管道更新掘進機刀盤切削技術研究

馮 琳, 賈連輝, 薛廣記, 王小濤, 蘇明浩

(中鐵工程裝備集團有限公司, 河南 鄭州 450016)

0 引言

隨著我國城市化水平的不斷推進,城市老舊管網經年累月老舊破損,原有管道直徑太小不能滿足需求,管道更新面臨重大需求。傳統市政管道更新通常采用明挖法破除,但明挖法處理存在占地面積大、結構復雜、對環境影響大、周期長、效率低等問題。而非開挖管道更新技術作為管道更新的革命性創新技術,采用現代化的施工機械,以高效、優質、成本適中且對環境友善的方式進行地下管線的更換工作。

20世紀80年代,歐洲率先開展了對非開挖技術的相關研究,我國近些年也逐步進入了該領域的研究。文獻[1-2]研究了目前管道常用的非開挖更新技術和實際應用發展狀況,并分析了當前我國管道更新發展中存在的問題及未來發展的前景。文獻[3-4]介紹了國外水平螺旋鉆、氣動錘、碎管機等非開挖設備的工作原理及性能特點,并論述了非開挖技術的發展趨勢。

非開挖管道更新技術目前主要有破管外擠和破管頂進2種。其中,破管外擠主要包括爆管法和脹管法,通過氣動或液動爆管,采用液壓裂管機牽引,該工法在日本MTS廠家有應用案例,脹裂的管徑為50～600 mm,主要適用于替換管道周圍不易產生新變形的地質; 關于破管頂進法,德國海瑞克生產過1臺樣機,類似水平螺旋鉆機頂進,主要適用于管徑小于500 mm的小尺寸管道更新。目前,較大直徑的管道更新技術在國內外尚無應用案例,且非開挖管道更新技術規范的制定也尚處于初期階段[5],理論發展相對滯后于實踐。非開挖管道更新的切削技術成為制約非開挖管道更新技術的瓶頸,非開挖管道更新設備及工法僅適用于管徑小于600 mm的管道開挖,且無法解決鋼筋混凝土管節的切削問題。因此,研發一種非開挖管道更新切削技術實現大直徑鋼筋混凝土管道更新成為亟待解決的問題。

探索直接破切鋼筋混凝土管節的非開挖管道更新切削技術對提高施工效率、降低施工成本及安全施工具有重要意義。本文研究了非開挖管道更新掘進機的刀盤切削技術,旨在填補管道更新掘進機在市政管道更新領域的空白。

1 刀盤切削鋼筋混凝土管節破切機制分析

市政用污水管道內部鋼筋多為環筋+縱筋組合形式。試驗采用C50鋼筋混凝土管節,管節帶有承插口,鋼筋混凝土管節環筋和縱筋均采用φ6/φ8 mm光圓鋼筋,環縱筋交叉布置,并采用點焊固定,鋼筋混凝土管節示意圖如圖1所示。

1.1 刀盤切削鋼筋混凝土管節破切機制

1.1.1 滾刀破切機制

盤形滾刀主要通過擠壓、剪切機制實現對鋼筋混凝土管節的切削,但盤形滾刀因結構形式受限,相鄰滾刀間存在較大的刀間距,盤形滾刀切削時無法保證刀刃完全、連續壓在鋼筋混凝土管節的鋼筋上。鑲齒滾刀在豎井、反井硬巖地質工程中應用較多,但沒有鋼筋混凝土管節切削案例,若采用鑲齒滾刀切削鋼筋混凝土管節,則主要通過碾壓、沖擊、剪切等方式實現[6]。鑲齒滾刀刀體為錐形,刀體上均勻焊接有若干個硬質合金齒,鑲齒滾刀齒形主要有球齒和條齒2種類型(如圖2所示),分別采用這2種類型的鑲齒滾刀探索鋼筋混凝土管節切削可行性。

(a) 球齒滾刀

(b) 條齒滾刀圖2 鑲齒滾刀Fig. 2 Toothed disc cutters

1.1.2 滾刀+撕裂刀組合破切機制

根據文獻[7-11]研究,滾刀切削鋼筋耐沖擊效果優于撕裂刀,撕裂刀切削鋼筋正向切割效果優于滾刀,為了使滾刀和撕裂刀各自發揮其優勢,可考慮2種刀具相互配合的組合切削形式。以條齒滾刀切削鋼筋混凝土管節為例,提出撕裂刀+條齒滾刀的組合切削形式,滾刀壓入鋼筋混凝土管節時,滾刀上鑲嵌的條齒可實現對環筋的破切; 撕裂刀先行對縱筋進行折彎,而后滾刀對折彎后的縱筋進行碾壓,進而實現對縱筋的破切,如圖3所示。球齒滾刀與條齒滾刀破切鋼筋混凝土管節機制類似,這里不再贅述。

(a) 環筋的切削(b) 縱筋的切削圖3 條齒滾刀切削機制Fig. 3 Cutting mechanism of strip disc cutter

1.1.3 滾刀切削鋼筋混凝土管節受力分析

無論是球齒滾刀還是條齒滾刀,鑲齒滾刀切削鋼筋混凝土管節機制是相同的,主要承受管節切削阻力、摩擦阻力[12]等。球齒/條齒滾刀及破切鋼筋混凝土管節示意如圖4和圖5所示。

圖4 球齒滾刀及破切鋼筋混凝土管節示意圖Fig. 4 Schematic of spherical disc cutter and reinforced concrete pipe breaking

圖5 條齒滾刀及破切鋼筋混凝土管節示意圖Fig. 5 Schematic of strip disc cutter and reinforced concrete pipe breaking

以條齒滾刀破切鋼筋混凝土管節為例,滾刀切削鋼筋混凝土管節時,主要受到鋼筋混凝土管節切削阻力F,F包括混凝土壓潰阻力Fs和鋼筋剪斷阻力Ft;F可分解為水平切削阻力Fh和垂直切削阻力Fv2個方向分力,且垂直切削阻力Fv指向刀盤中心,多力可相互抵消,刀具受力物理模型如圖6所示。

圖6 刀具受力物理模型Fig. 6 Physical model of tool force

F=Fs+Ft;

(1)

Fs=p0s;

(2)

Ft=p1πd2/4;

(3)

Fh=Fcosα;

(4)

Fv=Fsinα。

(5)

則刀盤切削鋼筋混凝土管節時受到的切削總力

(6)

式(1)—(6)中:p0為混凝土抗壓強度,MPa;s為鑲齒滾刀與管節接觸面積,m2;p1為鋼筋抗剪強度,MPa;α為管節切削阻力與管節水平線夾角,(°);d為鋼筋直徑,m;n為鑲齒滾刀數量。

刀盤切削鋼筋混凝土管節時,主要承受鑲齒滾刀切削轉矩T1和摩擦轉矩T2。當刀盤上纏繞長鋼筋時,此時刀盤還承受鋼筋拉斷轉矩T3。

T=T1+T2+T3;

(7)

(8)

(9)

式(7)—(9)中:T為鋼筋混凝土管節切削轉矩總和,kN·m;T1為滾刀切削轉矩,kN·m;T2為刀盤摩擦轉矩,包括刀盤前、后面板摩擦轉矩及攪拌轉矩,kN·m;T3為刀盤剪切鋼筋轉矩,kN·m;f為滾刀滾動阻力系數,取0.1～0.15;Ri為第i把滾刀在刀盤上的回轉半徑,m;F3為鋼筋拉斷力,kN;P為鋼筋抗拉強度,MPa;S為鋼筋截面積,mm2。

1.2 二次破碎機制分析

刀盤破切后的鋼筋混凝土管節存在較大的混凝土渣,若不及時對大塊混凝土渣及鋼筋進行二次剪切、破碎,渣塊及鋼筋很容易堆積纏繞在刀盤上或堵住排渣口導致無法排出,因此需要在刀盤上設計一種二次剪切破碎機構[13]。二次破碎機構可實現對渣塊的二次剪切或磨削破碎,而后排出,如圖7所示。

(a) 剪切破碎示意圖

(b) 磨削破碎示意圖圖7 二次剪切破碎機制圖Fig. 7 Secondary shear crushing mechanism

2 刀盤結構設計

為驗證不同刀盤刀具配置對鋼筋混凝土管節切削效果的影響,設計了2種刀盤結構: 一種為輻條式結構形式,輻條式刀盤上搭載球齒滾刀; 另一種為面板式結構形式,面板式刀盤上搭載條齒滾刀。

2.1 輻條式刀盤結構設計

輻條式刀盤上配置有球齒滾刀、撕裂刀、切刀等刀具,其中,球齒滾刀3把,切刀6把,撕裂刀若干把。刀盤牛腿位于刀盤后面板后部,且每組牛腿上均布有主動破碎剪切塊,輻條式刀盤結構示意如圖8所示。

圖8 輻條式刀盤結構示意圖Fig. 8 Schematic of a spoke cutterhead

建立對輻條式刀盤三維模型并進行仿真分析,采用刀盤材料Q355B,根據式(1)及式(7),并綜合考慮刀盤切削管節時承受的摩擦阻力及土艙阻力等,對刀盤施加正壓力為450 kN,額定轉矩大小為128 kN·m(考慮新設備,這里取3倍安全系數),經分析,得到刀盤應變云圖及應力云圖,如圖9所示。

(a) 應變云圖(單位: mm)

(b) 應力云圖(單位: MPa)圖9 輻條式刀盤靜力學特性仿真分析Fig. 9 Simulation analysis of static characteristics of spoke cutterhead

由圖9可知,刀盤最大變形量為0.16 mm,在設計允許范圍內,滿足剛度要求; 刀盤最大應力值為59.4 MPa,遠遠小于刀盤結構的許用應力值,滿足強度要求。

2.2 面板式刀盤結構設計

刀盤面板上布置有條齒滾刀及刮刀,其中,條齒滾刀4把,刮刀若干把。刀盤牛腿布置于刀盤后面板后部,且每組牛腿上均布有主動破碎剪切塊,面板式刀盤結構示意如圖10所示。

圖10 面板式刀盤結構示意圖Fig.10 Schematic of a panel cutterhead

對面板式刀盤建立三維模型并進行仿真分析,刀盤材料為Q355B,向面板式刀盤施加與輻條式刀盤相同的壓力及轉矩,經分析,得到刀盤應變云圖及應力云圖,如圖11所示。

(a) 應變云圖(單位: mm)

(b) 應力云圖(單位: MPa)圖11 面板式刀盤靜力學特性仿真分析Fig. 11 Simulation analysis of static characteristics of panel cutterhead

由圖11可知,刀盤最大變形量為0.17 mm,在設計允許范圍內,滿足剛度要求; 刀盤最大應力值為49.7 MPa,遠遠小于刀盤結構的許用應力值,滿足強度要求。

2.3 二次剪切破碎結構設計

在前盾隔板下部錐板區域布置有破碎板,破碎板之間間隔布置有被動剪切塊,刀盤牛腿上間隔布置有主動剪切塊;破碎板、被動剪切塊與刀盤牛腿上的主動剪切塊傾角一致,刀盤二次剪切破碎結構示意如圖12所示。

(a) 二次剪切破碎結構(b) I處局部放大圖圖12 二次剪切破碎示意圖Fig. 12 Schematic of secondary shear crushing

刀盤一次破碎后的渣塊進入渣艙后,受到重力作用,大部分混凝土渣會沉積到刀盤下部區域,粒徑小的渣塊將通過排漿口排出,粒徑大的渣塊、鋼筋及未來得及排出的小粒徑渣塊則被牛腿從排漿口撥開[13-14],攜帶進入二次剪切破碎空間實現二次破碎。當刀盤旋轉時,牛腿上的主動剪切塊與前盾錐板上的被動剪切塊間形成破碎空間,牛腿上的主動剪切塊可隨刀盤的旋轉,并配合前盾隔板上的被動剪切塊實現對渣塊的二次剪切破碎,而后排出。

3 切削試驗

3.1 切削試驗臺簡述

切削試驗臺(見圖13)主要包括驅動裝置、刀盤、頂推支架、試驗管節、液壓泵站等。其中,刀盤開挖直徑為1 480 mm,刀盤進行切削試驗時,頂推支架上配備的2組推進油缸頂緊鋼筋混凝土管節并向刀盤方向移動,刀盤原地轉動,直到刀盤接觸鋼筋混凝土管節實現切削動作,通過上述動作模擬刀盤切削鋼筋混凝土管節試驗。試驗臺架為刀盤切削試驗提供推進力及轉矩。

圖13 切削試驗臺Fig. 13 Cutting test bench

3.2 試驗過程

試驗采用C50鋼筋混凝土管節,管節外徑為1 200 mm,厚度為100 mm,刀盤推進速度設置為12～60 mm/min,刀盤轉速設置為0.5～5 r/min,均可設定某一恒定等差參數遞增; 以推進速度控制為參考,通過設置不同的刀盤轉速觀測切削變化規律。

在切削試驗臺上分別開展輻條式刀盤、面板式刀盤切削試驗,模擬刀盤單純切削管節效果,試驗刀盤如圖14所示。此外,還對現場切削效果好的刀盤開展一次地下切削試驗,探究刀盤在地下切削管節的性能表現。

(a) 輻條式刀盤

3.3 試驗分析

3.3.1 試驗臺切削情況分析

3.3.1.1 切削參數分析

為探究掘進參數變化對管節切削效果的影響,分析了刀盤推進速度控制在24 mm/min[15]、恒定刀盤轉速為0.5～5 r/min時,不同刀盤刀具配置下推力和轉矩的變化,如圖15和圖16所示?？梢钥闯? 1)輻條式刀盤切削鋼筋混凝土管節推力為350～550 kN,轉矩為8～13 kN·m; 2)面板式刀盤切削鋼筋混凝土管節推力為500～800 kN,轉矩為6～9 kN·m。

(a) 推力曲線

(b) 轉矩曲線圖15 輻條式刀盤切削推力和轉矩曲線Fig. 15 Spoke cutterhead cutting thrust and torque curves

(a) 推力曲線

(b) 轉矩曲線圖16 面板式刀盤切削推力和轉矩曲線Fig. 16 Panel cutterhead cutting thrust and torque curves

相對于球齒滾刀,條齒滾刀切削鋼筋混凝土管節具有推力大、轉矩平穩的特點。

3.3.1.2 鋼筋破切效果分析

1)輻條式刀盤切削鋼筋混凝土管節時,存在鋼筋與大塊混凝土渣連為一體的情況,刀盤經多次碾壓、絞斷可將鋼筋切斷,切斷鋼筋長度短的在100 mm左右,長的在400～500 mm,刀盤切削環筋效果差,現場切斷鋼筋形態如圖17所示。

(a) 壓扭破壞

(b) 剪切破壞

(c) 碾壓破壞圖17 輻條式刀盤切削鋼筋破壞形態Fig. 17 Failure forms of reinforced bar cut by spoke cutterhead

2)面板式刀盤切削鋼筋混凝土管節時,刀盤經多次碾壓、絞斷可將鋼筋切斷,切斷鋼筋長度短的在10 mm左右,長的在1 m左右,不存在鋼筋與大塊混凝土渣連為一體并向刀盤周邊擴散的現象,混凝土渣塊與鋼筋剝離情況較好,如圖18所示。試驗發現,當刀盤推進速度大于60 mm/min時存在管節被壓潰的情況,上位機切削數據異常,表明刀盤在大推進壓力工況下設備掘進不平穩。

(a) 切斷鋼筋情況

(b) 管節壓潰圖18 面板式刀盤切削鋼筋破壞形態Fig. 18 Failure forms of reinforced bar cut by panel cutterhead

綜合分析刀盤切削參數及鋼筋破切效果可知: 1)相對于輻條式刀盤,面板式刀盤束縛鋼筋效果好,且刀盤上配置的條齒滾刀較易破切鋼筋; 2)相對于輻條式刀盤,面板式刀盤單純切削管節效果較好。

3.3.2 地下切削試驗分析

3.3.2.1 切削參數分析

為探究刀盤在單純切削和地下切削2種工況下的掘進參數變化規律,以面板式刀盤為研究對象,探究刀盤轉速與轉矩、推力間的變化規律。地下切削示意如圖19所示,設備始發現場如圖20所示,切削推力和轉矩曲線分別如圖21和圖22所示。結合試驗參數及分析曲線,可以看出: 1)與刀盤單純切削鋼筋混凝土管節相比,面板式刀盤在地下始發掘進時刀盤推力為750～1 050 kN(除正面壓力外,還包括盾體周邊摩阻力及清管器摩阻力等[15-16]),轉矩為7～22 kN·m; 2)與刀盤單純切削鋼筋混凝土管節相比,面板式刀盤地下切削鋼筋混凝土管節阻力占比在70%左右,摩擦阻力及土艙阻力占比較小; 3)刀盤地下切削轉矩與單純切削轉矩值變化范圍不大,表明刀盤切削管節時主要承受管節切削轉矩,摩擦轉矩及二次剪切轉矩等對刀盤地下切削轉矩影響不大。

圖19 地下切削示意圖Fig. 19 Underground cutting schematic

圖20 設備始發現場Fig. 20 Device at launching site

圖21 面板式刀盤地下切削推力曲線Fig. 21 Underground cutting thrust curve of panel cutterhead

圖22 面板式刀盤地下切削轉矩曲線Fig. 22 Underground cutting torque curve of panel cutterhead

3.3.2.2 鋼筋破切效果分析

面板式刀盤地下切削鋼筋混凝土管節時,刀盤經多次碾壓、二次剪切破碎可將環筋切斷,切斷鋼筋長度大多在100 mm以內,長的在200 mm以內,現場排出石塊及鋼筋如圖23所示。

(a) 土艙內排出鋼筋

(b) 土艙內排出石塊圖23 地下切削試驗鋼筋破壞形態Fig. 23 Failure of reinforced bar in underground cutting test

由圖23分析可知: 1)地下切削試驗較前幾次改善明顯,因刀盤是在地下切削,鋼筋受周邊土體約束性強,不存在向周邊擴散的現象; 2)面板式刀盤經多次旋轉可實現對鋼筋的連續碾壓、破切,試驗表明條齒滾刀切削鋼筋效果好; 3)地下切削時,刀盤在二次剪切破碎作用下,切斷鋼筋較短且較易排出,地下切削試驗驗證了二次剪切破碎結構是可行的。

4 結論與建議

通過驗證不同刀盤刀具切削鋼筋混凝土管節試驗,得出以下結論:

1)通過輻條式和面板式刀盤切削鋼筋混凝土管節試驗發現,面板式刀盤切削鋼筋效果好,通過條齒滾刀和切刀組合布置,能夠提高鋼筋混凝土管節切削效率,達到最佳切削效果。

2)刀盤單純切削鋼筋混凝土管節時,推力及轉矩值均較小; 刀盤地下切削鋼筋混凝土管節時,推力值增加,但切削轉矩值變化不大,試驗表明刀盤破切鋼筋混凝土管節時主要承受切削轉矩,摩擦轉矩及二次剪切轉矩對刀盤地下切削轉矩影響不大。

3)地下切削試驗驗證了二次剪切破碎裝置設計是可行的,刀盤二次剪切破碎后的鋼筋長度大多在100 mm以內,破切鋼筋較易排出。

本文重點探索了不同刀盤刀具配置對鋼筋混凝土管節的切削效果,驗證了刀盤切削鋼筋混凝土管節的可行性。后續可深入探索刀盤直接切削大直徑鋼筋的可行性,或在刀盤切削其他材質老舊管節破切機制及開挖刀盤形式上進行深入研究。