2.2 撕裂刀掘进切削试验

采用全盘撕裂刀切割钢筋混凝土桩基试验，先将竖直状态的TBM模态掘进试验台翻转90°呈水平状态，测试空转空推情况下刀盘的推力和转矩。将盾构刀盘匀速推进接近岩面，按照表1预设的掘进参数，由第1组至第6组依次调节刀盘推进速度、刀盘转速进行掘削试验。在试验过程中记录刀盘推力、转矩的变化以及刀盘振动情况。 撕裂刀切削钢筋混凝土桩基的破坏形态如图8所示。

图8 撕裂刀切削钢筋混凝土桩基的破坏形态

3 掘进切削试验结果分析

3.1 切削钢筋断口分析

通过对全盘滚刀切削钢筋混凝土桩基的钢筋断口形式分析发现，滚刀切削钢筋的原理主要是盾构刀盘受油缸推力和刀盘旋转作用下，滚刀接触碾压钢筋，钢筋局部受压后，产生应力集中，压痕局部变硬变脆，钢筋压痕边缘与非压区产生剪应力，在滚刀反复循环碾压中产生翘曲弯折，最终钢筋断裂。由于滚刀刀刃边缘倒角圆润不锋利，当混凝土被滚刀碾压破坏后会使钢筋失去约束，失去约束的长钢筋随刀盘旋转弯曲缠绕，容易卡在刀盘上，不易被切断。滚刀切削钢筋的破坏形态如图9所示。

通过对全盘撕裂刀切削钢筋混凝土桩基的过程进行观察及钢筋断口形式进行分析发现，撕裂刀在刀盘推力作用下，垂直于掌子面对混凝土和钢筋产生正向挤压作用。在刀盘旋转作用下，撕裂刀随刀盘转动对混凝土和钢筋产生侧向刮削作用。在正向挤压和侧向刮削2种作用力下撕裂刀对钢筋混凝土桩基产生切削破坏。撕裂刀切削钢筋的破坏形式主要有刮削破坏、切削破坏、切削弯折破坏和完全切断破坏(如图10所示)，其中，钢筋完全切断的占少数，切削弯折破坏的钢筋占大多数。钢筋的断裂长度及断口形式取决于混凝土对钢筋的约束程度。

(a) 刮削破坏

(c) 切削弯折破坏

3.2 切削钢筋长度分析

试验后分别对2种不同刀具切削的钢筋数量和长度进行统计，结果见表2和图11。

表2 滚刀和撕裂刀切筋统计

根据表2及图11可以看出，滚刀切断钢筋总条数少于撕裂刀切断钢筋总条数，滚刀切断钢筋总条数57条，其中，钢筋长度700 mm以下的占比59.6%，700 mm以上的占比40.4%；撕裂刀切断钢筋总条数72条，其中，钢筋长度700 mm以下的占比79.2%，700 mm以上的占比20.8%。通过对比数据分析发现撕裂刀切削钢筋效果优于滚刀切削钢筋效果。

图11 滚刀和撕裂刀切削钢筋长度占比

3.3 刀具损伤分析

通过对滚刀、撕裂刀切削钢筋混凝土桩基的过程进行观察可知，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，滚刀碾压钢筋时呈滚动状态，因此钢筋未对滚刀刀圈造成局部损伤； 撕裂刀切削钢筋混凝土桩基时，撕裂刀垂直于掌子面随刀盘转动在混凝土面上摩擦滑动，通过刀盘推力压裂混凝土及侧向推力刮削混凝土和钢筋，试验中撕裂刀刀头损坏3把，其中1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。撕裂刀损坏情况如图12所示。

(a)

(b)

通过分析发现撕裂刀在掌子面摩擦滑动时会导致刀头合金发热，刀头温度升高。因为合金块与刀体基材材料不同，热膨胀系数不同，从而对焊缝处产生应力，再加上个别合金块焊接质量不佳，导致合金块与刀体基材从焊缝处分离，合金块掉落。刀具合金崩裂的主要原因是刀具两侧的坡角合金块因焊接质量和发热后掉落，对刀头中部的合金失去保护，中间合金块断面呈三角形无过渡坡角，合金块三角断面侵入钢筋混凝土后受到的侧向阻力过大导致合金脆性崩裂，在刀盘切削过程中，增加喷水或泡沫对刀具进行降温有利于保护刀头和改善渣土流动性。

3.4 刀盘振动分析

盾构刀盘振动可引起盾构安装部件振动，噪音升高，导致传动轴不均匀磨损，振动过大还会对盾构主轴承产生不利影响，降低主轴承的使用寿命，所以盾构的理想掘进过程是保持平稳连续掘进状态。滚刀和撕裂刀切削钢筋混凝土过程中监测得到的刀盘振动加速度如图13所示。

(a) 滚刀切削钢筋混凝土过程中刀盘振动波形

(b) 撕裂刀切削钢筋混凝土过程中刀盘振动波形

通过图13可以发现，滚刀刀具切削到钢筋时刀盘振动幅度和频率较小，撕裂刀刀具切削到钢筋时刀盘振动幅度和频率较大。通过分析发现，同等刀盘推进速度和刀盘转速条件下，撕裂刀接触钢筋时盾构刀盘振动比滚刀接触钢筋时大，并且出现了刀盘转矩瞬间增大导致刀盘卡死的现象。因此，纯撕裂刀刀盘切削钢筋混凝土产生的振动影响比滚刀刀盘切削钢筋混凝土时产生的振动影响大。所以在掘进过程中应选取合适的刀盘推进速度和刀盘转速以降低刀盘转矩和振动，降低过大振动对盾构设备、刀具以及地面沉降的不利影响。

3.5 掘进参数分析

3.5.1 滚刀切削钢筋混凝土桩基参数分析

滚刀切削钢筋混凝土桩基的掘进参数如表3所示。

表3 滚刀切削钢筋混凝土桩基的掘进参数统计

滚刀刀盘切削钢筋混凝土桩基试验共6组，根据表3统计数据分析及试验观察： 1)第1组掘进效率过低。2)针对第2、3、4组试验刀盘转速相同、刀盘推进速度逐渐加大、刀盘贯入度反馈值也逐渐变大时，第4组试验刀盘推力、转矩匹配较好，滚刀切削钢筋混凝土桩基效率较高。3)针对第4、5、6组刀盘推进速度和刀盘转速逐渐加大加快时，第5组掘进效率最好，盾构刀盘转动无卡滞现象，第6组推力较大，滚刀过钢筋时转矩瞬时跳跃较大，刀盘出现卡滞。则由分析可知，滚刀切削钢筋混凝土桩基掘进参数设置区间可为： 推进速度20～25 mm/min，刀盘转速1.0～1.2 r/min，此时刀盘的推力、转矩匹配较好，掘进效率较高，掘进过程连续平稳。

3.5.2 撕裂刀切削钢筋混凝土掘进参数分析

撕裂刀切削钢筋混凝土掘进参数统计如表4所示。

表4 撕裂刀切削钢筋混凝土桩基参数统计

撕裂刀切削钢筋混凝土试验共6组，根据表4统计数据分析及试验观察发现： 1)第1组掘进效率过低。2)通过对比第2、3、4组试验发现，刀盘转速相同的情况下，随着刀盘推进速度的提高，刀盘贯入度反馈值加大，刀盘推力、转矩增加较大，掘进效能也逐级提高。3)第4组掘进效率及刀盘推力、转矩匹配较好，盾构刀盘切削掘进无卡滞现象。4)通过第5、6组提高刀盘推进速度、加大刀盘转速试验，出现了卡顿、卡死现象。综上分析可知，第4组掘进效率较高，掘进参数匹配较好，提高刀盘推进速度将增加卡机风险，所以撕裂刀切削钢筋混凝土桩基的合理掘进参数可为： 刀盘转速1 r/min，刀盘推进速度15～20 mm/min。

3.5.3 滚刀、撕裂刀参数对比分析

通过2种刀具相同掘进参数下推力和转矩的对比分析发现： 1)滚刀刀盘切削钢筋混凝土桩基所用的推力较大，刀盘转矩却较小，主要是由于滚刀可以在混凝土面及钢筋上滚压转动使刀盘受到的阻力较小，滚刀挤压破碎混凝土的能力比撕裂刀强。2)撕裂刀切削钢筋混凝土所用的推力较滚刀小，转矩比滚刀大，主要是由于撕裂刀的切削机制与滚刀不同，撕裂刀在钢筋混凝土桩基上既产生正向压力又产生侧向力，掘进参数较滚刀切削钢筋混凝土桩基时波动较大，如掘进参数设置匹配不当，当撕裂刀遇到钢筋或贯入混凝土太深时容易造成刀盘转矩瞬间增大，卡死刀盘导致停机。

鉴于2种刀具单独切削钢筋混凝土桩基各有优点和缺点，建议实际运用时可采用滚刀与撕裂刀组合配置，在刀盘局部原滚刀位置安装加高刀体的可替换撕裂刀或在刀盘局部位置焊接加高撕裂刀，使撕裂刀与滚刀在轨迹平面上间隔布置。撕裂刀可高出滚刀30～50 mm，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，最终使刀具刃高在刀具轨迹展开平面上呈锯齿状排列。滚刀与撕裂刀组合配置的方法可充分利用撕裂刀切筋的优点和滚刀破岩能力大的优点，采用先切后破、切破互补的原理最大限度地发挥设备优势，达到盾构刀盘直接切削桩基连续掘进的目的。

4 工程运用

试验成果用于以色列特拉维夫红线西段地铁5#、6#线工程。该工程项目位于市政道路下方，沿线分布诸多多层建筑，且穿越了河流、公路、铁路及隧道、桥梁及多处市政管线设施结构。隧道全长23 km，盾构法施工段8.6 km，主要穿越Kurlar(凝砂块)结构的K1、K2、K3地层。

5#和6#盾构自始发井始发后要依次穿越高速公路、河道、铁路，且河道护堤桩基全部侵入隧道整个开挖断面。穿越的Ayalon河挡土结构为含土层锚杆的L型钢筋混凝土挡土结构，结构下部是钻孔桩基础。隧道穿越河道挡墙桩基断面如图14所示。

图14 隧道穿越河道挡墙桩基断面图(单位： m)

该项目采用中铁工程装备集团制造的盾构施工。该盾构设计刀盘开挖直径为7 530 mm，刀盘驱动功率为1 600 kW(电机驱动)，额定转矩为11 600 kN·m，最大推力为5 575 t，主动铰接形式；螺旋输送机驱动功率为315 kW，内径960 mm；盾构总质量约为780 t，盾构总长约为100 m。采用复合刀盘，在盾构穿越前对桩基及挡墙进行加固处理并对盾构刀盘刀具进行优化组合配置。

始发前在河道内做半边围堰加固，围堰范围为桩基加固区域外扩2 m； 并做旋喷加固，加固范围为沿挡墙布置，隧道底部2.5 m，隧道顶部2.5 m，盾构掘进方向前8.93 m，后5.6 m，隧道两侧2.5 m。

对盾构刀盘刀具进行优化布置： 在盾构刀盘上原滚刀安装位置间隔安装可替换加高撕裂刀，相邻两撕裂刀轨迹之间安装滚刀，使可替换撕裂刀与滚刀轨迹线展开平面呈锯齿桩排列。盾构刀具组合配置见图15。

图15 盾构刀具组合布置图

盾构通过桩基时推进速度为10～18 mm/min，刀盘转速为1.2 r/min，测得盾构总推力平均值为18 158.56 kN，转矩平均值为4 449.36 kN·m，盾构掘进较平稳，振动较小，刀具切桩切削的钢筋通过螺旋输送机输出，钢筋长度为200～700 mm，未出现盾构刀盘、螺旋输送机卡死的现象，实现了连续掘进。另外，河堤最大沉降在10 mm内，河堤混凝土挡墙未出现开裂的现象，盾构直接切削钢筋混凝土桩基顺利通过河堤桩基区域。

5 结论与建议

通过开展2种不同刀具切削钢筋混凝土桩基室内试验研究及工程实践运用，得出了以下结论：

1)当采用盾构全盘滚刀切削钢筋混凝土桩基时，盾构掘进顺畅，盾构振动频率及振幅小，掘进参数较好控制，但切削的长钢筋无法通过螺旋输送机排出。

2)当采用盾构全盘撕裂刀切削钢筋混凝土桩基时，切断的长度小于700 mm的钢筋占总数的80%，较全盘滚刀切削效果好。但盾构的刀盘振动频率及振幅较大，对混凝土桩基的冲击较大，不利于沉降控制，对设备本身产生不利影响，且刀盘推力过大、推进速度过快时将增加刀盘卡死的风险，局部撕裂刀可能损坏，部分未完全断裂的长钢筋也无法通过螺旋输送机排出。

3)以以色列地铁项目为背景，采用刀盘上高低组合配置撕裂刀和滚刀的方式，利用不同刀具的切削原理及优势控制钢筋切断长度，有效地将钢筋切断、切短，保证现钢筋节随渣土顺利通过螺旋输送机排出，避免了因长钢筋导致的卡机故障和开舱风险。现场证明该方案对钢筋混凝土桩基的切削效果较好，提高了施工效率及经济效益。

4)试验只验证了2种刀具切削钢筋混凝土桩基的效果，但对于切削钢筋混凝土桩基的新型刀具研发以及泥水盾构切削钢筋混凝土桩基时钢筋的排出问题需要进一步探讨研究。