第一章绪论

随着盾构技术的发展，在对现有盾构设备改进加强的基础上，近年来我国也出现了若干个盾构直接切桩的工程案例[17-22]，其中，广州地铁三号线盾构釆用复合刀盘切削19根?500~800灌注桩，上海地铁十号线盾构增配1套先行刀和6把贝壳刀后切削33根400mm><400mm预制方桩，上海地铁七号线盾构增配65把先行刀后切削10根350mmx350mni立柱桩。相比于传统方法，盾构直接切桩具有影响周边环境小、工期短等优点，社会及经济效益显著。但盾构直接切桩作为一项前沿技术，目前在国际范围内尚远未成熟。国外未见有切桩施工案例或切桩相关研究的报道，国内虽已有个别施工案例，但也只是局限于切削中小直径桩基（（￠800),而且对应的文献基本只是停留在切桩施工技术的措施探讨和经验总结，鲜有关于刀具切削机理、掘削参数特征、刀具磨损规律等方面的分析。研究手段方面，国内外均未见有关于盾构切桩技术研究的系统性理论分析、现场试验或数值模拟，模型试验研究的文献也仅一篇，国内学者滕丽[23]使用￠400盾构模型机，研究指出刀盘上可适量增配贝壳刀，最大切削直径处应布置超前先行刀，采用0.5-1.Omm/min推速，可切削C20素混凝土和加削解剂的C30玻璃纤维混凝土，但仍很难切削含￠20钢筋的混凝土块。

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第二章刀刃与钢筋混凝土的相互作用及切削机理

2.1刀刃切植的适应性分析与选型

当前国内外均没有针对切削钢筋混凝土桩基所研发的专用刀具。已有的切桩施工案例，采取的是从现有刀具类型中，选择贝壳刀或滚刀并配以先行刀的方式进行布置。滚刀一般用于复合地层，较易破碎混凝土，但难以直接切断钢筋，另夕卜，其若用于软土地层，则可能因达不到启动扭矩而发生弦磨。贝壳刀刀身粗壮，兼具良好的刚度和硬度，在小切深掘进模式下，可以充分切削或磨削桩基。因此，选用贝壳刀作为切桩刀具，并作相应的切桩适应性设计。贝壳刀的刀刃有单面刃或双面刃两种可供选择，如图2-2所示，两种刀刃的不同点在于：双面刃的刀头较钝，故耐磨性和抗崩裂性优于单面刃；而反过来说，单面刃由于其较为锋利，其切断钢筋所需的切削面积An小于双面刃对应的切筋面积/i。，切筋效率更高。切削混凝土方面，切深P—定时，若两种刀刃的宽度/>相等，则单次切削混凝土的面积也相等.

2.2切削仿真有限元基础

LS-DYNA 最初由美国 Lawrence Livermore 国家实验室 J.O.Hallquist 博士于1976年主持开发完成，是目前所有显式求解程序的基础代码。作为工程应用领域最佳的动力学分析软件，LS-DYNA计算的可靠性已经被无数次试验所证明。该程序主要具有四大特点：一，分析功能强大，除了结构非线性动力分析，还可进行多物理场稱合分析、失效分析、裂纹扩展分析等；一.，材料模型多种多样，拥有150多种金属和非金属材料模型，涵盖金属、塑料、玻璃、泡沫、橡胶、土壤、混凝土、复合材料、炸药、推进剂等各种材料，同时还支持用户自定义材料；三，接触算法多样，有50多种接触算法分析方式可供选择，不仅可以求解各种柔体对柔体、柔体对刚体、刚体对刚体等接触问题，而且还可以分析接触表面的静动力摩擦、固连失效以及流体与固体的界面等问题；四，单元库丰富，具有二维和三维实体单元，薄、厚壳单元，梁单元和弹簧、阻尼器单元，SPH单元以及其他特殊用途的单元，各种单元类型也有多种算法可供选择。

第三章新型刀具的切桩性能与磨损机理........ 43

3.1新型切桩刀具研发 ........43

3.2新型刀具切削钢筋的力学特征与规律分析....... 44

第四章刀盘群刀配置与掘削参数控制的理论探析......... 59

4.1切桩主力刀具的布置及数量......... 59

第五章盾构直接切削大直径钢筋混凝土桩基试验研究....... 83

5.1试验方案 .........83

第六章盾构掘削大直径群桩的控制措施与实测分析

6.1刀具磨损预测与工程可行性分析

根据第五章的试验成果可知：新型切桩贝壳刀可较易直接切断钢筋，且由于切筋能力主要来源于刀刃合金材料，故磨钝后的贝壳刀仍具备切断钢筋的能力（但宜以更小的切深)；同心圆等间距的刀具布置方式，能充分地全覆盖面切削桩身和保护刮刀；切削两根大直径桩基后，正面贝壳刀、边缘大贝壳刀以及中心小贝壳刀的损伤均较小；常规盾构的额定推力扭矩即可满足同时切削两根桩的要求。虽然试验同时也揭露发现，存在合金刀刃崩裂较多和钢筋长度过长两大问题，但已经找出原因并给出相应的解决方案。针对苏州切桩工程左右线各连续切削七根群桩的刀具磨损问题，上文6.1.2节对刀具磨损量预测后也表明是可行的。因此，基于试验成果和刀具磨损量预测，假若螺旋输送机排出桩濱方面也没问题，那么可以判断：从盾构安全角度而言，苏州切桩工程是可行的。在上部结构和管片衬砲问题上，下文将以苏州切桩工程为例，对切断多根大直径桩基工况下的安全性能及加固方案进行研究。

6.2桥梁结构与管片衬棚的加固增强

按现行规范，计算时既考虑到了墩台自重恒载和台侧土压力等永久作用，也考虑了车辆荷载、人群荷载等可变作用。广济桥1#桥壤承台底面各种作用效应在正常使用极限状态下的短期组合，按最不利组合可以有竖向作用力最大、顺桥向弯矩最大和横桥向弯矩最大这三种工况。竖向作用力最大的工况组合为恒载、双孔6车道偏载的车道荷载与双孔双侧加载的人群荷载组合；顺桥向弯矩最大的工况组合为最不利荷载组合II为恒载、双孔3车道偏载的车道荷载与双孔单侧加载的人群荷载组合；横桥向弯矩最大的工况组合为最不利荷载组合III为恒载、单孔6车道偏载的车道荷载与单孔双侧加载的人群荷载组合。经过繁杂计算，这三种最不利组合的计算结果如表6-3所列。

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第七章结论与展望

论文依托苏州地铁盾构切削14根1000~1200mm桥梁工程，综合采用调研、理论分析、有限元仿真、现场试验和工程实测等研究手段，对盾构直接掘削大直径钢筋混凝土群桩的相关机理、理论和技术进行了研究，主要研究结论如下：(1)综合考虑切削过程中的材料非线性、几何非线性及接触非线性，采用国际大型非线性显式动力分析软件，建立了刀刃切削钢筋、混凝土的细观切削模型，获得了切削效果、切削力特征、应力应变分布、材料变形矢量图等，探明了刀刃对钢筋、混凝土的切削机理，并提出了刀刃分区分带切削钢筋模型。(2)基于刀刃参数对切筋、切轮的影响规律，以适应连续切削大直径桩基为目标，研发了新型切桩专用刀具；建立了三维切削钢筋热力稱合模型和三维切削混凝土全过程模型，分析了新型刀具的动态切削过程及切削性能；结合仿真计算结果并对比各种磨损类型的发生条件，明确了硬质合金刀具切削钢筋、混凝土的磨损机理为硬质点磨粒磨损。(3)宜采用同心圆法布置新型贝壳刀；相邻切削轨迹刀间距的确定，应以能全覆盖面切削桩身混凝土为原则；建议按等相位角确定刀具位置；新型贝壳刀能够直接切断钢筋，但其实现的前提为钢筋被周边混凝土包裹固定住。考虑刀盘掘削桩基的多功能需求，提出了包括有正面大贝壳刀、边缘大贝壳刀、中心小贝壳刀、仿形贝壳刀以及羊角储备刀在内的刀盘群刀综合配置方案；为利于将钢筋切断成合适长度，基于刀具高低差配置思想，提出了配置超前贝壳刀以实现分次切筋的切削理念。

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参考文献（略）