管道更新掘進(jìn)機(jī)刀盤切削鋼筋混凝土管道轉(zhuǎn)矩試驗(yàn)研究

蘇明浩, 甘 雨, 李 洋, 賈連輝

(中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司地下空間設(shè)計研究院， 河南 鄭州 450048)

0 引言

近年來，城市核心區(qū)地下淺層空間的各類市政管道腐蝕老化嚴(yán)重，甚至超過設(shè)計年限，管道錯臺、滲漏、破損、異物侵入等病害高發(fā)，是污水外溢、水體污染、城市大雨內(nèi)澇、湖泊“黑水”、管道爆裂、路面坍塌等問題和事故的根源，城市管網(wǎng)系統(tǒng)已接近全面更新時期[1-3]。

為解決管道更新升級問題，文獻(xiàn)[4-5]提出了PBR工法，該工法利用管道掘進(jìn)機(jī)對舊管道原位破除，同步鋪設(shè)新管道，實(shí)現(xiàn)管道全結(jié)構(gòu)更換。掘進(jìn)過程中，刀盤切削時會產(chǎn)生較大的切削轉(zhuǎn)矩，而轉(zhuǎn)矩作用又會影響到設(shè)備頂進(jìn)推力、推進(jìn)速度、刀盤轉(zhuǎn)速及驅(qū)動功率等參數(shù)。因此，分析切削轉(zhuǎn)矩的變化規(guī)律，可為合理的施工參數(shù)提供依據(jù)，具有重要意義。

Hassanpour等[6]基于具體隧道工程分析了TBM的掘進(jìn)參數(shù)，并建立了新的數(shù)學(xué)模型； 張厚美等[7]利用正交試驗(yàn)，推導(dǎo)了土壓平衡盾構(gòu)應(yīng)用于軟土施工領(lǐng)域的推進(jìn)速度與刀盤轉(zhuǎn)矩的理論模型； 孫玉永等[8]利用數(shù)值模擬軟件，提出了施工參數(shù)建議設(shè)定值的計算公式，并結(jié)合實(shí)際工程驗(yàn)證了建議公式的適用性。

此外，部分學(xué)者針對刀具直接切削混凝土進(jìn)行了可行性研究。例如: 王召遷等[9]設(shè)計試驗(yàn)分析了貫入度、切削速度和刀間距等掘進(jìn)參數(shù)對切削效果的影響； 魏林春[10]設(shè)計了行星刀盤，針對不同強(qiáng)度的混凝土進(jìn)行全斷面切削試驗(yàn)，為掘進(jìn)施工提供參考； 陳海豐等[11]針對蘇州地鐵盾構(gòu)施工工程，根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果，系統(tǒng)地研究了掘削參數(shù)的變化特征和影響因素，并提出相應(yīng)的掘削參數(shù)設(shè)置與控制方案； 許華國等[12]基于盾構(gòu)穿越混凝土樁基的難題，提出了盾構(gòu)刀盤直接切削鋼筋混凝土樁基的滾刀和撕裂刀高低組合配置方案以及合理掘進(jìn)參數(shù)。

目前，國內(nèi)外利用掘進(jìn)機(jī)沿線路方向長距離直接切削鋼筋混凝土管道的相關(guān)研究和實(shí)施技術(shù)鮮有報道。利用掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行舊管道更新的掘削過程與以往刀盤切削土層相比，差異較大。本文通過力學(xué)與數(shù)學(xué)方法，從條齒滾刀切削鋼筋混凝土管道機(jī)制入手，研究切削轉(zhuǎn)矩的計算方法；通過刀盤切削鋼筋混凝土管道試驗(yàn)，獲取切削時刀盤轉(zhuǎn)矩、貫入度、切削比能等相關(guān)參數(shù)，分析各參數(shù)變化規(guī)律，給出掘進(jìn)控制指導(dǎo)參數(shù)。

1 切削機(jī)制分析

盤形滾刀(見圖1)主要通過擠壓、剪切實(shí)現(xiàn)對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的切削。由于結(jié)構(gòu)形式受限，相鄰滾刀間存在較大的刀間距，盤形滾刀在切削時無法保證刀刃完全、連續(xù)作用在鋼筋混凝土管道內(nèi)的鋼筋上，這與以往盾構(gòu)切樁[13-15 ]有顯著不同。本文提出并針對性地設(shè)計出一種新型連續(xù)螺旋條齒滾刀，條齒滾刀屬于鑲齒滾刀，具有合金齒鑲嵌于刀具胚體的工藝特征，但又顯著區(qū)別于當(dāng)前硬巖反井鉆機(jī)的各類鑲齒滾刀(見圖2)。鑲齒滾刀目前主要分為球齒、楔齒、鎬齒，均是以錐形刀體按一定間距或分布規(guī)律點(diǎn)狀鑲嵌，而連續(xù)螺旋條狀鑲嵌的滾刀形式尚未見報道。雖然工藝上條齒滾刀屬鑲齒滾刀，但其工作原理是通過牙輪滾壓，與盤形滾刀具有相似性。條齒滾刀主要通過碾壓、沖擊、剪切等方式實(shí)現(xiàn)對鋼筋混凝土管道的切削[4]。

圖1 盤形滾刀

圖2 鑲齒滾刀

文獻(xiàn)[15-18]的研究表明，滾刀切削鋼筋的耐沖擊效果優(yōu)于撕裂刀，但鋼筋正向切割(管道縱筋)效果劣于撕裂刀、刮刀。為了使?jié)L刀發(fā)揮其優(yōu)勢，考慮不同刀具相互配合的組合切削形式。以新型條齒滾刀切削鋼筋混凝土管節(jié)為主，提出條齒滾刀+刮刀+中心魚尾刀的組合切削形式，環(huán)向螺旋鋼筋通過條齒滾刀碾壓、剪切破壞，縱向鋼筋通過條齒滾刀、刮刀折彎，經(jīng)條齒滾刀碾壓后切斷。條齒滾刀切削機(jī)制如圖3所示。

(a) 環(huán)筋切削

條齒滾刀及破切鋼筋混凝土管節(jié)示意如圖4所示。條齒滾刀切削鋼筋混凝土管節(jié)主要承受管節(jié)切削阻力、摩擦阻力等。切削轉(zhuǎn)矩如式(1)和式(2)所示。

T=T1+T2。

(1)

(2)

式(1)—(2)中：T為鋼筋混凝土管節(jié)切削轉(zhuǎn)矩總和，kN·m；T1為滾刀切削轉(zhuǎn)矩，kN·m；T2為刀盤摩擦轉(zhuǎn)矩，包括刀盤前、后面板摩擦轉(zhuǎn)矩及攪拌轉(zhuǎn)矩，kN·m；f為滾刀滾動阻力系數(shù)，取0.1～0.15；F為鋼筋混凝土管節(jié)切削阻力，kN；Ri為第i把滾刀在刀盤上的回轉(zhuǎn)半徑，m。

(a) 條齒滾刀(b) 破切鋼筋混凝土管節(jié)示意

2 試驗(yàn)設(shè)計

2.1 試驗(yàn)裝置

管道切削試驗(yàn)系統(tǒng)由切削試驗(yàn)臺(見圖5)、試驗(yàn)刀盤(見圖6)、試驗(yàn)管節(jié)(見圖7)組成。切削試驗(yàn)臺主要包括驅(qū)動裝置、頂推支架、油缸、液壓泵站、上位機(jī)等。切削試驗(yàn)采用反向加載的方式進(jìn)行，頂推支架上配備單根油缸頂緊鋼筋混凝土管節(jié)并向刀盤方向移動，刀盤原地轉(zhuǎn)動，直到刀盤接觸鋼筋混凝土管節(jié)實(shí)現(xiàn)切削動作，通過上述動作模擬刀盤切削鋼筋混凝土管節(jié)試驗(yàn)。刀盤為面板式結(jié)構(gòu)，外徑為1 480 mm，配置有錐形條齒滾刀、筒形條齒滾刀、刮刀、中心刀。

圖5 切削試驗(yàn)臺

圖6 試驗(yàn)刀盤

圖7 鋼筋混凝土管節(jié)

2.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)管節(jié)為C50鋼筋混凝土三級管，外徑為1 200 mm，厚度為100 mm，主筋直徑為5 mm。為了分析不同切削參數(shù)下刀盤切削鋼筋混凝土管道的效果，以刀盤轉(zhuǎn)速、推進(jìn)速度為自變量因素設(shè)計試驗(yàn)，試驗(yàn)共分70組。試驗(yàn)參數(shù)安排如表1所示。

表1 試驗(yàn)參數(shù)安排

設(shè)計刀具刀齒高于刀具本體8 mm，試驗(yàn)時要求貫入度低于24 mm/r，防止刀具本體磨損。刀盤貫入度

P=v/n。

(3)

式中：v為刀盤推進(jìn)速度，mm/min；n為刀盤轉(zhuǎn)速，r/min。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

(a) n=3.0 r/min、v=12 mm/min

3.2 刀盤轉(zhuǎn)速、推進(jìn)速度與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系

3.2.1 刀盤轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系

為了分析刀盤轉(zhuǎn)速對轉(zhuǎn)矩的影響，繪制轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩曲線。由于刀盤轉(zhuǎn)速與貫入度呈反比例的關(guān)系，理論上當(dāng)轉(zhuǎn)速較小時，刀盤的貫入度較大，刀盤轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的阻力矩就會更大；當(dāng)轉(zhuǎn)速增加時，意味著單位時間內(nèi)刀盤將切割更大面積的管節(jié)，貫入度與阻力矩隨之減小，轉(zhuǎn)矩應(yīng)呈現(xiàn)出隨著轉(zhuǎn)速的增加而減小的規(guī)律。

轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖9所示?？梢钥闯觯?1)隨著刀盤轉(zhuǎn)速的增加，轉(zhuǎn)矩呈先減小后增大的規(guī)律。2)刀盤切削鋼筋混凝土與切削土層差異明顯,刀盤切削鋼筋混凝土管道存在合理的切削區(qū)間。3)在一定范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)矩仍遵循隨轉(zhuǎn)速增加而減小的規(guī)律。4)超出最佳切削區(qū)間時，由于轉(zhuǎn)速過大，刀盤對鋼筋混凝土管壁的切削效果明顯減弱，混凝土不能被有效切碎，而是大塊不均勻剝落。鋼筋因不能有效地穩(wěn)定壓剪，導(dǎo)致環(huán)向鋼筋成盤沿管壁堆積。此時刀盤對管道整體的切削效果減弱，導(dǎo)致切削阻力增大，從而轉(zhuǎn)矩顯著增加。

圖9 轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

利用多項式f(T)=C1n3+C2n2+C3n+C4n(其中C1、C2、C3、C4均為擬合參數(shù)，無因次量)對轉(zhuǎn)矩進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果見表2。擬合后回歸系數(shù)均大于0.98，擬合結(jié)果較好。

3.2.2 刀盤推進(jìn)速度與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系

刀盤轉(zhuǎn)矩與推進(jìn)速度的關(guān)系如圖10所示?？梢钥闯觯?1)當(dāng)?shù)侗P推進(jìn)速度為12～60 mm/min，不同刀盤轉(zhuǎn)速下的刀盤轉(zhuǎn)矩隨著推進(jìn)速度的增加而增大。2)通過控制刀盤的推進(jìn)速度對刀盤的轉(zhuǎn)矩有較大的影響，并且二者呈較好的線性關(guān)系。

利用式(4)對轉(zhuǎn)矩進(jìn)行擬合，擬合后回歸系數(shù)均大于0.95。

f(T)=av+b。

(4)

式中：a、b均為擬合參數(shù)，無因次量。

表2 轉(zhuǎn)矩擬合結(jié)果

圖10 轉(zhuǎn)矩與推進(jìn)速度的關(guān)系

3.2.3 刀盤轉(zhuǎn)速、推進(jìn)速度與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系

將式(4)中的參數(shù)a和b分別與刀盤轉(zhuǎn)動速度繪制在直角坐標(biāo)系中，結(jié)果如圖11和圖12所示?？梢妳?shù)a和b都與刀盤轉(zhuǎn)速有著較好的規(guī)律性，其關(guān)系式分別如式(5)和式(6)所示。

a=0.21n-0.03。

(5)

b=0.13n3-0.91n2+1.41n+6.54。

(6)

結(jié)合式(1)—(3)，可以得出：

f(T)=0.13n3-0.91n2+1.41n+0.21nv-0.03v+6.54。

(7)

圖11 參數(shù)a與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

圖12 參數(shù)b與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

3.3 貫入度、切削比能與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系

3.3.1 貫入度與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系

刀盤轉(zhuǎn)矩與貫入度的關(guān)系如圖13所示。可以看出： 1)各組轉(zhuǎn)矩隨著貫入度的增加呈先減小后增大的規(guī)律。2)當(dāng)v=12 mm/min時，隨著貫入度由2.4 mm/r增至12 mm/r，刀盤轉(zhuǎn)矩由8.7 kN·m減至7.66 kN·m后又增至11.4 kN·m，閾值位于P=4 mm/r處。3)當(dāng)v=18 mm/min時，隨著貫入度由3.6 mm/r增至18 mm/r，刀盤轉(zhuǎn)矩由8.9 kN·m減至7.96 kN·m后又增至13.05 kN·m，閾值位于P=5.14 mm/r處。4)當(dāng)v=24 mm/min時，隨著貫入度由4.8 mm/r增至16 mm/r，刀盤轉(zhuǎn)矩由9.15 kN·m減至8.4 kN·m后又增至12.1 kN·m，閾值位于P=6.85 mm/r處。5)當(dāng)v=30 mm/min時，隨著貫入度由6.0 mm/r增至15 mm/r，刀盤轉(zhuǎn)矩由9.56 kN·m減至9.08 kN·m后又增至11.95 kN·m，閾值位于P=8.57 mm/r處。

圖13 轉(zhuǎn)矩與貫入度的關(guān)系

3.3.2 切削比能公式修正

通過引入刀盤轉(zhuǎn)速、推進(jìn)速度、轉(zhuǎn)矩、貫入度等參數(shù)，對刀盤切削鋼筋混凝土管道的效率進(jìn)行評價，確定最優(yōu)切削參數(shù)。目前，國內(nèi)學(xué)者針對TBM掘進(jìn)表現(xiàn)進(jìn)行預(yù)測分析，提出切削比能公式如式(8)所示。

(8)

式中：Es為切削比能，(kW·h)/m3；D為刀盤直徑，m。

針對刀盤切削鋼筋混凝土管道特性，結(jié)合式(7)對式(8)進(jìn)行修正，結(jié)果如式(9)所示。

(9)

式中：D1為管道外徑，m；D2為管道內(nèi)徑，m。

3.3.3 貫入度、切削比能與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系

刀盤轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速、推進(jìn)速度的關(guān)系如圖14所示。切削比能與轉(zhuǎn)速、推進(jìn)速度的關(guān)系如圖15所示。由圖14和圖15可知： 1)刀盤切削鋼筋混凝土管道的機(jī)制較土層復(fù)雜，刀盤切削鋼筋混凝土管道存在一個合理的切削區(qū)間； 2)當(dāng)貫入度過大時，即刀盤轉(zhuǎn)速過小或者推進(jìn)速度過大，會造成刀盤轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的阻力與阻力矩更大，而轉(zhuǎn)矩過大會影響管道更新施工過程的穩(wěn)定性，甚至?xí)霈F(xiàn)卡機(jī)的現(xiàn)象； 3)當(dāng)貫入度過小時，即刀盤轉(zhuǎn)速過大或者推進(jìn)速度過小，會導(dǎo)致比能過大、造成資源浪費(fèi)、影響施工工效，甚至刀盤因轉(zhuǎn)速過快剝落混凝土卻未能有效切斷鋼筋，導(dǎo)致被鋼筋纏繞，不利切削。因此，為了保證管道更新施工的可行性與穩(wěn)定性，需要將掘進(jìn)參數(shù)控制在合理的區(qū)間內(nèi)。

圖14 刀盤轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速、推進(jìn)速度的關(guān)系

圖15 切削比能與轉(zhuǎn)速、推進(jìn)速度的關(guān)系

刀盤轉(zhuǎn)矩與貫入度的關(guān)系如圖16所示。切削比能與貫入度的關(guān)系如圖17所示。由圖16和圖17可知： 1)當(dāng)?shù)侗P貫入度由2 mm/r增至18 mm/r時，切削比能由65.9 (kW·h)/m3減至14.48 (kW·h)/m3。2)刀盤貫入度對切削比能的影響較大，但隨著貫入度的增加，切削比能的衰減主要體現(xiàn)在P<10 mm/r階段。當(dāng)P>10 mm/r時，貫入度對切削比能的影響不大。3)當(dāng)P<10 mm/r，貫入度對切削轉(zhuǎn)矩的影響較??；當(dāng)P>10 mm/r時，隨著貫入度的增加，轉(zhuǎn)矩增加迅速。綜上所述，貫入度控制在8～12 mm/r為最優(yōu)區(qū)間。

圖16 刀盤轉(zhuǎn)矩與貫入度的關(guān)系

圖17 切削比能與貫入度的關(guān)系

4 工程應(yīng)用

4.1 工程概況

為了驗(yàn)證管道更新掘進(jìn)機(jī)設(shè)備和技術(shù)的可行性，研制了管道更新掘進(jìn)機(jī)，對老舊管道結(jié)構(gòu)進(jìn)行全斷面切削，同步頂進(jìn)新管節(jié)，實(shí)現(xiàn)管道沿既有管線更新。管道更新試驗(yàn)段工程見圖18。切削后鋼筋混凝土碎渣及擴(kuò)挖范圍內(nèi)巖土通過泥水循環(huán)方式進(jìn)行外排，掘進(jìn)過程中掌子面保持泥水平衡。

圖18 管道更新試驗(yàn)段工程

該成果已應(yīng)用于河南省鄭州市某管道更新工程，該工程更新前的原管道由3個區(qū)間2個檢查井組成(見圖19)。每個區(qū)間長度約20 m，總長為60 m，管道埋深為3 m，土層以粉砂、粉土為主。原管道為DN1 000預(yù)制鋼筋混凝土承插式三級管，混凝土強(qiáng)度等級為C50，鋼筋直徑為5 mm。管道基礎(chǔ)為C25素混凝土，同時還存在不同程度的管道錯口。更新后的管道為DN1 200柔性B類鋼承口預(yù)制鋼筋混凝土三級管(見圖20)。

圖19 更新前的管道

圖20 更新后的管道

4.2 掘進(jìn)參數(shù)分析

將刀盤轉(zhuǎn)速控制在2.5 r/min、推進(jìn)速度維持在20 mm/min掘進(jìn)，施工過程中推力、轉(zhuǎn)矩隨時間的變化如圖21和圖22所示。由圖21和圖22可以看出： 掘進(jìn)過程中，刀盤推力為1 650～1 710 kN，轉(zhuǎn)矩為6.44～15.98 kN·m。通過收集排出的渣土，發(fā)現(xiàn)排出混凝土碎渣可控制在10 mm以下，鋼筋長度大多在5 cm以下，掘進(jìn)過程較為穩(wěn)定。排出混凝土渣粒如圖23所示。排出鋼筋如圖24所示。

圖21 推力與時間的關(guān)系

圖22 轉(zhuǎn)矩與時間的關(guān)系

圖23 排出混凝土渣粒

圖24 排出鋼筋

5 結(jié)論與討論

本文通過理論模型及刀盤試驗(yàn)，對新型條齒滾刀與鋼筋混凝土管道作用機(jī)制、刀盤切削轉(zhuǎn)矩的計算方法、切削參數(shù)的變化規(guī)律與影響因素進(jìn)行研究，并根據(jù)計算成果進(jìn)行工程應(yīng)用。主要結(jié)論如下：

1)刀盤全斷面切削鋼筋混凝土管道時，刀盤轉(zhuǎn)矩呈現(xiàn)一定的波動性，與時間呈Boltzmann函數(shù)關(guān)系。

2)隨著刀盤轉(zhuǎn)速的增加，刀盤轉(zhuǎn)矩呈先減小后增加的規(guī)律；刀盤轉(zhuǎn)矩均隨著刀盤推進(jìn)速度的增加而增加。

3)刀盤轉(zhuǎn)矩隨貫入度的增加而增大，切削比能隨貫入度的增加而減小，貫入度控制在8～12 mm/r為最優(yōu)區(qū)間。

4)在管道更新施工中，推力、轉(zhuǎn)矩整體波動較小，掘進(jìn)過程較為穩(wěn)定，表明在合理的掘進(jìn)參數(shù)區(qū)間內(nèi)，利用全斷面掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行管道更新施工具有可行性。

隨著城市發(fā)展和管理理念的進(jìn)步，城市核心區(qū)明挖施工的限制和要求越來越高，管道修復(fù)更新的非開挖、機(jī)械化是未來技術(shù)發(fā)展的方向，但能夠處理復(fù)雜管道病害尤其是全結(jié)構(gòu)更新更換的非開挖工法可供選擇的還較少。管道破除更新工法對鋼筋混凝土以及脆性材質(zhì)的管道具有適用性，但目前管道破除更新的應(yīng)用案例還較少，設(shè)備樣機(jī)需要改進(jìn)的地方還有很多，還需要進(jìn)行更多的試驗(yàn)和實(shí)踐。