盾構(gòu)直接切削φ25 mm主筋鋼筋混凝土樁基可行性研究

李宏波

(1. 盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國(guó)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

盾構(gòu)法在我國(guó)地鐵隧道建設(shè)中發(fā)揮著重要作用，在地鐵隧道建設(shè)中經(jīng)常會(huì)遇到既有建(構(gòu))筑物樁基和隧道線(xiàn)路干涉情況。當(dāng)樁基侵入隧道開(kāi)挖斷面時(shí),一旦處理不當(dāng)就會(huì)引發(fā)重大工程事故[1-2]。傳統(tǒng)解決樁基干涉通常采用線(xiàn)路避讓、樁基破除、樁基托換等方法[3-6]。傳統(tǒng)樁基處理方法對(duì)環(huán)境影響較大,施工成本高,周期長(zhǎng)，探索盾構(gòu)直接切削破除樁基對(duì)提高施工效率、降低施工成本及安全施工具有重要意義。

盾構(gòu)直接切削鋼筋混凝土樁基案例如下： 上海地鐵10號(hào)線(xiàn)盾構(gòu)直接切削33根尺寸為400 mm×400 mm的沙徑港橋樁，樁基主筋直徑最大為18 mm； 廣州地鐵3號(hào)線(xiàn)盾構(gòu)直接切削19根直徑為500～800 mm的樁基，樁基主筋直徑最大為16 mm； 天津地鐵7號(hào)線(xiàn)盾構(gòu)直接切削36根尺寸為350 mm×350 mm的鋼筋混凝土方樁，樁基主筋直徑最大為16 mm； 蘇州地鐵2號(hào)線(xiàn)盾構(gòu)直接切削14根直徑為1 000～2 000 mm的公路橋樁，樁基主筋直徑最大為22 mm。在國(guó)內(nèi)現(xiàn)有城市地鐵切削樁基案例中，盾構(gòu)直接切削樁基的主筋直徑最大為22 mm，在切削中出現(xiàn)了因斷筋較長(zhǎng)卡死螺旋輸送機(jī)，鋼筋未能有效切斷隨刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)卡死刀盤(pán)，因鋼筋主筋較粗及切削參數(shù)控制不合理導(dǎo)致切削效率極低、切樁過(guò)程刀盤(pán)沖擊振動(dòng)大、刀具磨損劇烈、切樁過(guò)程不平穩(wěn)引發(fā)地表沉降等事故。

針對(duì)上述問(wèn)題： 唐仁等[7]研究了盾構(gòu)切樁剩余基樁沉降及承載力計(jì)算問(wèn)題，為盾構(gòu)直接切樁沉降控制提供了技術(shù)支撐；王營(yíng)建[8]研究了泥水盾構(gòu)在復(fù)合地層切樁施工參數(shù)控制技術(shù)；李東海[9]研究了盾構(gòu)接收切樁過(guò)程參數(shù)設(shè)定與調(diào)整原則；王禹椋等[10]研究了盾構(gòu)切削樁基群對(duì)地表沉降的影響；陳海豐等[11]研究了盾構(gòu)切削大直徑橋梁群樁掘削參數(shù)變化特征，提出了掘削參數(shù)控制方案；符敏[12]研究了盾構(gòu)切削樁基下穿廠(chǎng)房參數(shù)控制技術(shù)；袁大軍等[13]、傅德明[14]研究了盾構(gòu)切削大直徑鋼筋混凝土樁基的新型刀具及刀具配置方法；王飛[15]研究了盾構(gòu)切削大直徑鋼筋混凝土群樁的相關(guān)機(jī)制和技術(shù)。

盡管盾構(gòu)切削樁基已有不少研究和實(shí)例，但盾構(gòu)能否直接切削φ25 mm主筋的大直徑鋼筋混凝土樁基尚需探索。隨著主筋直徑的增大，主筋和混凝土握裹力增大。主筋直徑增大為斷筋難度、斷筋排出、刀具配置及沖擊磨損帶來(lái)挑戰(zhàn)；握裹力增大給切削掘進(jìn)參數(shù)控制帶來(lái)挑戰(zhàn)，切削參數(shù)控制不合理會(huì)導(dǎo)致樁基沉降、傾斜等工程事故。本文依托TBM模態(tài)掘進(jìn)試驗(yàn)平臺(tái)模擬開(kāi)展?jié)L刀和撕裂刀切削樁基試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)鋼筋斷裂形態(tài)、受力特性、切削參數(shù)、刀具損壞及刀盤(pán)振動(dòng)特性綜合分析研究盾構(gòu)直接切削φ25 mm主筋的大直徑樁基的可行性，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)提出盾構(gòu)直接切削樁基的施工建議。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及步驟

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

切樁試驗(yàn)選用TBM模態(tài)掘進(jìn)試驗(yàn)平臺(tái)，該試驗(yàn)平臺(tái)是為真實(shí)模擬盾構(gòu)掘進(jìn)工況而設(shè)計(jì)的大型試驗(yàn)平臺(tái)。平臺(tái)最大推力為4 000 kN,裝備轉(zhuǎn)矩為250 kN·m,刀盤(pán)直徑為2.5 m,刀盤(pán)面板共11個(gè)刀箱,3個(gè)雙刃刀箱位,8個(gè)單刃刀具刀箱位,可根據(jù)試驗(yàn)需要靈活配置刀具,刀盤(pán)轉(zhuǎn)速可以在0～6 r/min調(diào)節(jié)。TBM模態(tài)掘進(jìn)試驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示。

圖1 TBM模態(tài)掘進(jìn)試驗(yàn)平臺(tái)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

盾構(gòu)直接切削樁基試驗(yàn)為探索盾構(gòu)直接切削φ25 mm主筋的大直徑鋼筋混凝土樁基可行性、鋼筋斷裂及受力特性、刀具配置及切削參數(shù)而設(shè)計(jì)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，試驗(yàn)刀具采用了全盤(pán)配置60.18 cm(17英寸)滾刀和全盤(pán)配置撕裂刀來(lái)模擬盾構(gòu)切樁。2種不同的刀盤(pán)配置如圖2所示。在刀盤(pán)本體、中心刀及邊刀刀座上分別布置無(wú)線(xiàn)加速度傳感器用于采集不同刀具配置切削鋼筋時(shí)的振動(dòng)信號(hào)。切削樁基刀盤(pán)如圖2所示。

(a) 滾刀刀盤(pán)

(b) 撕裂刀刀盤(pán)

全盤(pán)滾刀和全盤(pán)撕裂刀刀具布置切削模擬的試驗(yàn)巖樣均按照1∶1布置,模擬圓樁直徑為1.2 m,方樁尺寸為0.4 m×0.4 m。主筋采用φ25 mm的HRB400螺紋鋼,箍筋采用φ10 mm的光圓鋼筋，主筋焊接方式固定在巖箱上。為獲得刀具切削樁基時(shí)鋼筋的受力情況,分別在主筋上布設(shè)鋼筋應(yīng)力計(jì)，每間隔1根主筋布設(shè)1個(gè)應(yīng)力計(jì),其中圓樁共有5根主筋布設(shè)應(yīng)力計(jì),方樁在第1、2、4層主筋一端設(shè)置應(yīng)力計(jì)3個(gè)。切削樁基巖樣布置如圖3所示。

1.3 試驗(yàn)步驟及參數(shù)

鋼筋籠安裝完成后安置模板，首先澆筑C35混凝土完成樁基模型制作后拆模,在巖箱空隙處填充M2.5水泥砂漿,養(yǎng)護(hù)完成后開(kāi)展試驗(yàn)。每次試驗(yàn)以推進(jìn)速度控制為參考點(diǎn),通過(guò)設(shè)置不同的刀盤(pán)轉(zhuǎn)速觀(guān)察切削狀態(tài)。試驗(yàn)?zāi)M4種工況,推進(jìn)速度設(shè)置為3、5、7、10 mm/min,刀盤(pán)轉(zhuǎn)速設(shè)置為0.5、1.0、1.2、1.5 r/min。首先開(kāi)展全盤(pán)滾刀切削φ25 mm主筋的大直徑鋼筋混凝土樁基試驗(yàn),步驟如下。

1)啟動(dòng)TBM模態(tài)掘進(jìn)試驗(yàn)平臺(tái),設(shè)置刀盤(pán)轉(zhuǎn)速為1 r/min后啟動(dòng)刀盤(pán),開(kāi)啟系統(tǒng)推進(jìn)泵,控制推進(jìn)油缸,在刀盤(pán)接觸掌子面后記錄起始掘進(jìn)時(shí)間及油缸行程。

(a) 樁基及傳感器布置圖

(b) 鋼筋籠巖箱安裝圖

2)試掘進(jìn)30 mm深度,切削掉巖箱表層混凝土,試驗(yàn)平臺(tái)達(dá)到穩(wěn)態(tài)掘進(jìn)后停止推進(jìn)。

3)設(shè)定工況1： 推進(jìn)速度為3 mm/min,設(shè)置不同刀盤(pán)轉(zhuǎn)速掘進(jìn)100 mm,開(kāi)展鋼筋應(yīng)力計(jì)參數(shù)、刀盤(pán)振動(dòng)信號(hào)及裝備掘進(jìn)參數(shù)采集,停機(jī)收集切斷的鋼筋頭。

4)設(shè)定工況2： 推進(jìn)速度為5 mm/min,設(shè)置不同刀盤(pán)轉(zhuǎn)速掘進(jìn)100 mm,開(kāi)展鋼筋應(yīng)力計(jì)參數(shù)、刀盤(pán)振動(dòng)信號(hào)及裝備掘進(jìn)參數(shù)采集,停機(jī)收集切斷的鋼筋頭。

5)設(shè)定工況3： 推進(jìn)速度為7 mm/min,設(shè)置不同刀盤(pán)轉(zhuǎn)速掘進(jìn)100 mm,開(kāi)展鋼筋應(yīng)力計(jì)參數(shù)、刀盤(pán)振動(dòng)信號(hào)及裝備掘進(jìn)參數(shù)采集,停機(jī)收集切斷的鋼筋頭。

6)設(shè)定工況4： 推進(jìn)速度為10 mm/min，設(shè)置不同刀盤(pán)轉(zhuǎn)速掘進(jìn)100 mm,開(kāi)展鋼筋應(yīng)力計(jì)參數(shù)、刀盤(pán)振動(dòng)信號(hào)及裝備機(jī)器參數(shù)采集,停機(jī)收集切斷的鋼筋頭。

全盤(pán)滾刀切削φ25 mm主筋的大直徑鋼筋混凝土樁基試驗(yàn)完成后,將刀盤(pán)上刀具全部更換為撕裂刀,巖箱重新制作，達(dá)到掘進(jìn)條件后重復(fù)上述試驗(yàn)步驟。

2 試驗(yàn)分析

2.1 鋼筋斷裂形態(tài)分析

2.1.1 滾刀切削

通過(guò)全盤(pán)滾刀直接切削主筋為φ25 mm的大直徑鋼筋混凝土樁基試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，鋼筋破壞主要是依靠刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)和滾刀反復(fù)滾壓作用的效果。在系統(tǒng)推進(jìn)過(guò)程中鋼筋受到碾壓,碾壓區(qū)域瞬間產(chǎn)生應(yīng)力集中,應(yīng)力集中區(qū)鋼筋脆性硬度增加,然后隨著刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生彎折破壞。此外，在模擬樁基制作過(guò)程中,鋼筋兩端固定焊接約束在巖箱中,在鋼筋受壓的過(guò)程中,由于兩端固定約束的作用,鋼筋還承受了很大的拉應(yīng)力，鋼筋在側(cè)向沖擊力的作用下被拉斷。在切削鋼筋時(shí)，推進(jìn)速度不宜過(guò)快，當(dāng)推進(jìn)速度和刀盤(pán)轉(zhuǎn)速設(shè)置過(guò)高會(huì)導(dǎo)致滾刀貫入到巖箱上沒(méi)有鋼筋布置的區(qū)域，隨著刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)側(cè)向沖擊力大于鋼筋在混凝土中的握裹力時(shí)，會(huì)導(dǎo)致鋼筋失去約束被整體拉出而卡死刀盤(pán)。滾刀切削鋼筋的斷面破壞形式主要有剪切破壞、碾壓破壞、拉壓破壞、壓扭破壞。滾刀切削鋼筋破壞如圖4所示，破壞形式占比如圖5所示。

(a) 剪切破壞

(b) 碾壓破壞

(c) 拉壓破壞

(d) 壓扭破壞

2.1.2 撕裂刀切削

通過(guò)全盤(pán)撕裂刀直接切削鋼筋混凝土樁基試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，撕裂刀對(duì)鋼筋的破壞集中在撕裂刀對(duì)鋼筋的刮削和正向擠壓切割。從切斷鋼筋的斷面來(lái)看,主要分為剪拉斷面和剪切斷面。剪拉斷面主要是鋼筋在撕裂刀刀刃的切割作用下使鋼筋橫截面積變小,同時(shí)鋼筋在刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)、拉伸等作用下,鋼筋在切割部位被拉斷或折斷； 剪切斷面由于混凝土對(duì)鋼筋具有足夠的握裹力,撕裂刀對(duì)鋼筋一直存在切割作用,直至鋼筋斷裂。撕裂刀切削鋼筋的破壞形式主要有剪拉破壞、剪切破壞、彎折破壞、刮削破壞。撕裂刀切削鋼筋破壞如圖6所示，破壞形式占比如圖7所示。

圖5 滾刀切削鋼筋破壞形式占比

(a) 剪拉破壞

(b) 剪切破壞

(c) 彎折拉壓破壞

(d) 刮削破壞

圖7 撕裂刀切削鋼筋破壞形式占比

2.1.3 滾刀和撕裂刀切削效果對(duì)比

盾構(gòu)在切削鋼筋過(guò)程中如果鋼筋斷裂較長(zhǎng)，一方面較長(zhǎng)鋼筋會(huì)隨著刀盤(pán)的旋轉(zhuǎn)卡死刀盤(pán)，另一方方面較長(zhǎng)鋼筋也難以隨著渣土通過(guò)螺旋輸送機(jī)排出。為了比較全盤(pán)滾刀和全盤(pán)撕裂刀對(duì)φ25 mm主筋的大直徑鋼筋混凝土樁基切削效果,對(duì)2類(lèi)刀具在工況2下對(duì)切削的斷筋長(zhǎng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。滾刀和撕裂刀切削效果比較如表1所示。

表1 滾刀和撕裂刀切削效果比較

通常鋼筋斷裂長(zhǎng)度大于500 mm時(shí)難以排出,400～500 mm時(shí)可以排出,小于400 mm時(shí)容易排出。由表1可以看出： 1)各個(gè)鋼筋的斷裂區(qū)間整體呈現(xiàn)正態(tài)分布趨勢(shì),滾刀切削鋼筋有效斷筋48個(gè),占整個(gè)鋼筋斷裂長(zhǎng)度的90.6%； 撕裂刀切削鋼筋有效斷筋41個(gè),占整個(gè)鋼筋斷裂長(zhǎng)度的85.4%。2)滾刀切削鋼筋容易排出的鋼筋占整個(gè)斷裂鋼筋的比例為73.6%； 撕裂刀切削鋼筋容易排出的鋼筋占整個(gè)斷裂鋼筋的比例為62.5%。從斷筋角度分析,滾刀切削效果優(yōu)于撕裂刀切削效果。

2.2 鋼筋切斷受力分析

為了獲取滾刀和撕裂刀切削鋼筋的受力變化規(guī)律,選取樁基最外層和次外層鋼筋開(kāi)展監(jiān)測(cè)受力分析，在推進(jìn)速度為5 mm/min、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速為1 r/min的工況下。鋼筋的受力監(jiān)測(cè)如表2所示。應(yīng)力監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)如圖8所示。

表2 鋼筋受力分析

由表2和圖8可知： 1)全盤(pán)滾刀切削樁基鋼筋最外層A1鋼筋大約通過(guò)5次有效切斷,次外層A2鋼筋大約通過(guò)7次有效切斷，鋼筋在兩端約束后受到滾刀碾壓后承受的最大拉應(yīng)力數(shù)值大小為333.2 MPa，最大壓應(yīng)力數(shù)值大小為26.6 MPa； 2)全盤(pán)撕裂刀切削樁基鋼筋最外層B1鋼筋大約通過(guò)4次有效切斷,次外層A2鋼筋大約通過(guò)9次有效切斷，鋼筋在兩端約束后受到撕裂刀切割后承受的最大拉應(yīng)力數(shù)值大小為250.9 MPa，最大壓應(yīng)力數(shù)值大小為64.5 MPa，說(shuō)明鋼筋的拉應(yīng)力效應(yīng)大于壓應(yīng)力效應(yīng)。

(a) 滾刀切削鋼筋受力圖

(b) 撕裂刀切削鋼筋受力圖

在表層鋼筋切削過(guò)程中,撕裂刀切削效果優(yōu)于滾刀切削效果,原因在于表層鋼筋切削未受到其他鋼筋干涉,撕裂刀對(duì)鋼筋的正面切割效果更好。但在次表層切削過(guò)程中,撕裂刀切削鋼筋整體波動(dòng)相對(duì)于滾刀切削較大,整個(gè)切削過(guò)程不平穩(wěn),振動(dòng)沖擊較大。滾刀切削鋼筋耐沖擊效果優(yōu)于撕裂刀，撕裂刀切削鋼筋正向切割效果優(yōu)于滾刀，后續(xù)切削鋼筋刀具配置過(guò)程中可采用組合刀具布置充分發(fā)揮各自切削優(yōu)勢(shì)。

2.3 刀具損壞形式分析

通過(guò)對(duì)滾刀、撕裂刀切削φ25 mm主筋鋼筋混凝土樁基可知：

1)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,能夠承受較大沖擊,且滾刀碾壓鋼筋時(shí)呈滾動(dòng)狀態(tài),鋼筋未對(duì)滾刀刀圈造成局部損傷。

2)撕裂刀切削鋼筋混凝土樁基時(shí),在刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中,撕裂刀在接觸樁側(cè)混凝土的瞬間及從側(cè)面將鋼筋拉斷的瞬間會(huì)受到較大的側(cè)面沖擊力,系統(tǒng)推進(jìn)速度和刀盤(pán)轉(zhuǎn)速設(shè)置越高，該側(cè)向沖擊力越大。在試驗(yàn)中當(dāng)設(shè)置5 mm/min推進(jìn)速度時(shí),刀盤(pán)振動(dòng)沖擊明顯增大； 設(shè)置7 mm/min推進(jìn)速度時(shí)，出現(xiàn)撕裂刀兩側(cè)合金整塊從刀體崩掉。分析發(fā)現(xiàn)，合金崩裂崩脫的主要原因在于撕裂刀在刮削鋼筋時(shí)承受較大的正面沖擊。整個(gè)試驗(yàn)中撕裂刀刀頭損壞4把,其中2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。撕裂刀損壞形式分析如圖9所示。由此可知，后續(xù)采用撕裂刀配置切削鋼筋時(shí)必須提升合金塊的焊接質(zhì)量。

(a) 刀頭損壞

(b) 合金崩裂

2.4 刀盤(pán)振動(dòng)特性分析

切削鋼筋的振動(dòng)對(duì)整個(gè)裝備及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境影響很大,通過(guò)在刀盤(pán)上布置無(wú)線(xiàn)加速度傳感器采集不同工況下刀盤(pán)的振動(dòng)情況。全盤(pán)滾刀和全盤(pán)撕裂刀在不同推進(jìn)速度及刀盤(pán)轉(zhuǎn)速下振動(dòng)趨勢(shì)變化主要體現(xiàn)在振動(dòng)幅值變化上。滾刀和撕裂刀切削刀盤(pán)振動(dòng)監(jiān)測(cè)如圖10和圖11所示?？梢钥闯觯?1)相對(duì)于全盤(pán)滾刀切削鋼筋,撕裂刀切削鋼筋時(shí)刀盤(pán)振動(dòng)幅度和頻率較大,相同推進(jìn)速度和刀盤(pán)轉(zhuǎn)速條件下,全盤(pán)撕裂刀切削鋼筋時(shí)整個(gè)刀盤(pán)卡死次數(shù)較多。2)在撕裂刀切削鋼筋時(shí),隨著刀盤(pán)推進(jìn),刀具貫入到巖箱中未布置鋼筋位置,隨著刀盤(pán)旋轉(zhuǎn),鋼筋在巖箱兩端約束的作業(yè)下發(fā)生彎折。當(dāng)鋼筋約束力足夠強(qiáng),而刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩較小時(shí),會(huì)造成刀盤(pán)卡死,反復(fù)沖擊振動(dòng)現(xiàn)象；當(dāng)鋼筋約束力不夠強(qiáng),則會(huì)將整個(gè)鋼筋拉出巖箱,造成鋼筋在刀盤(pán)中反復(fù)纏繞,振動(dòng)加大,最終卡死刀盤(pán)。因此，在掘進(jìn)過(guò)程中系統(tǒng)推進(jìn)速度和刀盤(pán)轉(zhuǎn)速的匹配性至關(guān)重要。

2.5 切削過(guò)程參數(shù)分析

TBM模態(tài)掘進(jìn)試驗(yàn)平臺(tái)工作原理和實(shí)際盾構(gòu)一樣,均是通過(guò)控制液壓油泵的進(jìn)給油量來(lái)控制液壓油缸的推進(jìn)速度。在切樁過(guò)程中,理想狀態(tài)是準(zhǔn)確控制推進(jìn)速度,保障刀盤(pán)每轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)進(jìn)給量固定,但在實(shí)際工作過(guò)程中,不同推進(jìn)速度設(shè)置系統(tǒng)波動(dòng)較大，分別設(shè)置3、5、7、10 mm/min推進(jìn)速度。滾刀和撕裂刀的推進(jìn)速度波動(dòng)如圖12所示。

圖10 滾刀切削刀盤(pán)振動(dòng)監(jiān)測(cè)圖

圖11 撕裂刀切削刀盤(pán)振動(dòng)監(jiān)測(cè)圖

(a) 滾刀不同工況設(shè)置波動(dòng)

(b) 撕裂刀不同工況設(shè)置波動(dòng)

由圖12可以看出： 1)推進(jìn)速度設(shè)定越大，切樁過(guò)程波動(dòng)越大,且全盤(pán)滾刀和全盤(pán)撕裂刀切削鋼筋相比,撕裂刀的推進(jìn)速度幅度更大，波動(dòng)幅度的增大導(dǎo)致推進(jìn)過(guò)程的不平穩(wěn)，進(jìn)而導(dǎo)致刀盤(pán)卡死。2)在全盤(pán)滾刀工況下,當(dāng)推進(jìn)速度大于5 mm/min時(shí),推進(jìn)速度波動(dòng)劇烈； 在推進(jìn)速度設(shè)置7 mm/min工況下，刀盤(pán)卡死1次； 在推進(jìn)速度設(shè)置10 mm/min工況下，刀盤(pán)卡死2次。3)在全盤(pán)撕裂刀工況下,當(dāng)推進(jìn)速度大于3 mm/min時(shí),推進(jìn)速度波動(dòng)劇烈； 在推進(jìn)速度設(shè)置5 mm/min工況下，刀盤(pán)卡死3次； 同樣工況下，撕裂刀切削大直徑鋼筋效率和效果低于滾刀切削效果。

為進(jìn)一步分析掘進(jìn)參數(shù)變化對(duì)大直徑鋼筋切削效果，分析了系統(tǒng)推進(jìn)速度控制為5 mm/min時(shí)，切削過(guò)程中推力和轉(zhuǎn)矩的變化如圖13和14所示。可以看出： 1)全盤(pán)滾刀切削鋼筋系統(tǒng)推力為2 400～3 000 kN，轉(zhuǎn)矩為70～200 kN·m； 2)全盤(pán)撕裂刀切削鋼筋系統(tǒng)推力為600～1 000 kN，轉(zhuǎn)矩為190～350 kN·m； 3)相對(duì)于全盤(pán)滾刀切削鋼筋，全盤(pán)撕裂刀切削鋼筋具有推力小、轉(zhuǎn)矩大、波動(dòng)大的特點(diǎn)； 4)撕裂刀切削鋼筋平穩(wěn)性難以控制，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)更加明顯。

圖13 滾刀切削推力和刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

圖14 撕裂刀切削推力和刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

3 刀具配置及掘進(jìn)參數(shù)建議

3.1 刀具配置建議

通過(guò)不同刀具切削大直徑鋼筋混凝土樁基發(fā)現(xiàn)，滾刀切削混凝土作用效果整體優(yōu)于撕裂刀切削效果。但通過(guò)鋼筋斷裂受力特性分析，發(fā)現(xiàn)滾刀切削鋼筋耐沖擊效果優(yōu)于撕裂刀，撕裂刀切削鋼筋正向切割效果優(yōu)于滾刀。為了使?jié)L刀和撕裂刀能夠發(fā)揮各自的切削優(yōu)勢(shì)，后續(xù)切削鋼筋刀具配置可以采用撕裂刀和滾刀相互配合的組合切削形式。通過(guò)撕裂刀和滾刀間隔布置及刀高差的設(shè)置順次切割鋼筋，首先保證撕裂刀先接觸樁基鋼筋，利用撕裂刀正向切割優(yōu)勢(shì)預(yù)先切割鋼筋，然后依靠滾刀的側(cè)向沖擊碾壓作用來(lái)有效斷裂大直徑鋼筋。在刀間距設(shè)置上，通過(guò)螺旋輸送機(jī)可輸出最大鋼筋長(zhǎng)度來(lái)確定撕裂刀刀間距，在考慮撕裂刀位置和最優(yōu)滾刀破巖刀間距前提下設(shè)置滾刀刀間距，能夠保障鋼筋的有效斷裂，防止出現(xiàn)卡死刀盤(pán)及螺旋輸送機(jī)情況。

3.2 掘進(jìn)參數(shù)建議

通過(guò)切削過(guò)程參數(shù)及刀盤(pán)振動(dòng)特性分析，推進(jìn)速度是樁基切削的關(guān)鍵控制參量，推進(jìn)速度的控制對(duì)切樁的平穩(wěn)有效性、刀盤(pán)的振動(dòng)特性影響很大?；谇袠对囼?yàn)數(shù)據(jù)分析，全盤(pán)撕裂刀切削樁基推進(jìn)速度建議不大于3 mm/min，全盤(pán)滾刀切削樁基推進(jìn)速度建議不大于5 mm/min。相對(duì)于滾刀切削鋼筋，撕裂刀切削鋼筋具有推力小、轉(zhuǎn)矩大、波動(dòng)大的特點(diǎn)。撕裂刀切削大直徑鋼筋更容易造成刀盤(pán)卡死，因此轉(zhuǎn)矩波動(dòng)參數(shù)應(yīng)作為盾構(gòu)直接切削鋼筋的重點(diǎn)控制參數(shù)，可通過(guò)轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)來(lái)預(yù)判防止卡死刀盤(pán)。

3.3 工程應(yīng)用

試驗(yàn)成果應(yīng)用在深圳軌道交通14號(hào)線(xiàn)盾構(gòu)下穿電子科技廠(chǎng)房工程，廠(chǎng)房共27根鋼筋混凝土樁基侵入隧道開(kāi)挖斷面,樁長(zhǎng)為25～28 m,樁徑為1 200 mm，樁基主筋直徑為25 mm，該隧道區(qū)間采用2臺(tái)直徑為6 980 mm復(fù)合式土壓平衡施工，盾構(gòu)刀盤(pán)上可安裝50刃63.72 cm(18英寸)滾刀，其中中心滾刀刀間距為90 mm，正面中間區(qū)域滾刀刀間距為80 mm，13—32號(hào)刀間距為80 mm，33—38號(hào)刀間距為75 mm，每個(gè)刀箱位可進(jìn)行撕裂刀和滾刀互換的組合布置。切削樁基處隧頂埋深為17.85～19.36 m，區(qū)間土層情況較為復(fù)雜，為典型的軟硬不均復(fù)合地層，上覆土層主要為人工填土、軟土、黏性土、砂土、碎石土以及花崗巖風(fēng)化殘積層。廠(chǎng)房樁基鄰近交通干道，地表沉降控制嚴(yán)格，切樁安全要求高，盾構(gòu)需直接切削φ25 mm主筋的鋼筋的混凝土樁基，且在切削過(guò)程中會(huì)面臨同時(shí)切削2個(gè)樁基情況。盾構(gòu)切削樁基刀具采用撕裂刀和滾刀組合配置形式，推進(jìn)速度控制為5 mm/min,刀盤(pán)轉(zhuǎn)速控制為0.8～1.2 r/min。以較小的推進(jìn)速度開(kāi)展切樁,保證樁基中每根鋼筋都受到正向碾壓力,避免因?yàn)橥七M(jìn)速度過(guò)快,鋼筋受到側(cè)向壓力而導(dǎo)致整根鋼筋被拉出,發(fā)生鋼筋在刀盤(pán)中纏繞進(jìn)而卡死刀盤(pán)的現(xiàn)象。

切樁過(guò)程密切關(guān)注推力及轉(zhuǎn)矩的變化，通過(guò)切樁過(guò)程推力和轉(zhuǎn)矩分布統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖15和圖16所示。可以看出： 切樁推力平均值為11 021.84 kN，推力波動(dòng)控制為9 915～11 840 kN； 切樁轉(zhuǎn)矩平均值為1 711.84 kN·m，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)控制為1 570～1 867 kN·m。在切樁過(guò)程中一旦出現(xiàn)參數(shù)波動(dòng)劇烈，應(yīng)及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)避免卡死刀盤(pán)。切削過(guò)程中確保切樁的平穩(wěn)性，鋼筋的主要破壞形式為滾刀對(duì)鋼筋的碾壓破壞和撕裂刀對(duì)鋼筋的剪切破壞，切削1根樁基的全套施工工序時(shí)間為29～35 h，切削過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)卡死刀盤(pán)及螺旋輸送機(jī)情況。

圖15 切樁推力分布圖

圖16 切樁轉(zhuǎn)矩分布圖

4 結(jié)論與建議

1)盾構(gòu)直接切削φ25 mm主筋鋼筋混凝土樁基是可行的，且全盤(pán)滾刀切削效果整體上優(yōu)于全盤(pán)撕裂刀切削效果。

2)通過(guò)撕裂刀和滾刀間隔組合布置及刀高差、刀間距的設(shè)置，能夠提高切樁效率和防止斷筋卡刀盤(pán)，達(dá)到最佳切樁效果。

3)撕裂刀切削樁基切削參數(shù)波動(dòng)大,切削過(guò)程不平穩(wěn),振動(dòng)沖擊較大，撕裂刀承受較大側(cè)向沖擊力而導(dǎo)致合金崩裂崩脫，合金塊的焊接質(zhì)量需在切樁前關(guān)注。

4)切樁推進(jìn)速度不宜過(guò)快，切削過(guò)程需重點(diǎn)關(guān)注轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，建議撕裂刀切削樁基推進(jìn)速度不大于3 mm/min，滾刀切削樁基推進(jìn)速度不大于5 mm/min。

5)本文重點(diǎn)探索了盾構(gòu)切削φ25 mm主筋鋼筋混凝土樁基可行性，后續(xù)可以繼續(xù)探索研究盾構(gòu)直接切削φ28 mm主筋鋼筋混凝土樁基可行性。