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盾构滚刀切削桩基相互作用机理及关键参数分析研究以海珠湾盾构隧道为例现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第61卷第1期(总第414期),2024年2月出版Vol.61,No.1(Total No.414),Feb.2024收稿日期：2023-09-14修回日期：2023-11-23基金项目：国家自然科学基金（52378404，52108377）.作者简介：王德福（1982-），男，高级工程师，主要从事地下隧道工程技术方面的研究，E-mail:.盾构滚刀切削桩基相互作用机理及关键参数分析研究以海珠湾盾构隧道为例王德福（中铁十四局集团大盾构工程有限公司，南京 211800）摘要：在城市中心区域修建盾构隧道过程中遭遇既有建（构）筑物桩基础时，盾构直接切削桩基是首选施工方案。依托海珠湾超大直径盾构隧道工程，采用数值模拟方法，建立滚刀-桩基-地层动态切削仿真模型，深入研究了盾构滚刀切削桩基的作用机理，对切削桩基过程中滚刀间距、刀圈贯入度、刀盘转速以及桩基相对刀盘的位置等关键参数进行敏感性分析，得到了滚刀切桩关键参数的最优取值。结果表明：当滚刀间距较大或刀圈贯入度过小时，滚刀切削桩基效果较好且利用率较高；当贯入度增大时，滚刀与地层-桩基模型相互作用的影响范围增大，有利于桩基材料的破坏剥落；贯入度与刀盘转速设置不当都会造成滚刀破桩荷载的增大；对于海珠湾超大直径盾构隧道工程，最优刀间距应取80 mm，最优贯入度应取45 mm，最优刀盘转速应取2 r/min。关键词：盾构隧道；滚刀切桩；数值模拟；相互作用机理；参数分析中图分类号：U455.43文献标志码：A文章编号：1009-6582（2024）01-0216-13DOI:10.13807/ki.mtt.2024.01.022引文格式：王德福.盾构滚刀切削桩基相互作用机理及关键参数分析研究以海珠湾盾构隧道为例J.现代隧道技术,2024,61(1):216-228.WANG Defu.Study on Interaction Mechanism and Key Parameters of Shield Cutter Cutting the Pile FoundationCase Studyof Haizhu Bay Shield Tunnel ProjectJ.Modern Tunnelling Technology,2024,61(1):216-228.1引 言目前，盾构法作为城市隧道建设的主要方法之一，被广泛使用，在城市中心区域修建盾构隧道时，不可避免遭遇既有建（构）筑物桩基础，选择绕线则会延长线路里程、浪费大量财力物力，造成经济损失且影响交通规划1,2。在这种背景下，盾构直接切削桩基成为首选施工方案，但目前切桩理论研究与实施技术尚不成熟，尤其是盾构直接切削大直径钢筋混凝土桩基群时，桩基结构刚度大，钢筋难切割、易缠绕，盾构机-土体-桩基相互作用机理复杂，刀具易发生异常磨损，严重影响施工效率3,4。盾构正面遭遇钢筋混凝土桩基障碍物时，由于早期的盾构机基本不具备直接切桩能力，传统方法是通过拆除原建（构）筑物、地面拔桩、开挖竖井后凿桩等手段事先移除桩基58。随着盾构技术的发展，盾构设备不断改进加强，近年来我国也出现了若干个盾构直接切桩的工程案例，例如，广州地铁3号线盾构机采用复合刀盘切削 19 根500800 灌注桩；上海地铁10号线盾构机增配1套先行刀和6把贝壳刀后切削33根400 mm400 mm预制方桩；上海地铁7号线盾构机增配65把先行刀后切削10根截面为350 mm250 mm立柱桩。相比于传统方法，盾构直接切桩具有对周边环境影响小、成本低、工期短等优点，社会效益及经济效益显著9。在盾构刀具切削钢筋混凝土的作用机理方面，部分学者有了初步研究。许 宇等10开展了盾构刀具切削混凝土试块室内试验，指出切削的实质是刀具与试件反复碰撞、挤压、切削和剥落的循环过程。魏力锋等11研究了刀盘切削洞门围护桩时所施加刀盘推力的数值特征对桩后土体位移的影响。许华国等12通过开展盾构刀盘切削钢筋混凝土桩基的室内试验，揭示了全刀盘滚刀和撕裂刀切削钢筋混凝土桩基的切削原理。王 飞等4开展了盾构直接切削2根直径1 200 mm 桩基的现场试验，分析了切桩效果及机制、掘削参数特征、刀具损伤规律等。王 广13依216盾构滚刀切削桩基相互作用机理及关键参数分析研究以海珠湾盾构隧道为例现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.61,No.1(Total No.414),Feb.2024第61卷第1期(总第414期),2024年2月出版托沈阳地铁4号线盾构切桩工程，引入磨料水射流作为辅助切桩工具，对磨料水射流联合盾构掘削桩基相关理论与技术进行了深入研究。盾构刀具与钢筋混凝土之间的相互作用是高度的非线性力学问题，试验手段成本高昂且对测试仪器有着较高要求。随着计算机技术的发展，建立数值模型进行数值仿真计算成为研究材料切削问题最为常用而且有效的方法之一14,15。Xu 等16对混凝土的 JH-2（Johnson-Holmquist-2）本构模型开展了模型参数研究，得到了JH-2本构模型参数对C30混凝土损伤结果的影响规律。庄欠伟等17采用SPH-FEM耦合方法进行了磨料水射流切割钢筋混凝土桩基的研究，明确了磨料水射流切削钢筋和素混凝土的效果和切割机理。尽管如此，盾构滚刀切削桩基的相互作用机理仍需进一步探究。依托广州海珠湾超大直径盾构隧道工程，采用有限元数值模拟方法对盾构滚刀切削群桩关键参数的敏感性进行研究，并对其相互作用机理进行分析，研究成果对盾构切削桩基过程中关键参数的设置有一定参考价值。2工程背景广州海珠湾隧道工程路线全长4.35 km，其中盾构段长2 077 m，两次穿越破碎带、珠江航道，长距离穿越泥岩、泥质粉砂岩地层，并且下穿密集建筑群、群桩，具有施工环境复杂、掘进控制因素多、施工难度大等特点，对盾构机的要求极高，盾构姿态和施工期地层变形的控制要求严格。针对上述工程重难点，海珠湾东线隧道采用直径为15.07 m的泥水平衡式盾构机（带压刀盘）掘进施。盾构机总长度为130 m，最大推力为222 173 kN，额定扭矩为42 784 kNm，刀盘的整体开口率为35%。该工程在始发段将连续切削数根钢筋混凝土桩，上部建筑物将会受到较大的扰动。始发段下穿中核商务大厦，掘进范围内桩基共 73 根（东线 38根，西线35根），侵入隧道约712 m，如图1所示。图1 隧道与中核商务大厦建筑横剖面Fig.1 Cross section of the tunnel and CNNC Business Building盾构机具备常压换刀功能，支撑方式为中心支撑。刀盘上安装有中心双联滚刀6把，正面滚刀78把，边缘滚刀22把，宽切刀192把，边缘刮刀16组，超挖刀2把，所有可拆式刀具均可从刀盘背部进行更换，具备刀具磨损监测的功能。3仿真模型建立3.1桩基-地层动态切削仿真模型建立采用FHWA土体本构模型进行盾构刀具切削土体数值计算，该模型较为全面地考虑了许多影响因素，可较好地反映土体在受钢制刀具切削时的力学响应。FHWA 模型由弹性本构关系、屈服准则、超孔隙水压力特性、应变硬化及软化性能以及应变率效应5部分组成。根据桩基周围的土层情况，模型计算参数见表1。混凝土桩基模型材料采用HJC模型，该模型是针对混凝土类材料提出的一种综合考虑了应变率效应、损伤演化效应、围压效应和压碎、压实效应影响的本构模型，能较好描述混凝土类材料在大变形、高应变率和高静水压力下的力学行为，且形式简单，参数物理意义明确。HJC模型假设材料的损伤参数与混凝土强度无关，根据经验以及相关文217盾构滚刀切削桩基相互作用机理及关键参数分析研究以海珠湾盾构隧道为例现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第61卷第1期(总第414期),2024年2月出版Vol.61,No.1(Total No.414),Feb.2024表1 地层FHWA模型计算参数取值Table 1 Values of stratum FHWA model calculationparameters参数类型基本参数弹性参数屈服参数孔隙水压力参数应变硬化与软化参数应变率参数其他参数取值土体密度/（kgm-3）2 408.71体积模量K/MPa11.03黏聚力c/MPa2.2110-2含水率0.033应变硬化百分比AN0应变率增强参数Vn0单元控制参数DAMLEV1水密度w/（kgm-3）1.00剪切模量G/MPa5.09内摩擦角/()0.44孔隙水影响参数D20初始损伤体积应变DINT5.010-5应变率增强参数0单元控制参数EPSMAX0.025土颗粒比重Gs2.82孔隙水对体积模量的影响参数D10相似系数a2.3710-3土骨架体积模量影响参数PWKSK0残余抗剪强度角res/()0.06非线性效应的应变硬化量ET10献18可知，D1一般取0.04，D2一般取值为1.0，EFmin一般取值为 0.01。实际切削的桩基混凝土标号为C40。基于相关配比，制作正方体和圆柱体的混凝土试件，测试获得养护28 d后混凝土试件相关的力学性能指标，确定HJC模型的关键参数取值，见表2。表2 混凝土桩基HJC模型参数取值Table 2 Values of concrete pile foundation HJC modelparameters参数类型基本参数强度参数状态方程参数应变率效应参数损伤参数取值密度/（kgm-3）2 110A0.272p1/MPa1.78 103K1/GPa9.23C0.012D10.04剪切模量G/MPa8.75 103B1.5010.16K2/GPa141.24ESP01.0D21.0抗拉强度T/MPa1.62N0.87pc/MPa8.15K3/GPa136.50EFmin0.01单轴抗压强度fc/MPa24.45SFmax20c6.99 10-43.2滚刀-桩基-地层动态切削仿真模型建立根据工程实际情况，采用Ls-DYNA软件建立滚刀-桩基-地层动态切削仿真模型，如图2所示，相邻两把滚刀按照其安装半径从小到大依次标记为1#滚刀和2#滚刀，依次切削地层-桩基模型。其中1#滚刀和2#滚刀的间距可调，同时滚刀的贯入度、刀盘转速、桩基的位置与直径均为可调变量。滚刀模型为同一刀盘辐条上的相邻双滚刀模型，模型滚刀的尺寸为19寸，与本工程项目正面滚刀的尺寸相同，刀圈材料为H13热作模具钢，数值计算中重点考虑刀圈部位的应力与变形。为了兼顾计算效率与精度，滚刀刀圈采用线弹性本构模型，弹性模量取240 GPa，滚刀上刀圈以外部位为刚体。根据实际工程与滚刀破岩试验中滚刀运动轨迹19，定义数值模型中滚刀运动轨迹为圆曲线，所对应圆心角为45。图2 滚刀-桩基-地层切削仿真模型Fig.2 Cutter-pile foundation-stratum cutting simulationmodel4关键参数敏感性分析4.1工况设置根据广州海珠湾超大直径盾构隧道工程与盾构选型情况，分别考虑刀间距、刀圈贯入度、刀盘转速以及桩基相对刀盘的位置等多参数进行数值计算与敏感性分析，工况设计见表3。4.2刀间距对滚刀荷载的影响4.2.1地层-桩基模型塑性区按照表3中工况SP-1、SP-3、SP-7、SP-10，控制滚刀刀间距S为120 mm、100 mm、80 mm、60 mm，提取t为1 s、3 s、5 s、7 s 4个计算时刻地层、桩基的塑性区分布，如图3图6所示。如图3所示，当刀间距S=120 mm，两把滚刀依次切削地层、桩基时，刀圈与开挖面接触部位产生明显的塑性变形，时间t=1 s、3 s、5 s、7 s 4个计算时刻对应的最大应变分别为0.32、0.60、0.59和0.60。218盾构滚刀切削桩基相互作用机理及关键参数分析研究以海珠湾盾构隧道为例现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.61,No.1(Total No.414),Feb.2024第61卷第1期(总第414期),2024年2月出版表3 滚刀切削地层桩基模型工况设计Table 3 Case design of stratum-pile foundation cuttingmodel工况SP-1SP-2SP-3SP-4SP-5SP-6SP-7SP-8SP-9SP-10刀间距/mm1201001001001008080808060转速/（rmin-1）111110.51241推速/（mmmin-1)301030456015306012030贯入度/mm30103045603030303030高差/mm30303030303030303030图3S=120 mm时开挖面塑性区分布Fig.3 Distribution of plastic zone at excavation face whenS=120 mm图4S=100 mm时开挖面塑性区分布Fig.4 Distribution of plastic zone at excavation face whenS=100 mm图5 S=80 mm时开挖面塑性区分布Fig.5 Distribution of plastic zone at excavation face whenS=80 mm图6 S=60 mm时开挖面塑性区分布Fig.6 Distribution of plastic zone at excavation face whenS=60 mm同时，地层与混凝土桩基在受滚刀切削时的变形特征有明显区别，地层只在与滚刀刀圈接触部位发生明显的塑性变形而破坏。而混凝土桩基在被切削时，不仅在与滚刀刀圈接触部位发生了较为明显的塑性变形而破坏，而且在切削位置两侧的一定区域内也有混凝土材料发生了较大的塑性变形，即相对于地层材料，桩基材料表现出了明显的脆性变形特征。由图4图6可知，滚刀切削地层时影响范围较小，两条切削轨迹中间始终存在未破坏材料，即滚刀不能胜任切削地层土体的工作。而对于混凝土219盾构滚刀切削桩基相互作用机理及关键参数分析研究以海珠湾盾构隧道为例现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第61卷第1期(总第414期),2024年2月出版Vol.61,No.1(Total No.414),Feb.2024桩基，当滚刀间距较大时，两条滚刀切削轨迹相互分离，认为此时切削轨迹中间材料未被破坏而形成“岩脊”，当刀间距减小时，两条滚刀切削轨迹距离减小，影响范围逐渐重叠，当塑性区恰好重叠时被切削材料完全破坏剥落，此时滚刀破岩效果较好且滚刀的利用率较高。根据云图，滚刀间距取80 mm时的破桩效果较好。4.2.2滚刀模型等效应力提取不同刀间距下，t=1 s、3 s、5 s、7 s 4个时刻的滚刀刀圈等效应力云图，如图7图10所示。图7S=120 mm时刀圈等效应力云图（单位：Pa）Fig.7 Contour plot for equivalent stress of cutter ring whenS=120 mm(in:Pa)图8 S=100 mm时刀圈等效应力云图（单位：Pa）Fig.8 Contour plot for equivalent stress of cutter ring whenS=100 mm(in:Pa)图9 S=80 mm时刀圈等效应力云图（单位：Pa）Fig.9Contour plot for equivalent stress of cutter ring whenS=80 mm(in:Pa)图10 S=60 mm时刀圈等效应力云图（单位：Pa）Fig.10 Contour plot for equivalent stress of cutter ring whenS=60 mm(in:Pa)由图7可知，当两把滚刀依次切削地层-桩基时，滚刀刀圈发生较为明显的应力集中现象，集中部位为刀圈与地层-桩基模型的接触部位。当刀间距S=120 mm时，t=1 s、t=3 s、t=5 s、t=7 s 4个计算时刻对应的滚刀最大等效应力分别为141 MPa、165 MPa、119 MPa和119 MPa。被切削材料的强度、性质是影响刀圈应力水平的主要因素，当切削混凝土桩基时刀圈的等效应力明显增大。滚刀刀间距对刀圈应力的影响较小，当刀间距取60120 mm时，滚刀在切削混凝土桩基时的微小局部最大等效应力始终处于 140 170 MPa 之间。220盾构滚刀切削桩基相互作用机理及关键参数分析研究以海珠湾盾构隧道为例现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.61,No.1(Total No.414),Feb.2024第61卷第1期(总第414期),2024年2月出版4.2.3滚刀切削桩基荷载刀间距 S=120 mm、100 mm、80 mm、60 mm 时1#、2#滚刀的侧向、法向与切向荷载随时间的变化如图11图14所示。根据图12可知，滚刀的三向荷载中，法向荷载最大，切向荷载次之，侧向荷载最小。同时，当两把滚刀破除混凝土桩基时（1#滚刀0.82.6 s，2#滚刀2.44.2 s），其荷载水平远远大于其切削地层时的荷载。图11 S=120 mm时滚刀荷载随时间变化曲线Fig.11 Variation of cutter load with time when S=120 mm图12 S=100 mm时滚刀荷载随时间变化曲线Fig.12 Variation of cutter load with time when S=100 mm图13 S=80 mm时滚刀荷载随时间变化曲线Fig.13 Variation of cutter load with time when S=80 mm根据滚刀荷载曲线，对于破桩时的荷载，当滚刀刀间距取不同值时，1#滚刀的荷载水平相差不大，法向荷载最大值均为65 kN左右，而2#滚刀荷载水平随刀间距的减小而减小，刀间距S=120 mm、100 mm、80 mm与60 mm时2#滚刀的法向荷载最大值分别为图13 S=60 mm时滚刀荷载随时间变化曲线Fig.13 Variation of cutter load with time when S=60 mm68 kN、66 kN、49 kN与41 kN，这是由于当刀间距较小时，1#滚刀先行破桩会造成混凝土材料局部破坏并形成新的临空面，有利于2#滚刀后续的破桩。针对滚刀刀间距这一重要刀盘参数进行多组数值模拟计算，根据模拟计算结果可知，80 mm为最优刀间距。4.3贯入度对滚刀荷载的影响4.3.1地层-桩基模型塑性区按照表3中工况SP-2、SP-3、SP-4、SP-5，控制滚刀贯入度h=10 mm、30 mm、45 mm、60 mm，提取t=2 s、4 s、6 s、8 s 4个计算时刻地层-桩基模型的塑性区分布，如图15图18所示。图15 h=10 mm时开挖面塑性区分布Fig.15 Distribution of plastic zone at excavation face whenh=10 mm由图15可知，当贯入度h=10 mm，2把滚刀依次切削地层-桩基模型时，刀圈与开挖面接触部位产生明显的塑性变形，t=2 s、t=4 s、t=6 s、t=8 s 4个计算时刻的桩基最大应变分别为0.31、0.61、0.58和0.57。不难看出，随着滚刀贯入度的增大，刀圈与地层-桩基模型相互作用的影响范围扩大。而对于混221盾构滚刀切削桩基相互作用机理及关键参数分析研究以海珠湾盾构隧道为例现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第61卷第1期(总第414期),2024年2月出版Vol.61,No.1(Total No.414),Feb.2024图16 h=30 mm时开挖面塑性区分布Fig.16 Distribution of plastic zone at excavation face whenh=30 mm图17 h=45 mm时开挖面塑性区分布Fig.17 Distribution of plastic zone at excavation face whenh=45 mm图18 h=60 mm时开挖面塑性区分布Fig.18 Distribution of plastic zone at excavation face whenh=60 mm凝土桩基，当贯入度较小时，2条滚刀切削轨迹相互分离，认为此时切削轨迹中间材料未被破坏而形成“岩脊”，当刀圈贯入度增大时，两条滚刀切削轨迹距离减小，影响范围逐渐重叠，认为当塑性区恰好重叠时被切削材料完全破坏剥落，此时滚刀破岩效果较好且滚刀的利用率较高。4.3.2滚刀模型等效应力同时提取贯入度h=10 mm、30 mm、45 mm、60 mm下时间t=2 s、t=4 s、t=6 s、t=8 s 4个计算时刻滚刀刀圈的等效应力云图，如图19图22所示。由图19可图19 h=10 mm时刀圈等效应力云图（单位：Pa）Fig.19 Contour plot for equivalent stress of cutter ring whenh=10 mm(in:Pa)图20 h=30 mm时刀圈等效应力云图（单位：Pa）Fig.20 Contour plot for equivalent stress of cutter ring whenh=30 mm(in:Pa)222盾构滚刀切削桩基相互作用机理及关键参数分析研究以海珠湾盾构隧道为例现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.61,No.1(Total No.414),Feb.2024第61卷第1期(总第414期),2024年2月出版图21 h=45 mm时刀圈等效应力云图（单位：Pa）Fig.21 Contour plot for equivalent stress of cutter ring whenh=45 mm(in:Pa)图22 h=60 mm时刀圈等效应力云图（单位：Pa）Fig.22 Contour plot for equivalent stress of cutter ring whenh=60 mm(in:Pa)知，当两把滚刀依次切削地层-桩基模型时，滚刀刀圈发生较为明显的应力集中现象，集中部位为刀圈与地层-桩基模型的接触部位。当贯入度h=10 mm时，时间t=2 s、4 s、6 s、8 s 4个计算时刻对应的滚刀最大等效应力分别为159 MPa、200 MPa、160 MPa和160 MPa。造成刀圈应力水平变化的主要因素是被切削材料的强度、性质，当切削混凝土桩基时刀圈的等效应力较大。根据数值模拟结果，随着刀圈贯入度的增大，滚刀刀圈的最大等效应力值增大，当贯入度h=60 mm时，滚刀在切削混凝土桩基时的微小局部等效应力将达到652 MPa，超过钢材的屈服极限而破坏，这也是滚刀在破桩时发生磨损的主要原因之一。4.3.3滚刀切削桩基荷载根据数值模拟计算结果，提取1#滚刀和2#滚刀的侧向、法向与切向荷载随时间变化的曲线，如图23图26所示。图23 h=10 mm时滚刀荷载随时间变化曲线Fig.23 Variation of cutter load with time when h=10 mm图24 h=30 mm时滚刀荷载随时间变化曲线Fig.24Variation of cutter load with time when h=30 mm图25 h=45 mm时滚刀荷载随时间变化曲线Fig.25 Variation of cutter load with time when h=45 mm根据滚刀切削桩基荷载可知，刀圈贯入度会对滚刀的荷载水平造成较大影响，尤其是对于滚刀破桩时的荷载，增大贯入度会造成滚刀荷载的急剧增223盾构滚刀切削桩基相互作用机理及关键参数分析研究以海珠湾盾构隧道为例现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第61卷第1期(总第414期),2024年2月出版Vol.61,No.1(Total No.414),Feb.2024图26 h=60 mm时滚刀荷载随时间变化曲线Fig.26 Variation of cutter load with time when h=60 mm大。贯入度取h=10 mm、30 mm、45 mm、60 mm时，1#滚刀法向荷载的最大值分别为42 kN、60 kN、66 kN和104 kN，2#滚刀法向荷载的最大值分别为40 kN、64 kN、70 kN和92 kN。因此，在盾构直接切桩过程中，应特别注意对滚刀贯入度的控制，防止滚刀荷载过大造成滚刀与刀盘的破坏。根据模拟计算结果，贯入度增大更利于切削混凝土，实现混凝土桩的有效切削，但是增加贯入度也会造成滚刀受到的荷载增大。计算结果显示，贯入度在30 mm和45 mm时，两者的滚刀峰值荷载非常接近，但是当滚刀贯入度达到60 mm时，峰值荷载突增到100 kN。基于此，建议本项目在切削混凝土桩基时，最优贯入度取45 mm。4.4刀盘转速对滚刀荷载的影响4.4.1地层-桩基模型塑性区按照表3中工况SP-6、SP-7、SP-8、SP-9，控制刀盘转速=0.5 r/min、1.0 r/min、2.0 r/min、4.0 r/min，提取t=2 s、6 s、10 s、14 s不同计算时刻地层和桩基的塑性区分布，如图27图30所示。图27=0.5 r/min时开挖面塑性区分布Fig.27 Distribution of plastic zone at excavation face when=0.5 r/min图28=1.0 r/min时开挖面塑性区分布Fig.28 Distribution of plastic zone at excavation face when=1.0 r/min根据图28可知，当刀盘转速=0.5 r/min时，2把滚刀依次切削地层、桩基模型时，刀圈与开挖面接触部位产生明显的塑性变形，t=2 s、t=6 s、t=10 s、t=14 s 4个计算时刻的地层-桩基模型最大应变分别为0.32、0.62、0.60和0.58。图29=2.0 r/min时开挖面塑性区分布Fig.29 Distribution of plastic region at excavation face when=2.0 r/min从图27图30可以看出，随着刀盘转速的增大，滚刀刀圈与地层-桩基相互作用的影响范围扩大。特别是对于混凝土桩基，当刀盘转速较小时，2条滚刀切削轨迹相互分离，认为此时切削轨迹中间材料未被破坏而形成“岩脊”，当刀盘转速增大时，2条滚刀切削轨迹距离减小，影响范围逐渐重叠，当塑性224盾构滚刀切削桩基相互作用机理及关键参数分析研究以海珠湾盾构隧道为例现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.61,No.1(Total No.414),Feb.2024第61卷第1期(总第414期),2024年2月出版图30=4.0 r/min时开挖面塑性区分布Fig.30 Distribution of plastic region at excavation face when=4.0 r/min区恰好重叠时被切削材料完全破坏剥落，此时滚刀破岩效果较好且滚刀的利用率较高。4.4.2滚刀模型等效应力同时提取刀盘转速=0.5 r/min、=1.0 r/min、=2.0 r/min、=4.0 r/min条件下，t=2 s、t=6 s、t=10 s、t=14 s 4 个计算时刻滚刀刀圈的等效应力云图，如图31图34所示。从图31可知，当两把滚刀依次切削地层-桩基时，滚刀刀圈发生较为明显的应力集中现象，集中部位为刀圈与地层-桩基模型的接触部位。当刀盘转速=0.5 r/min时，时间t=2 s、t=6 s、t=10 s、t=14 s 4个计算时刻的最大等效应力分别为97 MPa、193 MPa、180 MPa和119 MPa。造成刀圈应力水平变化的主要因素是被切削材料的强度、性质，当切削混凝土桩基时刀圈的等效应力较大。图31=0.5 r/min时刀圈等效应力云图（单位：Pa）Fig.31 Contour plot for equivalent stress of cutter ring when=0.5 r/min(in:Pa)图32=1.0 r/min时刀圈等效应力云图（单位：Pa）Fig.32 Contour plot for equivalent stress of cutter ring when=1.0 r/min(in:Pa)图33=2.0 r/min时刀圈等效应力云图（单位：Pa）Fig.33 Contour plot for equivalent stress of cutter ring when=2.0 r/min(in:Pa)图34=4.0 r/min时刀圈等效应力云图（单位：Pa）Fig.34 Contour plot for equivalent stress of cutter ring when=4.0 r/min(in:Pa)225盾构滚刀切削桩基相互作用机理及关键参数分析研究以海珠湾盾构隧道为例现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第61卷第1期(总第414期),2024年2月出版Vol.61,No.1(Total No.414),Feb.2024根据图32图34可知，随着刀圈贯入度的增大，滚刀刀圈的最大等效应力值增大，当刀盘转速=4.0 r/min时，滚刀在切削混凝土桩基时的微小局部等效应力将达到971 MPa，超过钢材的屈服极限而破坏，这也是滚刀在切桩时发生损坏的主要原因之一。4.4.3滚刀荷载曲线1#、2#滚刀的侧向、法向与切向荷载随时间变化曲线如图35图38所示。从图中不难看出，刀盘转速变化造成的滚刀切削速度不同会对滚刀的荷载水平造成较大影响，尤其是对于滚刀破桩时的荷载，增大刀盘转速会造成滚刀荷载增大。根据材料的动态强度理论，混凝土等脆性材料的强度会随其应变率的增大而增大，数值计算中所采用的HJC模型引入了应变率参数，可以较好地反映混凝土材料这一强度特性。刀盘转速为=0.5 r/min、=1.0 r/min、=2.0 r/min、=4.0 r/min时，1#滚刀法向荷载的最大值分别为55 kN、64 kN、108 kN和111 kN，2#滚刀法向荷载的最大值分别为44 kN、50 kN、74 kN和89 kN。盾构切桩过程中，当刀盘转速过大时，也会造成滚刀荷载过大，导致滚刀与刀盘的损坏。图35=0.5 r/min时滚刀荷载随时间变化曲线Fig.35 Variation of cutter load with time when=0.5 r/min图36=1.0 r/min时滚刀荷载随时间变化曲线Fig.36 Variation of cutter load with time when=1.0 r/min综上，考虑到滚刀受到过大的侧向荷载和切向荷载时极易产生偏磨以及异常磨损等问题，取最优刀盘转速为2.0r/min。图37=2.0 r/min时滚刀荷载随时间变化曲线Fig.37 Variation of cutter load with time when=2.0 r/min图38=4.0 r/min时滚刀荷载随时间变化曲线Fig.38 Variation of cutter load with time when=4.0 r/min5结 论海珠湾超大直径盾构隧道连续切削多根混凝土桩基，为了进一步揭示滚刀切削混凝土桩基的内在机理，保障工程安全，建立了滚刀-桩基-地层精细化模型，获得的主要结论如下：（1）滚刀切削混凝土桩基，当刀间距较大时，两条滚刀切削轨迹相互分离，当刀间距减小时，两条滚刀切削轨迹距离减小，影响范围逐渐重叠，当塑性区恰好重叠时被切削材料完全破坏剥落，此时滚刀破岩效果较好且滚刀的利用率较高，根据研究结果，刀间距取80 mm时的破桩效果较好。（2）随着滚刀贯入度的增大，滚刀切削轨迹的深度增大，并且刀圈与地层-桩基模型相互作用的影响范围扩大。但是贯入度会对滚刀的荷载水平造成较大影响，尤其是对于滚刀破桩时的荷载，增大贯入度会造成滚刀荷载的急剧增大。基于此，综合考虑滚刀所受荷载与切削能力，最优贯入度应取为45mm。（3）随着刀盘转速的增大，滚刀刀圈与地层-桩基模型相互作用的影响范围扩大。但是，对于滚刀破桩时的荷载，增大刀盘转速会造成滚刀荷载增大。考虑到滚刀受到过大的侧向荷载和切向荷载时，极易产生偏磨与异常磨损等问题，取2.0 r/min为最优刀盘转速。（4）混凝土等脆性材料的强度会随其应变率的增大而增大，因此，增大刀盘转速也会造成滚刀荷载一定程度增大。在实际破桩工程中，应选择符合工程实际的刀间距配置，超大直径盾构机建议刀间距设置在80 mm左右。为达到较为理想的破桩效果并且降低对环境的扰动，建议采用慢推速、低转速磨桩通过。226盾构滚刀切削桩基相互作用机理及关键参数分析研究以海珠湾盾构隧道为例现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.61,No.1(Total No.414),Feb.2024第61卷第1期(总第414期),2024年2月出版（4）混凝土等脆性材料的强度会随其应变率的增大而增大，因此，增大刀盘转速也会造成滚刀荷载一定程度增大。在实际破桩工程中，应选择符合工程实际的刀间距配置，超大直径盾构机建议刀间距设置在80 mm左右。为达到较为理想的破桩效果并且降低对环境的扰动，建议采用慢推速、低转速磨桩通过。参考文献References1 陈湘生,喻益亮,包小华,等.基于韧性理论的盾构隧道智能建造J.现代隧道技术,2022,59(1):14-28.CHEN Xiangsheng,YU Yiliang,BAO Xiaohua,et 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