盾構(gòu)刀盤切削鋼筋混凝土樁基室內(nèi)試驗(yàn)研究

許華國， 陳 饋， 孫振川

(1. 盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河南 鄭州 450001； 2. 中鐵隧道局集團(tuán)有限公司， 廣東 廣州 511458)

0 引言

隨著城市地下空間的開發(fā)建設(shè)，地鐵及地下管廊工程大量采用盾構(gòu)法施工。在盾構(gòu)施工中，常常會(huì)遇到既有建筑物樁基礎(chǔ)及地下廢棄構(gòu)筑物的情況。采用傳統(tǒng)改線避讓、地面拔樁、 開挖豎井鑿樁等處理方法，不但對(duì)周邊環(huán)境影響極大，而且施工成本高、工期長。相比傳統(tǒng)清障方法，盾構(gòu)刀盤直接切削鋼筋混凝土穿越樁基更加經(jīng)濟(jì)、高效。

在盾構(gòu)穿越鋼筋混凝土樁基施工方面，國內(nèi)已開展了相關(guān)研究。劉建衛(wèi)[1]開展了盾構(gòu)穿越城市建(構(gòu))筑物樁基的施工技術(shù)研究。徐前衛(wèi)等[2]對(duì)地鐵盾構(gòu)隧道穿越橋梁下方群樁基礎(chǔ)的托換與除樁技術(shù)進(jìn)行了研究。王飛等[3-4]對(duì)切削鋼筋混凝土樁基的貝殼刀具刃口進(jìn)行了研究，并在蘇州項(xiàng)目進(jìn)行了貝殼刀直接切削鋼筋混凝土樁基現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。張立亞等[5]對(duì)地鐵盾構(gòu)隧道切樁穿越建筑群的沉降影響進(jìn)行了研究，分析了盾構(gòu)切樁穿越對(duì)住宅樓的變形影響。岳鵬飛等[6]對(duì)盾構(gòu)施工穿越建筑物樁基的影響進(jìn)行了研究。陳海豐等[7]開展了盾構(gòu)直接切削大直徑樁基的掘削參數(shù)研究，證明在掘削參數(shù)設(shè)置合理的情況下，盾構(gòu)切削鋼筋混凝土樁基是可行的。傅德明等[8]在上海軌道交通10號(hào)線5.1標(biāo)對(duì)軟土盾構(gòu)直接切削鋼筋混凝土樁基施工進(jìn)行了研究。鄭堅(jiān)[9]對(duì)上海軌道交通10號(hào)線溧陽路站—曲陽路站區(qū)間隧道穿越樁基礎(chǔ)的盾構(gòu)進(jìn)行了改造研究。侯克忠等[10]對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)采用的特種刀具進(jìn)行了研究與制備。滕麗[11]采用小直徑(400 mm)盾構(gòu)模擬平臺(tái)，進(jìn)行了先行貝殼刀切削C20素混凝土試驗(yàn)。楊自華等[12]開展了泥水盾構(gòu)穿越樁基礎(chǔ)掘進(jìn)施工技術(shù)研究。符敏[13]介紹了盾構(gòu)切削鋼筋混凝土樁基穿越廠房所采取的技術(shù)措施。杜闖東[14]開展了侵入盾構(gòu)隧道樁基人工挖孔處理技術(shù)研究。王虹等[15]對(duì)盾構(gòu)穿越建筑物樁基群的施工重難點(diǎn)進(jìn)行了分析總結(jié)。雖然國內(nèi)眾多工程也嘗試性地采用了盾構(gòu)直接切削鋼筋混凝土樁基的處理方式，但往往由于沒有對(duì)穿越鋼筋混凝土樁基的盾構(gòu)刀具配置進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)，導(dǎo)致配置的刀具切削鋼筋效果不佳，切削鋼筋斷裂長度過大，進(jìn)而導(dǎo)致長鋼筋纏繞盾構(gòu)刀盤，螺旋輸送機(jī)被長鋼筋卡死，造成停機(jī)故障，因此常常需要開艙取出卡在刀盤上及螺旋機(jī)內(nèi)的長鋼筋，不但影響施工進(jìn)度，增加施工成本，而且開艙風(fēng)險(xiǎn)也較大。

為解決盾構(gòu)穿越鋼筋混凝土樁基的工程難題，開展了盾構(gòu)刀盤直接切削鋼筋混凝土樁基的室內(nèi)試驗(yàn)研究，對(duì)切削樁基效果、鋼筋破壞形態(tài)、刀盤振動(dòng)特性及刀具損傷形式進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，評(píng)價(jià)了滾刀和撕裂刀切削混凝土樁基的優(yōu)缺點(diǎn)； 并研究了掘進(jìn)參數(shù)對(duì)盾構(gòu)刀盤直接切削鋼筋混凝土樁基的影響特征，得出了合理的掘進(jìn)參數(shù)。以期提供一種將鋼筋切斷切短并能通過螺旋輸送機(jī)直接排出的方法，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)安全高效順利穿越地下鋼筋混凝土樁基的目的。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用TBM模態(tài)掘進(jìn)試驗(yàn)平臺(tái)，該試驗(yàn)平臺(tái)主驅(qū)動(dòng)采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)方式，4缸同步推進(jìn)系統(tǒng)。最大總推力為40 000 kN，額定轉(zhuǎn)矩為250 kN·m，刀盤直徑為2 500 mm，刀盤面板可安裝11把17英寸(43.18 cm)滾刀或替換刀具。試驗(yàn)平臺(tái)具有刀間距80～100 mm可調(diào)節(jié)、不同種類刀具可相互替換的特點(diǎn)，可保持垂直姿態(tài)(見圖1)或水平姿態(tài)2種掘進(jìn)方式。

圖1 TBM模態(tài)掘進(jìn)試驗(yàn)臺(tái)

本次試驗(yàn)采用17英寸(43.18 cm)滾刀和撕裂刀2種刀具，試驗(yàn)臺(tái)搭載無線加速度傳感器對(duì)盾構(gòu)刀盤切削鋼筋混凝土樁基產(chǎn)生的振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。試驗(yàn)刀具及傳感器如圖2所示。

(a) 17英寸(43.18 cm)滾刀

(c) 振動(dòng)測(cè)試無線加速度傳感器

1.2 試驗(yàn)制樣

試驗(yàn)巖樣按1∶1比例將圓樁和方樁平行布置于同一巖箱內(nèi)，圓樁直徑為1 200 mm，另一側(cè)方樁尺寸為400 mm×450 mm。圓樁和方樁內(nèi)主筋采用HRB400直徑25 mm的螺紋鋼，箍筋采用HPB235直徑10 mm的光圓鋼筋。將焊接好的鋼筋籠放入試驗(yàn)臺(tái)巖箱模具內(nèi)，將鋼筋籠兩端的鋼筋焊接固定于巖箱內(nèi)側(cè)，模擬混凝土樁基上下兩端約束在隧道掌子面外土層的情況。巖箱制樣布置如圖3所示，鋼筋籠安裝如圖4所示。

圖3 巖箱制樣布置圖(單位： mm)

圖4 巖箱鋼筋籠安裝圖

鋼筋籠安裝固定完成后進(jìn)行混凝土模板支設(shè)，在支好的樁基模板內(nèi)澆筑C35混凝土，2 d后拆除模板。澆筑成型后的鋼筋混凝土樁基如圖5所示。

圖5 澆筑成型后的鋼筋混凝土樁基

在巖箱內(nèi)混凝土樁外空隙部位澆筑填充M2.5水泥砂漿，模擬樁基周圍進(jìn)行注漿加固后的土層。待混凝土樁養(yǎng)護(hù)28 d達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后進(jìn)行樁基切削試驗(yàn)。制作完成后的巖樣如圖6所示。

2 掘進(jìn)切削試驗(yàn)

根據(jù)方案進(jìn)行鋼筋混凝土樁基切削試驗(yàn)，2種不同的刀具切削鋼筋混凝土?xí)r均采取不同的刀盤推進(jìn)速度根據(jù)刀盤轉(zhuǎn)速的不同各設(shè)置6組試驗(yàn)，具體掘進(jìn)參數(shù)設(shè)置見表1，其中第1組為試樣表層試掘進(jìn)組。

圖6 制作完成后的巖樣

表1 掘進(jìn)參數(shù)

2.1 滾刀掘進(jìn)切削試驗(yàn)

采用全盤17英寸(43.18 cm)滾刀切割鋼筋混凝土樁基試驗(yàn)，先將豎直狀態(tài)的TBM模態(tài)掘進(jìn)試驗(yàn)臺(tái)翻轉(zhuǎn)90°呈水平狀態(tài)，然后打開推進(jìn)泵，刀盤不接觸巖盤，分別旋轉(zhuǎn)推力電位計(jì)和轉(zhuǎn)速電位計(jì)，測(cè)試空轉(zhuǎn)空推情況下刀盤的推力和轉(zhuǎn)矩。將盾構(gòu)刀盤勻速推進(jìn)接近巖面，根據(jù)表1預(yù)設(shè)的掘進(jìn)參數(shù)由第1組至第6組依次調(diào)節(jié)設(shè)置刀盤推進(jìn)速度、刀盤轉(zhuǎn)速進(jìn)行掘進(jìn)試驗(yàn)。在試驗(yàn)過程中記錄刀盤推力、轉(zhuǎn)矩的變化以及刀盤振動(dòng)的情況。滾刀切削鋼筋混凝土樁基的破壞形態(tài)如圖7所示。

圖7 滾刀切削鋼筋混凝土樁基的破壞形態(tài)

2.2 撕裂刀掘進(jìn)切削試驗(yàn)

采用全盤撕裂刀切割鋼筋混凝土樁基試驗(yàn)，先將豎直狀態(tài)的TBM模態(tài)掘進(jìn)試驗(yàn)臺(tái)翻轉(zhuǎn)90°呈水平狀態(tài)，測(cè)試空轉(zhuǎn)空推情況下刀盤的推力和轉(zhuǎn)矩。將盾構(gòu)刀盤勻速推進(jìn)接近巖面，按照表1預(yù)設(shè)的掘進(jìn)參數(shù)，由第1組至第6組依次調(diào)節(jié)刀盤推進(jìn)速度、刀盤轉(zhuǎn)速進(jìn)行掘削試驗(yàn)。在試驗(yàn)過程中記錄刀盤推力、轉(zhuǎn)矩的變化以及刀盤振動(dòng)情況。 撕裂刀切削鋼筋混凝土樁基的破壞形態(tài)如圖8所示。

圖8 撕裂刀切削鋼筋混凝土樁基的破壞形態(tài)

3 掘進(jìn)切削試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 切削鋼筋斷口分析

通過對(duì)全盤滾刀切削鋼筋混凝土樁基的鋼筋斷口形式分析發(fā)現(xiàn)，滾刀切削鋼筋的原理主要是盾構(gòu)刀盤受油缸推力和刀盤旋轉(zhuǎn)作用下，滾刀接觸碾壓鋼筋，鋼筋局部受壓后，產(chǎn)生應(yīng)力集中，壓痕局部變硬變脆，鋼筋壓痕邊緣與非壓區(qū)產(chǎn)生剪應(yīng)力，在滾刀反復(fù)循環(huán)碾壓中產(chǎn)生翹曲彎折，最終鋼筋斷裂。由于滾刀刀刃邊緣倒角圓潤不鋒利，當(dāng)混凝土被滾刀碾壓破壞后會(huì)使鋼筋失去約束，失去約束的長鋼筋隨刀盤旋轉(zhuǎn)彎曲纏繞，容易卡在刀盤上，不易被切斷。滾刀切削鋼筋的破壞形態(tài)如圖9所示。

通過對(duì)全盤撕裂刀切削鋼筋混凝土樁基的過程進(jìn)行觀察及鋼筋斷口形式進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，撕裂刀在刀盤推力作用下，垂直于掌子面對(duì)混凝土和鋼筋產(chǎn)生正向擠壓作用。在刀盤旋轉(zhuǎn)作用下，撕裂刀隨刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)混凝土和鋼筋產(chǎn)生側(cè)向刮削作用。在正向擠壓和側(cè)向刮削2種作用力下撕裂刀對(duì)鋼筋混凝土樁基產(chǎn)生切削破壞。撕裂刀切削鋼筋的破壞形式主要有刮削破壞、切削破壞、切削彎折破壞和完全切斷破壞(如圖10所示)，其中，鋼筋完全切斷的占少數(shù)，切削彎折破壞的鋼筋占大多數(shù)。鋼筋的斷裂長度及斷口形式取決于混凝土對(duì)鋼筋的約束程度。

(a) 刮削破壞

(c) 切削彎折破壞

3.2 切削鋼筋長度分析

試驗(yàn)后分別對(duì)2種不同刀具切削的鋼筋數(shù)量和長度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表2和圖11。

表2 滾刀和撕裂刀切筋統(tǒng)計(jì)

根據(jù)表2及圖11可以看出，滾刀切斷鋼筋總條數(shù)少于撕裂刀切斷鋼筋總條數(shù)，滾刀切斷鋼筋總條數(shù)57條，其中，鋼筋長度700 mm以下的占比59.6%，700 mm以上的占比40.4%；撕裂刀切斷鋼筋總條數(shù)72條，其中，鋼筋長度700 mm以下的占比79.2%，700 mm以上的占比20.8%。通過對(duì)比數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)撕裂刀切削鋼筋效果優(yōu)于滾刀切削鋼筋效果。

圖11 滾刀和撕裂刀切削鋼筋長度占比

3.3 刀具損傷分析

通過對(duì)滾刀、撕裂刀切削鋼筋混凝土樁基的過程進(jìn)行觀察可知，滾刀碾壓破壞鋼筋時(shí)，由于滾刀刀圈合金鋼材料硬度較鋼筋高，滾刀碾壓鋼筋時(shí)呈滾動(dòng)狀態(tài)，因此鋼筋未對(duì)滾刀刀圈造成局部損傷； 撕裂刀切削鋼筋混凝土樁基時(shí)，撕裂刀垂直于掌子面隨刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)在混凝土面上摩擦滑動(dòng)，通過刀盤推力壓裂混凝土及側(cè)向推力刮削混凝土和鋼筋，試驗(yàn)中撕裂刀刀頭損壞3把，其中1把為撕裂刀中部合金脆性崩裂，2把為刀具兩側(cè)合金整塊從刀體脫焊掉落。撕裂刀損壞情況如圖12所示。

(a)

(b)

通過分析發(fā)現(xiàn)撕裂刀在掌子面摩擦滑動(dòng)時(shí)會(huì)導(dǎo)致刀頭合金發(fā)熱，刀頭溫度升高。因?yàn)楹辖饓K與刀體基材材料不同，熱膨脹系數(shù)不同，從而對(duì)焊縫處產(chǎn)生應(yīng)力，再加上個(gè)別合金塊焊接質(zhì)量不佳，導(dǎo)致合金塊與刀體基材從焊縫處分離，合金塊掉落。刀具合金崩裂的主要原因是刀具兩側(cè)的坡角合金塊因焊接質(zhì)量和發(fā)熱后掉落，對(duì)刀頭中部的合金失去保護(hù)，中間合金塊斷面呈三角形無過渡坡角，合金塊三角斷面侵入鋼筋混凝土后受到的側(cè)向阻力過大導(dǎo)致合金脆性崩裂，在刀盤切削過程中，增加噴水或泡沫對(duì)刀具進(jìn)行降溫有利于保護(hù)刀頭和改善渣土流動(dòng)性。

3.4 刀盤振動(dòng)分析

盾構(gòu)刀盤振動(dòng)可引起盾構(gòu)安裝部件振動(dòng)，噪音升高，導(dǎo)致傳動(dòng)軸不均勻磨損，振動(dòng)過大還會(huì)對(duì)盾構(gòu)主軸承產(chǎn)生不利影響，降低主軸承的使用壽命，所以盾構(gòu)的理想掘進(jìn)過程是保持平穩(wěn)連續(xù)掘進(jìn)狀態(tài)。滾刀和撕裂刀切削鋼筋混凝土過程中監(jiān)測(cè)得到的刀盤振動(dòng)加速度如圖13所示。

(a) 滾刀切削鋼筋混凝土過程中刀盤振動(dòng)波形

(b) 撕裂刀切削鋼筋混凝土過程中刀盤振動(dòng)波形

通過圖13可以發(fā)現(xiàn)，滾刀刀具切削到鋼筋時(shí)刀盤振動(dòng)幅度和頻率較小，撕裂刀刀具切削到鋼筋時(shí)刀盤振動(dòng)幅度和頻率較大。通過分析發(fā)現(xiàn)，同等刀盤推進(jìn)速度和刀盤轉(zhuǎn)速條件下，撕裂刀接觸鋼筋時(shí)盾構(gòu)刀盤振動(dòng)比滾刀接觸鋼筋時(shí)大，并且出現(xiàn)了刀盤轉(zhuǎn)矩瞬間增大導(dǎo)致刀盤卡死的現(xiàn)象。因此，純撕裂刀刀盤切削鋼筋混凝土產(chǎn)生的振動(dòng)影響比滾刀刀盤切削鋼筋混凝土?xí)r產(chǎn)生的振動(dòng)影響大。所以在掘進(jìn)過程中應(yīng)選取合適的刀盤推進(jìn)速度和刀盤轉(zhuǎn)速以降低刀盤轉(zhuǎn)矩和振動(dòng)，降低過大振動(dòng)對(duì)盾構(gòu)設(shè)備、刀具以及地面沉降的不利影響。

3.5 掘進(jìn)參數(shù)分析

3.5.1 滾刀切削鋼筋混凝土樁基參數(shù)分析

滾刀切削鋼筋混凝土樁基的掘進(jìn)參數(shù)如表3所示。

表3 滾刀切削鋼筋混凝土樁基的掘進(jìn)參數(shù)統(tǒng)計(jì)

滾刀刀盤切削鋼筋混凝土樁基試驗(yàn)共6組，根據(jù)表3統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析及試驗(yàn)觀察： 1)第1組掘進(jìn)效率過低。2)針對(duì)第2、3、4組試驗(yàn)刀盤轉(zhuǎn)速相同、刀盤推進(jìn)速度逐漸加大、刀盤貫入度反饋值也逐漸變大時(shí)，第4組試驗(yàn)刀盤推力、轉(zhuǎn)矩匹配較好，滾刀切削鋼筋混凝土樁基效率較高。3)針對(duì)第4、5、6組刀盤推進(jìn)速度和刀盤轉(zhuǎn)速逐漸加大加快時(shí)，第5組掘進(jìn)效率最好，盾構(gòu)刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)無卡滯現(xiàn)象，第6組推力較大，滾刀過鋼筋時(shí)轉(zhuǎn)矩瞬時(shí)跳躍較大，刀盤出現(xiàn)卡滯。則由分析可知，滾刀切削鋼筋混凝土樁基掘進(jìn)參數(shù)設(shè)置區(qū)間可為： 推進(jìn)速度20～25 mm/min，刀盤轉(zhuǎn)速1.0～1.2 r/min，此時(shí)刀盤的推力、轉(zhuǎn)矩匹配較好，掘進(jìn)效率較高，掘進(jìn)過程連續(xù)平穩(wěn)。

3.5.2 撕裂刀切削鋼筋混凝土掘進(jìn)參數(shù)分析

撕裂刀切削鋼筋混凝土掘進(jìn)參數(shù)統(tǒng)計(jì)如表4所示。

表4 撕裂刀切削鋼筋混凝土樁基參數(shù)統(tǒng)計(jì)

撕裂刀切削鋼筋混凝土試驗(yàn)共6組，根據(jù)表4統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析及試驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)： 1)第1組掘進(jìn)效率過低。2)通過對(duì)比第2、3、4組試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，刀盤轉(zhuǎn)速相同的情況下，隨著刀盤推進(jìn)速度的提高，刀盤貫入度反饋值加大，刀盤推力、轉(zhuǎn)矩增加較大，掘進(jìn)效能也逐級(jí)提高。3)第4組掘進(jìn)效率及刀盤推力、轉(zhuǎn)矩匹配較好，盾構(gòu)刀盤切削掘進(jìn)無卡滯現(xiàn)象。4)通過第5、6組提高刀盤推進(jìn)速度、加大刀盤轉(zhuǎn)速試驗(yàn)，出現(xiàn)了卡頓、卡死現(xiàn)象。綜上分析可知，第4組掘進(jìn)效率較高，掘進(jìn)參數(shù)匹配較好，提高刀盤推進(jìn)速度將增加卡機(jī)風(fēng)險(xiǎn)，所以撕裂刀切削鋼筋混凝土樁基的合理掘進(jìn)參數(shù)可為： 刀盤轉(zhuǎn)速1 r/min，刀盤推進(jìn)速度15～20 mm/min。

3.5.3 滾刀、撕裂刀參數(shù)對(duì)比分析

通過2種刀具相同掘進(jìn)參數(shù)下推力和轉(zhuǎn)矩的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)： 1)滾刀刀盤切削鋼筋混凝土樁基所用的推力較大，刀盤轉(zhuǎn)矩卻較小，主要是由于滾刀可以在混凝土面及鋼筋上滾壓轉(zhuǎn)動(dòng)使刀盤受到的阻力較小，滾刀擠壓破碎混凝土的能力比撕裂刀強(qiáng)。2)撕裂刀切削鋼筋混凝土所用的推力較滾刀小，轉(zhuǎn)矩比滾刀大，主要是由于撕裂刀的切削機(jī)制與滾刀不同，撕裂刀在鋼筋混凝土樁基上既產(chǎn)生正向壓力又產(chǎn)生側(cè)向力，掘進(jìn)參數(shù)較滾刀切削鋼筋混凝土樁基時(shí)波動(dòng)較大，如掘進(jìn)參數(shù)設(shè)置匹配不當(dāng)，當(dāng)撕裂刀遇到鋼筋或貫入混凝土太深時(shí)容易造成刀盤轉(zhuǎn)矩瞬間增大，卡死刀盤導(dǎo)致停機(jī)。

鑒于2種刀具單獨(dú)切削鋼筋混凝土樁基各有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，建議實(shí)際運(yùn)用時(shí)可采用滾刀與撕裂刀組合配置，在刀盤局部原滾刀位置安裝加高刀體的可替換撕裂刀或在刀盤局部位置焊接加高撕裂刀，使撕裂刀與滾刀在軌跡平面上間隔布置。撕裂刀可高出滾刀30～50 mm，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(duì)鋼筋的握裹程度來確定，最終使刀具刃高在刀具軌跡展開平面上呈鋸齒狀排列。滾刀與撕裂刀組合配置的方法可充分利用撕裂刀切筋的優(yōu)點(diǎn)和滾刀破巖能力大的優(yōu)點(diǎn)，采用先切后破、切破互補(bǔ)的原理最大限度地發(fā)揮設(shè)備優(yōu)勢(shì)，達(dá)到盾構(gòu)刀盤直接切削樁基連續(xù)掘進(jìn)的目的。

4 工程運(yùn)用

試驗(yàn)成果用于以色列特拉維夫紅線西段地鐵5#、6#線工程。該工程項(xiàng)目位于市政道路下方，沿線分布諸多多層建筑，且穿越了河流、公路、鐵路及隧道、橋梁及多處市政管線設(shè)施結(jié)構(gòu)。隧道全長23 km，盾構(gòu)法施工段8.6 km，主要穿越Kurlar(凝砂塊)結(jié)構(gòu)的K1、K2、K3地層。

5#和6#盾構(gòu)自始發(fā)井始發(fā)后要依次穿越高速公路、河道、鐵路，且河道護(hù)堤樁基全部侵入隧道整個(gè)開挖斷面。穿越的Ayalon河擋土結(jié)構(gòu)為含土層錨桿的L型鋼筋混凝土擋土結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)下部是鉆孔樁基礎(chǔ)。隧道穿越河道擋墻樁基斷面如圖14所示。

圖14 隧道穿越河道擋墻樁基斷面圖(單位： m)

該項(xiàng)目采用中鐵工程裝備集團(tuán)制造的盾構(gòu)施工。該盾構(gòu)設(shè)計(jì)刀盤開挖直徑為7 530 mm，刀盤驅(qū)動(dòng)功率為1 600 kW(電機(jī)驅(qū)動(dòng))，額定轉(zhuǎn)矩為11 600 kN·m，最大推力為5 575 t，主動(dòng)鉸接形式；螺旋輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)功率為315 kW，內(nèi)徑960 mm；盾構(gòu)總質(zhì)量約為780 t，盾構(gòu)總長約為100 m。采用復(fù)合刀盤，在盾構(gòu)穿越前對(duì)樁基及擋墻進(jìn)行加固處理并對(duì)盾構(gòu)刀盤刀具進(jìn)行優(yōu)化組合配置。

始發(fā)前在河道內(nèi)做半邊圍堰加固，圍堰范圍為樁基加固區(qū)域外擴(kuò)2 m； 并做旋噴加固，加固范圍為沿?fù)鯄Σ贾?，隧道底?.5 m，隧道頂部2.5 m，盾構(gòu)掘進(jìn)方向前8.93 m，后5.6 m，隧道兩側(cè)2.5 m。

對(duì)盾構(gòu)刀盤刀具進(jìn)行優(yōu)化布置： 在盾構(gòu)刀盤上原滾刀安裝位置間隔安裝可替換加高撕裂刀，相鄰兩撕裂刀軌跡之間安裝滾刀，使可替換撕裂刀與滾刀軌跡線展開平面呈鋸齒樁排列。盾構(gòu)刀具組合配置見圖15。

圖15 盾構(gòu)刀具組合布置圖

盾構(gòu)通過樁基時(shí)推進(jìn)速度為10～18 mm/min，刀盤轉(zhuǎn)速為1.2 r/min，測(cè)得盾構(gòu)總推力平均值為18 158.56 kN，轉(zhuǎn)矩平均值為4 449.36 kN·m，盾構(gòu)掘進(jìn)較平穩(wěn)，振動(dòng)較小，刀具切樁切削的鋼筋通過螺旋輸送機(jī)輸出，鋼筋長度為200～700 mm，未出現(xiàn)盾構(gòu)刀盤、螺旋輸送機(jī)卡死的現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)掘進(jìn)。另外，河堤最大沉降在10 mm內(nèi)，河堤混凝土擋墻未出現(xiàn)開裂的現(xiàn)象，盾構(gòu)直接切削鋼筋混凝土樁基順利通過河堤樁基區(qū)域。

5 結(jié)論與建議

通過開展2種不同刀具切削鋼筋混凝土樁基室內(nèi)試驗(yàn)研究及工程實(shí)踐運(yùn)用，得出了以下結(jié)論：

1)當(dāng)采用盾構(gòu)全盤滾刀切削鋼筋混凝土樁基時(shí)，盾構(gòu)掘進(jìn)順暢，盾構(gòu)振動(dòng)頻率及振幅小，掘進(jìn)參數(shù)較好控制，但切削的長鋼筋無法通過螺旋輸送機(jī)排出。

2)當(dāng)采用盾構(gòu)全盤撕裂刀切削鋼筋混凝土樁基時(shí)，切斷的長度小于700 mm的鋼筋占總數(shù)的80%，較全盤滾刀切削效果好。但盾構(gòu)的刀盤振動(dòng)頻率及振幅較大，對(duì)混凝土樁基的沖擊較大，不利于沉降控制，對(duì)設(shè)備本身產(chǎn)生不利影響，且刀盤推力過大、推進(jìn)速度過快時(shí)將增加刀盤卡死的風(fēng)險(xiǎn)，局部撕裂刀可能損壞，部分未完全斷裂的長鋼筋也無法通過螺旋輸送機(jī)排出。

3)以以色列地鐵項(xiàng)目為背景，采用刀盤上高低組合配置撕裂刀和滾刀的方式，利用不同刀具的切削原理及優(yōu)勢(shì)控制鋼筋切斷長度，有效地將鋼筋切斷、切短，保證現(xiàn)鋼筋節(jié)隨渣土順利通過螺旋輸送機(jī)排出，避免了因長鋼筋導(dǎo)致的卡機(jī)故障和開艙風(fēng)險(xiǎn)。現(xiàn)場(chǎng)證明該方案對(duì)鋼筋混凝土樁基的切削效果較好，提高了施工效率及經(jīng)濟(jì)效益。

4)試驗(yàn)只驗(yàn)證了2種刀具切削鋼筋混凝土樁基的效果，但對(duì)于切削鋼筋混凝土樁基的新型刀具研發(fā)以及泥水盾構(gòu)切削鋼筋混凝土樁基時(shí)鋼筋的排出問題需要進(jìn)一步探討研究。