新型盾构刀具切削砂浆对比试验研究_章博雅.pdf

146建筑科技2023 年 第 3 期机械设备Machinery&Equipment新型盾构刀具切削砂浆对比试验研究A Comparative Experimental Study on New Shield Tool Cutting Mortar章博雅（上海城建隧道装备有限公司,上海 200137）摘要：基于地下连续墙切削工程中的刀具选型问题,选用元宝刀、贝壳刀和圆形撕裂刀对 M35 玻璃纤维筋砂浆采用不同贯入度进行了切削试验,并针对元宝刀进行了耐久度试验。结果表明,元宝刀和贝壳刀可以完成砂浆的切削,但圆形撕裂刀不适用于砂浆的切削;元宝刀试验验初期切削受力较小,后期出现磨损后受力上升,其中尤以法向力提升为主;贝壳刀前段刀刃完成主要的切削工作,中段和后段刃口多数情况是与切槽摩擦,造成额外的切削受力和切削热;整个切削过程中内圈轨迹刀具受力低于外圈轨迹刀具受力。试验结果证明,元宝刀可以应用于地下连续墙切削工程中,具有推广意义。关键词：新型盾构刀具;玻璃纤维筋砂浆;刀具切削;隧道工程中图分类号：TU731 文献标识码：A 文章编号：2096-3815（2023）03-0146-040引言 采用盾构工法进行地下工程施工时,不可避免地会遭遇障碍物,这些障碍物包括混凝土类桩基、砂浆和岩石等。若采用常规的“避让”方案1,2则会造成经济和工期成本上的损失,因此近年来较多的学者从设计新型盾构切削刀具的角度入手,开展新型刀具设计并对切除砂浆、混凝土和岩石等障碍物进行了大量的试验。庄欠伟等3借鉴了煤炭开采领域的截齿刀具,对C35混凝土进行了切削试验,试验结果发现,截齿刀具有效解决了切削时刀盘卡死的问题;朱龙海等4设计了一种大十字刀,对2种材料的混凝土进行切削,试验切削效果较好;许国华等5将撕裂刀和滚刀进行改进组合,成功完成了钢筋混凝土的切削。本文基于上海市苏州河地下连续墙切削工程,设计了3种新型刀具并开展对比试验,验证新型刀具切削砂浆的可行性,并给出受力参数和改进建议。1试验装置试验台由切割系统和旋转系统组成,如图1所示,切割系统中水平液压调节固定刀头,驱动系统调整切割角度与砂浆转动协调。旋转系统控制电动机输出扭矩,带动砂浆面旋转,相对固定刀头旋转运动,摩擦切割砂浆。图1盾构滚刀切削试验平台示意图试验刀具上方安置三轴传感器,测量刀具在切割过程中空间 X、Y、Z 3个方向的切削力,分别对应滚刀的滚动力、侧向力和法向力。平台采用 FC3D 三轴传感器来测量刀具3个方向的切削力,该传感器是一款微型的高精度传感器,整体结构紧凑,抗干扰和过载能力强。147建筑科技2023 年 第 3 期机械设备Machinery&Equipment2试验刀具和材料试验材料选用M35玻璃纤维筋砂浆,试验刀具选用3把新型刀具,分别是元宝刀、贝壳刀和圆形撕裂刀。3试验情况及结果分析3.1元宝刀试验采用大刀具试验平台开展完整元宝刀试验,砂浆有效切削半径为1 400 mm。由于是单刀试验,为了真实地模拟切削脊对刀具的影响,试验时采用跳切的形式,即试验100 mm半径切削后再进行300 mm半径的切削。试验切削转速为1.2 r/min,切削深度为2 mm、4 mm、6 mm、8 mm。试验过程统计了不同切深下所有切削轨迹的三向平均受力如图2所示,其中法向力为垂直于砂浆盘面的受力,侧向力为垂直于刀具两侧方向的受力,切向力为沿着刀具切削方向的受力。依据目前已有文献结论,基本可以认定为较其他2个方向而言,侧向力的值较小,8 mm切深下的最大侧向力约为4 kN。不同轨迹下的三向力,靠近中心的轨迹的切向力和法向力相对较低。依据对试验现象的观察,可以推测中心轨迹由于整圈切削行程较短,出现极端峰值的概率下降,致使平均值降低,而峰值出现的频率直接影响到刀具的损伤性,因此内圈刀具无论在损伤还是在耐久性上都要优于外圈刀具。（c）侧向力 图2不同切深下三向受力（a）切向力 （b）法向力 最大平均切向力和平均法向力分别约为22 kN（切向力,切深8 mm）和21 kN（法向力,切深8 mm）。统计8 mm切深下的各个半径的切向力和法向力峰值。由于受平台推进系统的影响,在进刀瞬间会出现超深下刀后退回原设定切深的情况,超深范围在58 mm左右,致使出现极端峰值,约在200270 kN之间,该数据已在磨损前后受力对比中作剔除处理。如图3所示,切向力和法向力的峰值约为60 kN,同时小半径切削轨迹上的峰值力较小,因此,实际工程中需对外圈轨迹上的刀具进行进一步加强。图38 mm切深下各半径受力峰值148建筑科技2023 年 第 3 期机械设备Machinery&Equipment 对40 cm厚的砂浆试块开展耐久度试验,切削总量深度约为3536 cm。选取典型切削轨迹上的受力数据,如图4所示,对比磨损前后的变化可以发现,磨损后的刀具在切削受力上出现了明显的提升,磨损后法向力接近磨损前的2倍,造成这种现象的原因有两点：一是刃口被磨圆,刀具变钝,降低了刀具原有的切削能力;二是刃口变钝,致使其贯入能力变差,原本的小区块破碎向大区块破碎转变,致使实际切深控制不稳定,导致后期试验呈现超深下刀的情况。对刀具试验初期（尚未进行切削试验）和试验末期（已完成35 cm切深进给）进行对比,磨损主要集中于刀具刃口处,且磨损主要集中于主接触刀刃（前刃口）,主接触刃原梯形刃口已被磨圆,切削刃呈渐进式磨损。以边缘口磨损最为严重,这是在控制不同的切深进行试验时,边缘口始终处于切削状态下导致的。观测后刃口损伤,可以发现梯形切削刃依旧完好,磨损主要为表面磨损,这是由于前刃完成主要切削工作,后刃辅助切削的工作量并不大,但切槽内存在砂浆残余会对刃高面出进行反向磨切,这种磨损也证实了刀具刃口具备良好的切削砂浆能力。（a）400 mm切削半径（b）1 000 mm切削半径图4磨损前后受力对比3.2贝壳刀试验采用大刀具试验平台开展贝壳刀试验,砂浆有效切削半径为1 200 mm。试验依旧采用跳切的形式,即当试验80 mm半径的切削后再进行240 mm半径的切削,试验切削转速为1.2 r/min。以贯入度6 mm为例,如图5所示,相同试验工况下不同半径的平均切削力并不相同,平均切削合力的波动范围在3050 kN之间,最外圈的平均切削力最大,这与元宝刀的切削规律一致,当切削半径扩大时,切削行程随之扩大,因此出现切削力峰值的概率也会增大,进而影响平均切削力。另外,可以发现一个明显的规律,双数切槽（后试验切槽）的切削受力普遍低于单数切槽（前试验切槽）。依据刀具切削的理论知识可以推测：尽管试验中采用了跳切的模式以保证每道切槽的砂浆环境一致,但由于刀具切削砂浆是区域性破碎,当完成初次单数槽切削的时候,双数槽道的砂浆环境已经发生了改变,内部可能已经出现了裂缝损伤,因此在对双数切槽进行切削的时候,仅需要相对较小的力便可完成切削。图5贯入度6 mm下平均切削力合力对400 mm半径下不同切削深度对受力的影响数据对比分析,如图6所示,随着深度的增加,贝壳刀的受力几乎呈现线性增长,8 mm下的平均切削力超过60 kN,几乎为同样工况下元宝刀受力的1.52倍。图6不同深度下的切削受力149建筑科技2023 年 第 3 期机械设备Machinery&Equipment贝壳刀和元宝刀在构造上不一样,因此两把刀的切削模式并不一致,元宝刀依托于前后刀刃进行切削,中间段是镂空状,不直接接触砂浆,而贝壳刀除了前后刃,中间段仍有3块刃齿。考虑到砂浆的质地较软,贝壳刀仅仅依托前刃口基本就可以完成前方砂浆的破除,中段和后端刃口多数情况是与切槽摩擦。贝壳刀的摩擦刃齿较多,会产生多余的摩擦力和切削热,这也是导致贝壳刀受力增加的原因之一。贝壳刀在完成相应工况的切削试验后,刀刃损伤并不突出,但是在加工过程中,未对2刀刃中部的连接刀座作打磨降低处理,在切削砂浆试验中,刀座有极大的概率与砂浆直接接触磨损,因此贝壳刀的刀座磨损严重,这种磨损也进一步加大了刀具的受力。多数刀具在设计时,会遵循多齿口的设计,这样不仅可以保证对切槽内障碍物最大限度地破除,还可以在1个刃口损坏的情况下,剩余刃口仍可完成切削工作。但依据元宝刀和贝壳刀的试验情况来看,砂浆质地较软,依托于12个刃口就可以保证整盘砂浆的切除,较多的刃口（较大的接触面积）则会产生多余的摩擦力和切削热,因此在切除砂浆的刀具选型上可以对冗余的刃口做部分删减。3.3圆形撕裂刀试验采用半圆形撕裂刀进行试验,试验切削转速为1.2 r/min,切削深度4 mm。圆形撕裂刀的切削刀宽较大,因此切削半径间距采用160 mm。贯入度4 mm下的平均受力如图7所示,在4 mm的切深下,受力远大于之前的元宝刀。对切削力峰值进行统计,法向力的切削力峰值接近200 kN。切削过程中伴随着试验平台的剧烈抖动,不得已后续终止了不同切深下的试验,因此综合数据和试验现象来看,圆形撕裂刀并不适用于砂浆的切削。图7贯入度4 mm下的平均受力从圆形撕裂刀的构造来看,切削砂浆时,单次下刀深度并不大,工作刀刃为垂直于砂浆的刃齿和该齿左右两边的刃齿,并且受力主要集中在垂直于砂浆的刃齿,实际分摊受力的齿刃并不多,这样就导致中心齿刃易出现崩缺损伤。当刃齿出现损伤时,元宝刀的刃齿仍可进行切削,同时还可以依托后方刃口进行协同切削,但圆形撕裂刀中心刃齿损坏后,就仅剩下圆弧平面,无法对砂浆进行有效切削,因此,从刀具构造角度来看,圆形撕裂刀不适用于长时间的砂浆切削。观测圆形撕裂刀的切槽,切槽壁为平面壁,2把刀之间的砂浆脊的厚度从下向上是一致的,而元宝刀的切槽近似“V”型,两把刀之间的砂浆脊越向上,厚度越低。在切削过程中,“V”型切槽中部的砂浆脊更易被2把切削刀挤压断裂,因此从切削效率上来说元宝刀更优于圆形撕裂刀。3.4玻璃纤维筋切削情况分析刀具在进行切削玻璃纤维筋砂浆试块的时候,仅采用了1把刀进行试验,因此断筋形态的差异性并不明显。受单刀切削的影响,最长的玻璃纤维筋大约在100120 cm左右,最短的在515 cm之间。若对刀盘进行多刀具布置,多把刀具同时切削,可以有效控制断筋的长度。玻璃纤维筋在破坏形式上较为一致,在初始切削至玻璃纤维筋的时候,玻璃纤维筋包裹在砂浆内,随着切深的增加,砂浆对于玻璃纤维筋的包裹性降低,刀具首先切断了玻璃纤维筋的一端,随后又切断了玻璃纤维筋的另一端,当切断另一端时,刀具直接将玻璃纤维筋从砂浆上剥落。此类玻璃纤维筋两边断口均呈现出明显的切削口,且在玻璃纤维筋的厚度方向上,前半段已经被切削,后半段保留完整。4结语基于上海市苏州河地下连续墙切削工程设计的元宝刀、贝壳刀、圆形撕裂刀3种新型刀具,对其开展对比试验后,得出以下结论。（1）元宝刀可以完成对玻璃纤维筋砂浆试块的切削,试验初期切削受力较小,后期出现磨损后受力上升,其中尤以法向力提升为主。（2）贝壳刀可完成对砂浆的切削,前段刀刃完成主要的切削工作,中段和后端刃口多数情况是与切槽摩擦,这会造成额外的切削受力和切削热,建议可以减小切削刃口的数量。（3）圆形撕裂刀在4 mm切深下平均受力超过100 kN,刀具结构并不适合砂浆的切削。（下转第 152 页）152建筑科技2023 年 第 3 期机械设备Machinery&Equipment于形式。（2）施工总承包单位、监理单位对塔机的管理能力较弱,缺乏专业人员,对安拆、租赁单位的监管制度无法有效落实,这通常是事故发生的重要原因。（3）随着装配式建筑的大力发展,塔机逐渐向大型化、智能化的方向快速发展,新产品在生产效能、操作简便方面均有提高。但安拆人员依旧凭经验作业,对于智能化塔机的安装、调试能力明显不足,为施工安全生产埋下了隐患。（4）塔机司机、指挥的能力参差不齐,注意力不集中,安全意识和自我保护意识不足。3预防措施（1）塔机设计单位要加强对设计图纸及计算说明书的审查。制定审查制度,建立审查程序,设立审查职位,对关键部位进行可靠性评价与审查,加强技术管理和设计文件的校核。（2）塔机安装、拆卸单位应建立、落实完善的检查、维修保养制度,检查、维修保养的过程中要拍摄影像资料,并建立安全风险类别和等级评价制度。在塔机安装、拆卸前要进行全面的检查,发现问题立即处理,在确保消除隐患和故障后,方可进入下一施工环节。（3）塔机司机、指挥司索人员要经常进行安全技术培训、考核,内容主要为使用安全、管理制度、事故隐患分析及警示等。应加强司机、指挥的再教育,避免其思想上出现安全意识、自我保护意识疲劳,建立长久的危机意识和强烈的责任感。严禁违章行为,不断提高他们的操作技能,使其养成安全操作、按规程操作的习惯。（4）塔机的安拆、使用,必须建立健全各项管理、使用和操作制度。认真贯彻执行相关国家标准规定,严格执行管理文件要求的检查制度。在施工方案中明确程序、要求、安全措施和人员分工,并且严格执行。4结语塔机事故频发的主要原因在于人的不安全行为、物的不安全状态以及管理的缺陷,因此亟须从塔机作业人员的安全教育、设备的定期检查、维修保养的落实以及切实可行的管理制度等方面来减少事故的发生。参考文献：1 陈兴,王雅民.一起塔式起重机倾翻事故分析及防范措施J.甘肃科技,2022,38(12):55-58.收稿日期：2023-04-17作者简介：陈文渊,本科,工程师,主要从事施工现场的安全管理工作,现供职于松江区建设工程质量安全监督站。通信地址：上海市松江区中山街道茸北路690号207室。（4）元宝刀在切削受力和切削效果上是3种试验刀具中最优的。（5）内圈轨迹刀具受力低于外圈轨迹刀具受力,需对外圈轨迹上的刀具进行进一步加强。参考文献：1 朱逢斌,杨平,林水仙.盾构隧道施工对邻近承载桩基影响研究J.岩土力学,2010,31(12):38943900.2 岳鹏飞,戴泉,何炬.盾构施工下穿建筑桩基的影响研究J.铁道标准设计,2012(3):7779.3 庄欠伟,张福兵,张弛,等.截齿刀具切削混凝土连续墙试验研究J.隧道建设（中英文）,2021,41(8):1307-1314.4 朱龙海,庄欠伟,李东,等.偏心多轴十字刀刀盘矩形顶管机直接切削管片试验研究J.施工技术,2018,47(17):65-68.5 许华国,陈馈,孙振川.盾构刀盘切削钢筋混凝土桩基室内试验研究J.隧道建设（中英文）,2020,40(1):35-42.收稿日期：2023-03-16作者简介：章博雅,本科,助理工程师,主要从事隧道掘进设备电气设计和科研工作,现供职于上海城建隧道装备有限公司。通信地址：上海市浦东新区海徐路957号。（上接第 149 页）