磨料射流切割樁基鋼筋性能試驗研究

曹文正， 余家樂， 李 堯, *

(1. 山東大學巖土與結構工程研究中心， 山東 濟南 250061； 2. 中建八局第一建設有限公司濟南公司， 山東 濟南 250000)

0 引言

盾構法隧道施工因具有安全、高效、對地面擾動小等眾多優點，在城市隧道建設中得到了廣泛的應用。然而，盾構施工中經常會遭遇到各類地下障礙物，尤其是樁基、地下連續墻等鋼筋混凝土構筑物[1]，并且傳統的地面拔樁、爆破清障等方法受限于復雜的城市工程環境而難以實施[2-3]。隧道掘進機僅依靠機械切割作用破障，效率低下，刀具磨耗大，刀具卷刃、崩斷以及鋼筋纏繞刀盤等問題頻發[4]。為解決上述難題，需積極探索高效的破障方法。其中，超高壓磨料水射流在物料切割和機械加工領域應用廣泛，具有清潔環保、高效、易于實現等優勢[5]，從而得到廣泛關注。將高壓射流技術與盾構刀具相結合，使用磨料射流沖蝕鋼筋造成預損傷，再利用刀具對損傷處進行切割，可以在高效破除鋼筋混凝土的同時降低刀具與鋼筋發生碰撞摩擦時的損耗，在破解盾構高效穿越城市障礙物難題方面具有巨大潛力。

目前，磨料射流聯合機械刀具破巖已在采礦領域進行了廣泛研究和實踐，并成功研發了具有射流輔助作用的PDC水力鉆頭、硬巖破碎鉆頭[6-8]等開采工具。研究表明，射流在適當位置輔助刀具破巖時，刀具受力可減少 30%～50%[8]。有學者在盾構搭載磨料射流破巖破障方面做出了初步探索，如： 鋼筋混凝土先經磨料水射流切割，再由盾構截齒切割，渣片中大粒徑混凝土碎塊占比減少，鋼筋碎塊長度適中，滿足設備出渣需求[9]；通過磨料射流輔助，轉矩可以控制在模擬盾構額定轉矩的50%以下[10]。這些研究結果初步驗證了磨料射流輔助盾構破障的有效性和可行性，然而以上研究成果是基于小靶距(小于2 cm)、慢速(小于0.5 m/min)、單次切割的工況條件，參數范圍與盾構搭載條件的地下既有樁基拆除有很大區別。實際盾構施工中開挖面起伏大，且刀盤外圈作業時具有很高的線速度，搭載于盾構上的磨料射流設備工作時需要留有較大的靶距和較高的橫移速度，且對于如何優化控制參數、評價切割效率、實現射流刀盤搭載最優布置等，仍有待進一步研究。

針對上述研究現狀，本文擬開展高泵壓(最高360 MPa)、大靶距(5 cm以上)、大流量(18 L/min)和高橫移速度(3 m/min以上)條件下后混合磨料射流切割樁基鋼筋試驗研究；根據鋼筋切割性能指標(深度、寬度、體積)與參數之間的關系，確定鋼筋切割過程的有效參數，并從射流動能角度分析控制參數和多次切割對切割效率的影響，揭示各參數作用下鋼筋沖蝕效果及切縫形態的變化規律，以探究盾構搭載條件下磨料射流破除鋼筋混凝土的高效切割工況組合。

1 試驗裝置、材料和方案

1.1 試驗裝置

高壓射流切割鋼筋試驗裝置包括高壓泵組、切割平臺、磨料輸送系統和控制系統，如圖1所示。高壓泵組采用APW410-70型超高壓大流量泵組單元，包含6個獨立的美國海寶增壓器，最大輸出水量為24 L/min,最高輸出壓力為410 MPa，支持壓力在0～410 MPa任意調整。試驗采用2種規格的寶石水噴嘴，直徑分別為0.3 mm和0.8 mm。切割平臺采用懸臂式切割機床APW2510BB，通過絲杠帶動噴頭滑動來調節噴頭在XY方向上的移動及移動速度，Z方向通過減速機控制升降。磨料輸送系統由磨料箱、磨料輸送導管、混合腔和混砂管組成。混砂管直徑為2.38 mm、長為71.4 mm。磨料選用24目石榴石(粒徑0.65 mm)，采用自吸式后混合供料方式。磨料在壓力差的作用下，經由導管從磨料箱被吸入混合腔，低速的磨料與高速水射流相互接觸，與磨料發生動量交換，使磨粒加速，通過混砂管形成磨料水射流。控制系統用來設定控制參數和切割次數。通過控制系統的操作平臺調整水壓、橫移速度、靶距至穩定。

圖1 高壓射流切割鋼筋試驗裝置

1.2 試驗材料

采用同一批次生產的13根長為500 mm、直徑為28 mm的HRB400鋼筋進行試驗，該鋼筋為地下樁基及地下連續墻常用受力筋型號，通過固定夾固定于載物臺上，以防止鋼筋在試驗中錯位移動。1根鋼筋可進行多個工況試驗，相鄰工況之間的間距大于2 cm，以防止試驗之間相互干擾。測取數據為鋼筋切縫切割深度、切割寬度及切割體積。切割深度和切割寬度用游標卡尺測量，切割體積通過填充鋼筋切縫的填充物體積測量。同一工況重復3次試驗，進行多次測量求平均值，以減少隨機誤差。

1.3 試驗方案

對泵壓研究采用單變量試驗設計，其他控制參數采用完全試驗設計，工況設置考慮盾構實際工作環境及狀態。試驗選擇的橫移速度分別為3、4.5、6、7.5、10、12 m/min，以模擬旋轉刀盤上不同位置的線速度。試驗選擇的壓力范圍為160～360 MPa，每40 MPa設置1個工況?？紤]到刀盤與掌子面的距離關系，靶距設置為5、10、15 cm，每個工況組合測量其5次切割與20次切割條件下的切割深度、切割寬度與切割體積數據。對于橫移速度為4.5 m/min的工況，增加切割次數為10、15次的測量數據。泵壓試驗參數和切割試驗參數見表1和表2。

表1 泵壓試驗參數

表2 切割試驗參數

2 試驗結果

磨料射流切割切口損傷狀態如圖2所示。一般來說，橫移速度越低、水壓越高、靶距越小、水流量越大的工況會有較深的切縫，這在以往的研究成果中已被證明。此外，沿鋼筋軸向方向觀測切縫、高橫移速度下切縫輪廓呈具有一定角度的三角形錐體，隨著切縫向下延伸，切口寬度逐漸變窄。

(a) 鋼筋切割結果

2.1 泵壓

圖3示出了不同靶距下切割深度與切割寬度隨泵壓變化曲線。由圖3(a)可以看出： 切割深度隨著泵壓的增加而增加；當泵壓大于200 MPa時，切割深度隨泵壓呈線性變化；當泵壓小于200 MPa時，切割深度隨泵壓降低非線性減小。在某一泵壓以下，磨料射流對鋼筋不產生沖蝕破壞，此泵壓稱為臨界泵壓?？芍?，在本試驗工況下得出的鋼筋侵蝕臨界泵壓約為150 MPa，當靶距增大至10 cm時，臨界泵壓略微增加，約為157 MPa。由圖3(b)可以看出： 隨著泵壓增加，切割寬度幾乎無變化；靶距的增加使切割寬度顯著增加，切割寬度對泵壓的敏感性也略微增加。

(a) 泵壓對切割深度的影響

2.2 橫移速度

圖4示出了不同水噴嘴直徑和不同靶距下切割深度與橫移速度之間的關系。由圖4(a)可以看出，切割深度隨著橫移速度的增加而非線性地減小。對于不同的靶距和流量，切割深度對橫移速度的敏感性是不同的。當橫移速度較低(<7.5 m/min)時，各工況之間的切割深度差距明顯，大流量小靶距工況下切割深度對橫移速度的敏感性更高。然而，在橫移速度較高(>7.5 m/min)時，不同工況之間的切割深度差距變小，靶距和流量對切割深度-橫移速度曲線的趨勢幾乎無影響。數據分析得出，2種型號水噴嘴對應的流量相差6倍，但是對應的切割深度的差距小于2倍，在較高橫移速度下采用大流量的效果不明顯，經濟性差。

(a) 360 MPa泵壓

圖5示出了不同水噴嘴直徑和不同泵壓下切割寬度與橫移速度之間的關系。由圖5可以看出： 切割寬度隨著橫移速度減小呈現非線性增大趨勢；橫移速度從12 m/min減小至4.5 m/min的過程中，切割寬度有加速增大的趨勢；但橫移速度小于4.5 m/min時，切割寬度增長速度變緩。變緩的原因可能是混砂管對水流的約束作用，使得切割寬度不能無限制加速增長。壓力的變化幾乎不會改變切割寬度對橫移速度的敏感性，大流量在低橫移速度下有更好的切割寬度表現。

(a) 10 cm靶距

2.3 靶距

靶距定義為混砂管尖端與目標材料表面之間的距離。圖6示出了不同泵壓和不同切割次數下切割深度與靶距之間的關系。由圖6可以看出，切割深度隨著靶距的增加而線性減小。與小流量工況相比，在大流量工況下切割深度會明顯變大，但流量大小幾乎不會影響切割深度對靶距的參數敏感性。切割深度降低是霧化作用導致的，靶距的增加將使得更多射流能量在氣-液界面接觸過程中耗散，因此，傳遞到鋼筋的能量密度降低，切縫變淺[11]。圖7示出了不同泵壓和不同切割次數下切割寬度與靶距之間的關系。由圖7可以看出： 切割寬度隨著靶距的增加而增加；切割寬度受水壓的影響較??；通過反復切割鋼筋，切割寬度會在一定程度上擴大(相當于增加了射流沖蝕鋼筋的時間)。因此，在其他條件不變的情況下，存在一個使切割體積達到最大的最佳靶距。圖8示出了不同泵壓和不同水噴嘴直徑下切割體積與靶距之間的關系。由圖8可以看出，靶距從5 cm增大至10 cm時，切割體積只有很小的變化，此后隨著靶距增大，切割體積開始逐漸減小。可以預測，此工作條件的最佳靶距在5～10 cm。壓力對切割體積的影響很大，因為隨著壓力的增加，切割深度將線性增加，而切割寬度的變化不顯著。

(a) 0.8 mm直徑水噴嘴

(a) 0.8 mm直徑水噴嘴

(a) 20次切割

3 射流切割效率分析

3.1 射流效率指標

通常，高壓力、大流量和低橫移速度的磨料射流會產生更大的切深，然而，制造高水壓射流需要先進的泵組，降低橫移速度會導致工期延長和資源的浪費，從切割效率的角度來看可能不理想。因此，定義了切割深度和切割體積2個切割效率指標，效率指數越大，表示工況具有更高的效率。

(1)

(2)

式(1)和式(2)中：ID為切割深度效率指數，mm/kJ；IV為切割體積效率指數，mm3/kJ；D為切割深度；V為單位長度的切割體積，mm3；Ea為有效動能，kJ；N為切割次數。

磨料水射流的射流動能可以從水、氣、固三相磨料中產生[12]。對于典型的水射流系統，氣體的質量流量很小，可以忽略不計。一般來說，在磨料水射流對金屬侵蝕的射流動能模型中，雖然高速水流具有噴射能量，但沒有磨料的水射流直接沖蝕鋼筋，幾乎不會侵蝕堅硬的鋼筋表面。在磨料射流中，水的侵蝕被認為是可以忽略的[13]。根據伯努利方程，射流在瞬時的有效動能表示為

(3)

在非彈性碰撞理論中，磨料的速度可以利用單位時間通過的水流質量與消耗磨料之間的動量傳遞規律獲得。

(4)

式中：t為射流曝光時間；do為射流沖擊面積直徑與水噴嘴直徑的比值；vt為射流橫移速度。

因此，將式(4)代入式(3)，得

(5)

3.2 參數組合的效率分析

切割效率隨射流能量而變化。輸入功率由壓力和流量共同決定，因此，壓力和流量是控制射流能量的最直接因素。圖9示出了4種壓力和流量組合下切割深度效率和切割體積效率的分布。對于磨料射流輔助盾構破除地下鋼筋混凝土施工來說，②區域的點所對應的參數設置是較優的。④區域的點所對應的參數設置僅次于②區域，因為在刀具破壞鋼筋的時候，更深的預先切槽會使損傷處產生更大的集中應力，鋼筋更容易被刀具切斷。③區域的點所對應的工況切割效率低，意味著更多的能量被消耗。在本文中高壓力被認定為300 MPa以上的壓力，大流量代表使用直徑為0.8 mm水噴嘴的工況。

圖9 4種壓力和流量組合下切割深度效率和切割體積效率的分布

當采用小流量和低壓力時，切割效率較低；當采用大流量和高壓力時，切割效率明顯提高。更高的壓力會使得切割體積效率變得更高，有更多的點分布在①區域和②區域，升高壓力同樣會提高切割深度效率。小流量工況下，切割體積效率是偏低的，切割深度效率與大流量工況差別不大。使用大流量的工況在切割體積效率上有更好的表現(更多的點分布在①區域和③區域)，但大流量工況沒有明顯提高切割深度效率。一個可能的原因是試驗中固定了磨料給進量，當磨料給進率偏低時，磨料更容易被高壓水流打碎成細小粉末，粉末在流束中更容易被霧化，無法對鋼筋產生有效沖蝕。也就是說，可能存在一個最佳的磨料給進率，這個磨料給進率與流量是相關的，如果提高磨料給進率，大流量工況下的切割效率會提高。

3.3 多次切割的效率分析

在實際應用中，水射流切割作業需要在同位置進行反復切割。由于能量損失，每次切割增加深度可能有所不同。因此，有必要確定多次切割過程中能量的損失。圖10示出了切割次數對切割深度和切割體積及其效率的影響。由圖10可以看出： 隨著切割次數的增加，切割深度和切割體積增大，單刀切割效率降低；多次切割對切割深度能量損失的影響大于切割體積。

(a) 切割次數對切割體積及其效率的影響

能量損失有2種解釋： 首先是當切割次數增加時，鋼筋的幾何形狀發生了變化(如切縫變窄)；其次是切割過程中射流與被切縫的內壁之間產生摩擦，耗散了能量，從而降低了切割效率。

4 結論與討論

本文基于盾構施工環境和施工特點，進行不同泵壓、流量、靶距、橫移速度組合下的磨料射流切割鋼筋試驗，研究了切割性能(深度、寬度、體積)與有效參數之間的關系，分析了不同參數組合下的切割效率，并得出以下結論。

1)隨著泵壓增大，切割深度線性增加，切割寬度略有增加，存在使鋼筋開始破壞的臨界壓力，試驗條件下的侵蝕臨界壓力約為150 MPa，改變靶距對臨界壓力影響很小。

2)隨著橫移速度增加，切割深度急劇下降，切割寬度非線性減小。橫移速度小于7.5 m/min時，切割深度受靶距和流量影響顯著。

3)存在使切割體積達到最大的最佳靶距，在本試驗參數范圍內，最佳靶距為5～10 cm。流量越小，最佳靶距越小。

4)考慮多次切割時，增加切割次數會降低單次切割的切割深度和切割體積。隨著切割次數增加，切割體積效率緩慢下降，切割深度效率顯著下降。本研究中，相對于5次切割的結果，20次切割的切割體積效率減少12.14%，切割深度效率減少42.5%。

進行搭載磨料射流的盾構研發時，應在條件允許的范圍內采用高壓設備，并盡可能降低刀盤轉速。設計時應注意刀具與噴頭的空間關系，確保噴頭與掌子面的距離在合理范圍內。本研究所進行的效率分析是基于能量角度考慮的，還需深入研究破障的時間成本和能量轉化效率。