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原文传递盾构掘进中高压磨料射流切割钢筋混凝土桩效应与参数优化研究

论文题名：	盾构掘进中高压磨料射流切割钢筋混凝土桩效应与参数优化研究
关键词：	隧道施工;盾构掘进;磨料射流;钢筋混凝土桩;切割深度;参数优化
摘要：	随着地下工程的发展，在城市建筑密集区进行盾构隧道施工会遭遇钢筋混凝土桩基等障碍物。当线路受限制而无法避让桩基时，单纯依靠隧道掘进机直接切削钢筋混凝土桩效率较低，刀具磨耗大，螺旋机被卡以及钢筋缠绕刀盘等问题频发。将高压射流技术与盾构刀具结合，使用磨料射流冲蚀钢筋造成预损伤，再利用刀具对损伤处进行切削，可以在快速有效破除钢筋混凝土的同时降低刀具与钢筋发生碰撞摩擦时的损耗，安全高效穿越地下障害物密集区段，在未来破解城市地下盾构掘进破障问题具有巨大潜力。　　高压磨料射流技术在机械及加工领域有着广泛的实践基础，但对于盾构搭载条件下的磨料射流切桩技术研究目前处于起步阶段，存在以下关键问题需要研究:①该技术需要磨料射流高效冲蚀损伤钢筋，以往水铣钢筋混凝土研究目标在于不破坏钢筋去除混凝土，因此磨料射流的冲蚀钢筋效果及致损机理尚缺乏相关研究;②在盾构搭载条件下，磨料水射流需要具备“高移速、大靶距、往复切割”的特点，与传统机械加工和钻井等领域中“低移速、小靶距、一次性切割”工况差别很大，其关键控制参数与实际破桩效果的映射关系不明，如何进行参数优选仍需研究;③在盾构作业环境下，钢筋混凝土桩体处于泥浆流固体浸没状态，浸没对磨料射流体的削弱作用仍有待研究;④作为新工法，对于射流体的冲蚀效率评价研究较少，尚未形成完善磨料射流刀盘配置的设计思路与原则，施工控制技术还不成熟。　　针对盾构掘进淹没等复杂条件下以及高横移速度、往复切割等困难工况下高效磨料射流辅助切割钢筋混凝土桩的难题。开展盾构掘进中高压磨料射流切割钢筋混凝土桩效应与参数优化研究。分别对钢筋和混凝土开展磨料射流切割特性试验研究，观测高横移速度高和大靶距往复切割条件下切缝形态的变化，阐明磨料射流切割混凝土和钢筋的切缝扩展规律及致损机理，诠释参数之间的相互影响，对不同控制参数组合进行切割效率评价以确定影响切割效果的关键控制参数。在此基础上进行淹没条件下钢筋混凝土桩高压磨料射流切割效应与影响因素研究，探究盾构掘进中磨料射流真实破桩能力，阐明影响切割效率的关键影响因素，量化泥浆淹没条件对冲蚀效率的影响程度。最后对实验研究进行总结，形成磨料水射流切桩控制技术与参数选取建议，并以最小切深比能为指标，建立布置于刀盘的磨料射流最优参数组合，结合实验研究和盾构掘进经验形成合理的掘进工艺建议。本文的主要研究工作及成果如下: 　　(1)进行了高横移速度(3-12m/min)、大靶距(5-15cm)、高泵压(160-380MPa)条件下磨料射流多次冲蚀混凝土试验，获得控制参数对切割深度、切割宽度的影响规律，确定横移速度、切割次数、靶距为影响切割效能的关键因素。研究发现高移速多次切割条件下混凝土致损机理是由骨料和胶凝材料击碎剥蚀逐渐转化为混凝土内产生张拉应力致裂。在高横移速度条件下，提高横移速度且增加切割次数可以提高切割效率。磨料射流冲蚀混凝土存在极限靶距，超过极限靶距则冲蚀能力会快速下降。　　(2)进行了高横移速度、大靶距、高泵压条件下磨料射流多次冲蚀钢筋试验，获得控制参数对切割深度、切割宽度、切割体积的影响规律，确定切割次数、泵压、横移速度为影响切割效能的关键因素。研究发现钢筋的破坏过程有“先两边后中间”的过程，其损伤机制为:钢筋冲蚀同时受去除切削和变形磨损两种作用，冲蚀效率由钢筋力学性质和形状决定。存在使钢筋开始破坏的临界压力，约为150MPa。随着切割次数增加，切割体积效率缓慢下降，切割深度效率显著下降。　　(3)进行了淹没与非淹没条件下磨料射流切割钢筋混凝土桩试验，绘制不同工况下磨料射流冲蚀混凝土截面形态，获得钢筋与混凝土间相互影响作用规律。着重分析了泥浆覆盖对钢筋混凝土冲蚀效果的影响，量化淹没条件对切割效果的影响。淹没条件下混凝土平均侵蚀深度下降25-35％，钢筋下降30％-50％。淹没条件下影响切割参数的关键参数排序为泵压、靶距、切割次数、横移速度。　　(4)根据盾构刀盘的结构特点，对射流喷头与刀具的位置关系、射流喷头间的位置关系、以及刀盘的选型和布置方案提出建议。建立基于钢筋切割深度的比能模型并进行关键控制参数优化，对磨料射流辅助盾构穿越桩基掘进提出“控推力、交替切、慢推速、低转速、常监控、保姿态”的掘进工艺建议。
作者：	曹文正
专业：	岩土工程
导师：	李术才;刘斌
授予学位：	硕士
授予学位单位：	山东大学
学位年度：	2021