盾构切削桩基研究现状综述.pdf
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1、引用格式:贾蓬,孙占阳,赵文,等.盾构切削桩基研究现状综述J.隧道建设(中英文),2023,43(10):1637.JIA Peng,SUN Zhanyang,ZHAO Wen,et al.Overview on research of shield cutting pile foundationJ.Tunnel Construction,2023,43(10):1637.收稿日期:2023-02-13;修回日期:2023-08-30基金项目:国家自然科学基金项目(52174071)第一作者简介:贾蓬(1973),女,内蒙古呼和浩特人,2008 年毕业于东北大学,工程力学专业,博士,教授,博士
2、生导师,主要从事隧道与地下工程方面的教学与科研工作。E-mail:polorjia 。盾构切削桩基研究现状综述贾 蓬1,孙占阳1,赵 文1,宋立民2(1.东北大学资源与土木工程学院,辽宁 沈阳 110819;2.中铁三局集团第四工程有限公司,北京 102300)摘要:为厘清盾构切桩的发展脉络,全面掌握其应用及发展情况,综述了国内外盾构切削桩基技术的研究现状。首先,基于文献计量分析对盾构切桩相关文献的热点关键词和发展趋势进行分析,归纳总结盾构切桩领域的研究热点及研究进展。其次,在此基础上分别从盾构改造、掘削参数优化、盾构切桩引起的地层响应和桩基承载力研究 3 个方面综述当前最新研究成果。最后,对
3、盾构切削桩基的主要研究方法、研究机制、适用范围及优缺点进行归纳总结,探讨有待解决的主要问题以及未来重点研究方向。结果表明:1)10 余年来盾构切桩技术发展迅速且取得了良好的切桩效果及经济效益反馈,切桩技术已相对成熟;2)刀具参数及布置方式尚没有明确的确定方法,在复杂地质条件下,仍存在刀具磨损和钢筋缠绕刀盘的现象;3)由于混凝土脊破裂面产生的机制尚不明确,且已有的计算方法未考虑混凝土强度的影响,刀间距设计多依赖已有的工程经验;4)盾构切桩掘削参数的选取多是基于数值模拟和室内试验,对实际工况都进行一定程度的简化,难以反映切桩过程中盾构与桩基相互作用的复杂效应;5)推力和转矩计算模型的公式简化条件不
4、尽相同、侧重点各不相同,公式的推广性和适用性还需进一步提高;6)目前对切桩引起的地表沉降以及控制措施研究较多,影响机制方面的研究还较少。关键词:盾构切桩;刀盘改造;掘削参数;地表沉降DOI:10.3973/j.issn.2096-4498.2023.10.002文章编号:2096-4498(2023)10-1637-20中图分类号:U 455.43 文献标志码:A开放科学(资源服务)标识码(OSID):O Ov ve er rv vi ie ew w o on n R Re es se ea ar rc ch h o of f S Sh hi ie el ld d C Cu ut tt ti
5、in ng g P Pi il le e F Fo ou un nd da at ti io on nJIA Peng1,SUN Zhanyang1,ZHAO Wen1,SONG Limin2(1.School of Resources and Civil Engineering,Northeastern University,Shenyang 110819,Liaoning,China;2.The Fourth Engineering Co.,Ltd.,China Railway No.3 Engineering Group Co.,Ltd.,Beijing 102300,China)A A
6、b bs st tr ra ac ct t:A comprehensive overview of global research on shield cutting pile foundations is offered to shed light on their development,applications,and progress.A literature review encompassing key terms and emerging trends in shield cutting pile technology is conducted.This initial step
7、 allows us to understand the current state of research and highlight areas of active investigation.Subsequently,recent research achievements are consolidated into three focal points:the transformation of shield machines,the optimization of cutting parameters,and the study of stratum response and pil
8、e bearing capacity concerning shield cutting piles.Finally,the primary research methods,mechanisms,applicability,strengths,weaknesses,and outstanding challenges of shield cutting pile foundations are summarized and discussed.Furthermore,future research directions are identified.Key findings are as f
9、ollows:(1)Rapid development in shield cutting pile technology has yielded promising pile-cutting results and economic benefits over the past decade,reaching a relatively mature stage.(2)Challenges persist in determining the parameters and arrangements of shield pile-cutting tools,specifically in com
10、plex geological conditions where tool wear and rebar entanglement at the cutterhead are common issues.(3)The mechanism of the concrete ridge rupture surface remains incompletely understood,and existing calculation methods lack considerations for concrete strength,relying heavily on engineering exper
11、tise to design cutter spacing.(4)Selection of shield pile-cutting parameters primarily relies on numerical simulations and indoor experiments,隧道建设(中英文)第 43 卷which may oversimplify real working conditions and fail to capture the complex interactions between the shield and the pile foundation during c
12、utting.(5)Existing formulas for thrust and torque calculations vary in their simplifications and emphases,warranting improvements in generalizability and applicability.(6)Thus,the current literature predominantly focuses on surface settlement caused by cut piles and corresponding mitigation measures
13、,rather than exploring the impact mechanisms of shield cutting pile technology.K Ke ey yw wo or rd ds s:shield cutting pile;cutterhead transformation;cutting parameters;surface settlement0 引言近年来,盾构工法以其安全、高效、机械化程度高、扰动小等优势,在中国城市地铁及水下盾构隧道建设中得到广泛应用1。截至 2022 年底,中国大陆地区累计有 38 个 城 市 投 运 城 轨 交 通,运 营 线 路 达10
14、291.95 km,其 中 地 铁 达 8 012.85 km,占 比77.85%2。随着城市地下空间的大规模发展,使得地铁隧道施工所遇到的地质条件越来越复杂,因此,在城市建筑密集区难免会遇到既有建(构)筑物桩基障碍3-5,穿越既有建(构)筑物桩基的情况越来越多。常用的除桩措施包括在盾构到达前桩基托换、人工挖孔除桩、拔桩、冲桩等,但这些工法对周边环境影响大,而且施工成本高、工期长。盾构直接切削破除障碍桩的优势明显、经济社会效益显著,在工程实践中具有更广阔的应用前景,但盾构切桩技术无论是理论研究还是技术实践都还需进一步探索。针对地铁建设破除障碍桩问题,不断有人在尝试新思路和新技术,自 2013
15、年至今,盾构直接切削钢筋混凝土桩基技术取得飞速发展,在理论分析、模拟试验、数值模拟、实测分析等方面取得了一定的成果。在理论分析方面,学者们主要针对刀间距设计、掘削参数计算模型进行深入研究6-11;在模拟试验方面,通过盾构始发洞门前布置试验桩、盾构模拟试验平台、盾构掘进模态综合试验台、线性切削试验平台、盾构刀具切削机,研究分析盾构切桩效果及机制、掘进参数特征、刀具损伤规律,分析掘进参数和刀具布置对桩基破坏形态、刀盘磨损的影响规律12-18;在数值模拟方面,考虑不同掘进工况和不同影响因素下,磨桩刀盘刀具设计与布置及磨桩掘进对剩余桩基承载力和托换桩的影响6,19-23;在实测分析方面,根据工程现场沉
16、降监测、切桩效果、刀具磨损、掘削参数多因素综合作用的监测数据结果,说明磨桩技术的合理性6,16,19,24-25。本文基于当前国内外学者对盾构切桩技术的研究成果,首先,运用文献计量分析以及统计梳理国内外切桩的工程应用案例,分析盾构切桩研究概况和发展历程,明晰盾构切桩主要研究热点;然后,结合研究热点对盾构切桩相关施工和技术研究进行综述,包括盾构磨桩对刀盘及刀具、推进过程中施工控制参数、地表沉降、桩基承载力影响等;最后,针对现有研究存在的不足,对尚需深入研究的问题提出若干展望,以期为未来盾构切桩施工及其技术发展提供借鉴。1 研究方法与文献计量分析1.1 研究方法 基于国内外文献检索,利用 VOSv
17、iewer 软件对关键词进行提炼和共现分析,对盾构切桩的研究热点进行归纳和总结,分析盾构切桩在隧道建设中的研究与应用。选定 CNKI 中文数据库和 WOS 英文核心库 2个主要数据库,检索获取盾构切桩领域的相关研究论文。其中,WOS 数据库的检索策略为:主题=Shield and cutting pile,时间跨度=所有年,检索结果共命中 31条记录;CNKI 数据库的检索策略为:主题=盾构(切桩+磨桩),时间跨度=所有年,检索结果共命中382 条记录;数据检索日期为 2022 年 11 月 13 日。综合不同数据库检索结果,筛选出主题相关且质量较好的 112 篇文献(WOS:13 篇,CNK
18、I:99 篇)进行后续分析。1.2 文献计量分析 筛选出在 20092022 年发表的文献。其中,英文文献 13 篇,中文文献 99 篇;期刊论文 91 篇,会议论文7 篇,学位论文 14 篇。在所选文献中,中文论文占比较大,表明近年来国内在该领域的研究成果较为丰富。通过对所有国内外文献关键词的同义近似归并、英文翻译与统计分析,可得盾构切桩相关文献关键词的共现关系图(见图 1),同时将所有文献的发文时间进行统计,可得 20092022 年相关论文发文数量随时间变化统计图(见图 2)。结果显示:1)在关键词共现关系方面,盾构、盾构隧道、数值模拟、切削桩基等关键词出现频率较高,突出了切桩技术在盾构
19、隧道建设中发挥重要作用;同时,盾构改造、刀具配置、掘进参数等优化措施与盾构和切桩也关系紧密,说明盾构切桩技术在这些方面开展研究较多,后续文献分析也将从这几方面展开。2)在发文量方面,在 2012 年前相关论文发表数量几乎为零,此后论文数量呈现阶梯状增长的趋势。3)截至检索日(2022 年 11 月 13 日),近 4 年相关论文发表数量已达 63 篇,表明近几年盾构切桩技术的应用需求显著增加。8361第 10 期贾 蓬,等:盾构切削桩基研究现状综述图 1 文献关键词的共现关系图Fig.1 Co-occurrence diagram of keywords in published papers
20、图 2 盾构切桩相关论文发表数量柱状图Fig.2Histogram of published paper numbers related to shield cutting piles2 盾构切桩实践发展概述 10 余年来盾构切桩技术取得了快速发展,表 1 对20082022 年文献获取的主要盾构切桩工程实践案例的地层情况、刀具情况、桩基参数及盾构类型进行了总结。盾构掘削桩基可分为主动切桩和被动切桩。被动切桩指的是在事先不知有桩的情况下切削桩基,因此只能通过调控掘进参数或采用其他辅助措施,切削并穿越桩基;主动切桩指的是在已知有桩的情况下切削桩基,因此可在始发前主动采取盾构设备的改造加强、掘进参
21、数优化、地层加固等措施,从而能够安全高效切桩26。2008 年前后,沈阳地铁 1 号线和天津津滨轻轨施工时由于被动切削多根桩基,出现了刀盘推力转矩过大、刀盘不均匀变形、刀具损伤严重等问题27。20092010 年,案例 3 和案例 4 的切桩工程采用在刀盘面板上增加一定数量的先行刀和贝壳刀,认为增设先行刀及贝壳刀对盾构切削钢筋混凝土桩基具有明显效果。此后,盾构切桩在地铁建设处理障碍桩的应用开始逐渐增多。2011 年 起,北 京 交 通 大 学 袁 大 军 及 其 团队7,8,12,19,26,28开展了国内首次盾构切削桩基大型现场试验,分析了掘进参数特征、切桩效果及机制、刀具损伤规律,在此基础
22、上研发了新型切桩刀具,提出超前贝壳刀布置方案,并成功应用在苏州轨道交通 2 号线三石区间盾构切削桥桩工程,验证了盾构直接切削大直径桩基的可行性。自此国内对于盾构切桩方面的研究迅速增多。2019 年至今,杜闯东等14、许华国等15、吴志峰等16、李宏波29基于 TBM 掘进模态综合试验台,开展全断面滚刀、全断面撕裂刀对比试验,提出了新型滚刀与撕裂刀高低布置方案,并从刀具损伤、切筋长度、卡机情况、刀盘振动特性等多方面优化了掘削参数,研究成果应用于以色列特拉维夫轻轨红线项目 TBM 段(西标段)工程和深圳轨道交通 14 号线盾构下穿电子科技厂房工程。笔者总结了 20082022 年多个案例施工方法,
23、盾构切桩施工工艺流程如图 3 所示。表 1 盾构切桩工程实例统计表Table 1 Statistics on engineering examples of shield cutting piles案例编号工程名称土层参数盾构刀具情况、刀具种类桩基情况磨桩数量/根桩基类型及尺寸/mm主筋类型/mm混凝土强度盾构切桩位置盾构类型论文发表年份1 上海地铁 10 号线盾构切削简支梁桥桩基24,30 黏质粉土夹粉质黏 土、灰 色 砂质粉 土、灰 色 淤泥质黏土标 准刀、先行刀、贝壳刀同时磨 5混凝土方桩 40040018C25刀盘全断面切削桩基中部日 本 三 菱6 340 mm 土压平衡盾构2009,
24、2010 2上海地铁 7 号线盾构切削工业厂房桩基25,31 淤泥质黏土和粉质 黏 土、砂 质粉土 原标准切刀保持不变,增加 65把先行贝壳刀同时磨 3混凝土方桩 35035016C30刀盘全断面切削桩基中部日 本 小 松6 340 mm 土压平衡盾构2010,20113沈阳地铁 1 号线盾构切削桥梁桩基32中粗砂、砾砂被 动切削,未做改进共磨 3 钻孔灌注 桩1 20020C25刀盘上部切削桩基下部日 本 小 松6 340 mm 土压平衡盾构20129361隧道建设(中英文)第 43 卷表 1(续)案例编号工程名称土层参数盾构刀具情况、刀具种类桩基情况磨桩数量/根桩基类型及尺寸/mm主筋类型
25、/mm混凝土强度盾构切桩位置盾构类型论文发表年份4天津津滨轻轨盾构切削房屋桩基32粉质黏土被 动切削,未做改进共磨 43混凝土预制方桩2526C25刀盘全断面切削桩基下部日 本 川 崎6 340 mm 土压平衡盾构20125苏州轨道交通2 号线三石区间盾构切削桥桩工程12 上半断面为粉砂,下 半 断 面 为粉质黏土刮 刀、小贝壳刀、大贝壳刀、羊角先行刀共磨 14 钻孔灌注桩1 200、1 0002220刀盘全断面切 削 桩 基 中上部日 本 小 松6 340 mm 土压平衡盾构20136深圳地铁 9 号线大剧院鹿丹村区间工程33-34 中微风化花岗岩层和砾质黏性土层共计 4 把中心滚刀,10
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