張 濤，朱 成，陳 厚

(中交四航局第二工程有限公司，廣州 510000)

獨(dú)特的水汽環(huán)境及水壓環(huán)境使得水下切割技術(shù)的理論探索較為獨(dú)特，從1908年成功使用氧-乙炔割炬在8m內(nèi)水深進(jìn)行切割開始，人們不斷改進(jìn)水下切割技術(shù)，朝著高效、安全、自動(dòng)化方向不斷前進(jìn)。水下切割技術(shù)分類繁雜，常見的分類方法根據(jù)是否對(duì)工件加熱融化將其分為冷切割和熱切割。當(dāng)下使用的水下切割方法中，熱切割技術(shù)應(yīng)用居多，占水下切割總量的90%以上，但水下冷切割技術(shù)在許多領(lǐng)域仍然不可替代[1]。

水下冷切割技術(shù)包括機(jī)械切割、高壓水切割、聚能爆炸切割。機(jī)械切割在切割過程中不對(duì)工件加熱，工件的材質(zhì)性能變化小，且易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，切割過程相對(duì)于其他切割方式環(huán)保。水下高壓水切割技術(shù)在國外已被應(yīng)用多年并形成了系列化產(chǎn)品，而在國內(nèi)關(guān)于水下高壓水切割技術(shù)，特別是其在深水條件作業(yè)的研究尚鮮見報(bào)道[2]。水下爆炸切割受水壓的影響很大，隨著水深增大炸藥的爆速和猛度會(huì)迅速減小，因此需要更多的裝藥量[3]。

沉管隧道端圍堰常見的型式為模袋砂+鋼管樁支護(hù)體系[4]。沉管對(duì)接時(shí)，需要拆除圍堰提供對(duì)接窗口。其中水下切割鋼管樁是圍堰拆除中的關(guān)鍵步驟，傳統(tǒng)上鋼管樁水下切割采用的是人工潛水切割工藝，即潛水員從管樁內(nèi)下潛至切割位置，沿管樁內(nèi)壁使用氧氣切割槍切割[5]。這種工藝對(duì)人員專業(yè)要求高、施工安全風(fēng)險(xiǎn)大且環(huán)境適應(yīng)性差、切割精度差。因此有必要研發(fā)一種風(fēng)險(xiǎn)低、精度高、適應(yīng)性強(qiáng)的水下無人切割工藝。目前一種水下無人切割鋼管樁設(shè)備已成功研發(fā)并在廣州市車陂路-新滘東路隧道工程取得了成功應(yīng)用，鑒于該施工技術(shù)實(shí)施經(jīng)驗(yàn)尚少，本文將依托車陂隧道項(xiàng)目，針對(duì)水下無人切割鋼管樁施工控制技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)分析，希望能為后續(xù)類似項(xiàng)目提供參考借鑒。

1 應(yīng)用背景

車陂路-新滘東路隧道工程水中沉管接岸段基坑采用模袋砂+鋼管樁支護(hù)的圍堰型式，鋼管樁直徑1 m，厚度16 mm[6]。該工程位處珠江前航道，潮汐特征為不正規(guī)半日混合潮型，落差最大達(dá)2.2 m，鋼管樁切割最大潛水深度20 m，切割精度要求高、難度大、空間受限[7]。

2 切割機(jī)結(jié)構(gòu)組成

水下無人切割機(jī)組由機(jī)架、支撐組件、切割機(jī)構(gòu)組成[8]，通過操作后臺(tái)對(duì)各部件液壓動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)對(duì)應(yīng)儀表盤數(shù)值變化反饋，判斷水下設(shè)備的工作狀態(tài)，再進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整操作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)水下無人切割。切割機(jī)器見圖1。

圖1 切割機(jī)器

2.1 機(jī)架

機(jī)架由中部鋼圓筒及外部鋼構(gòu)件組成，為上部支撐組件與下部切割機(jī)構(gòu)的安裝提供基礎(chǔ)。其中鋼圓筒由大小套筒組成，外部大套筒能沿內(nèi)部小套筒上下移動(dòng)。

2.2 支撐組件

支撐組件安裝于機(jī)架上，包括多個(gè)環(huán)向間隔分布的支撐單元。單個(gè)支撐單元由剪刀狀鉸接連桿支撐桿組成、支撐液壓油缸和鉸接軸組成。剪刀狀鉸接連桿支撐桿組由兩條鉸接支撐連桿和鉸接軸組成，其中1條鉸接支撐連桿固定端鉸接在機(jī)架不可活動(dòng)部分，另外1條鉸接支撐連桿固定端鉸接在機(jī)架圓筒外部可上下移動(dòng)的套筒。通過支撐液壓油缸可調(diào)整套筒高度，進(jìn)而改變張開角度，實(shí)現(xiàn)不同寬度限位目的。支撐組件結(jié)構(gòu)示意見圖2。

2.3 切割機(jī)構(gòu)

切割機(jī)構(gòu)安裝于機(jī)架底部，包括前伸(后退)組件、圓形跟軌組件和鋸片切割組件。前伸組件通過相應(yīng)液壓動(dòng)力系統(tǒng)調(diào)整液壓桿件的伸展長度，使鋸片切割組件在機(jī)架居中位置和機(jī)架邊緣之間進(jìn)行切換，以實(shí)現(xiàn)不同切割深度。圓形跟軌組件設(shè)有跟軌齒輪控制裝置、跟軌齒輪、環(huán)形齒條軌道與導(dǎo)向裝置，與鋸片切割組件相連接，在跟軌齒輪裝置的控制下，可以使得跟軌齒輪與環(huán)形齒輪軌道相嚙合，在導(dǎo)向裝置輔助下使得切割組件能沿著管壁做環(huán)向移動(dòng)。鋸片切割組件由鋸片與液壓動(dòng)力馬達(dá)構(gòu)成，鋸片采用專用切割鋸片，固定在馬達(dá)上，通過液壓動(dòng)力實(shí)現(xiàn)鋸片的高速旋轉(zhuǎn)切割。切割組件結(jié)構(gòu)示意見圖3。

3 切割原理

切割設(shè)備吊放至鋼管樁切割標(biāo)高并完成管口固定后，進(jìn)行設(shè)備管內(nèi)固定操作，調(diào)整支撐組件液壓油缸壓力，使支撐組件液壓桿件長度縮短，通過鉸接附著點(diǎn)帶動(dòng)機(jī)架套筒長度縮短，使支撐組件在管內(nèi)張開，觀察后臺(tái)油壓計(jì)，油壓持續(xù)上升表示支撐正常打開，直到液壓加壓穩(wěn)定于某一數(shù)值，則說明已完全支頂于管壁上，之后解除液壓，利用設(shè)備自重使其自鎖固定于管壁上。

設(shè)備固定完成后啟動(dòng)切割鋸片液壓動(dòng)力，通過切割機(jī)組操作后臺(tái)控制切割鋸片動(dòng)力馬達(dá)，逐步調(diào)整檔位提高鋸片切割轉(zhuǎn)速，可通過數(shù)字顯示屏顯示轉(zhuǎn)數(shù)確認(rèn)鋸片工作狀態(tài)，使其滿足切割管壁性能要求。接著調(diào)整操作后臺(tái)上的切割機(jī)構(gòu)的前伸調(diào)整組件對(duì)應(yīng)操作桿，使旋轉(zhuǎn)的鋸片逐漸靠近管壁，通過觀察操作后臺(tái)配置的油壓表參數(shù)，利用鋸片觸碰管壁時(shí)端部壓力會(huì)突變的特點(diǎn)，判斷切割鋸片是否觸碰到管壁，觸碰管壁時(shí)暫停前伸操作，使鋸片進(jìn)行原位切割，隨著管壁的不斷切割，端部壓力不斷釋放回復(fù)至正常狀態(tài)。

完成當(dāng)前位置管壁切割后，利用旋轉(zhuǎn)跟軌控制組件操控跟軌齒輪繞軌行走，帶動(dòng)鋸片切割組件向前環(huán)形行走，完成當(dāng)前深度不同位置切割，實(shí)現(xiàn)環(huán)形走位切割的效果。環(huán)形軌道設(shè)有限位零點(diǎn)，作為整圈切割的終點(diǎn)，達(dá)到限位零點(diǎn)完成當(dāng)前深度整圈管壁切割后，繼續(xù)增加前伸組件長度，反向行走進(jìn)行下一深度切割，反復(fù)循環(huán)分多次不斷遞進(jìn)切割作業(yè)，直至完成整根管壁的切割。切割示意見圖4。

圖4 切割示意圖

4 施工要點(diǎn)

4.1 準(zhǔn)備工作

先在基坑內(nèi)側(cè)切割標(biāo)高300～500 mm以下，切除鋼管樁鎖扣[9]，然后回填基坑及拆除支撐體系，再利用沖孔樁機(jī)、鉆孔樁機(jī)正循環(huán)將鋼管樁內(nèi)清孔至切割標(biāo)高。同步對(duì)切割設(shè)備主電機(jī)、配套液壓動(dòng)力站進(jìn)行調(diào)試，記錄切割機(jī)構(gòu)環(huán)繞一周到達(dá)限位零點(diǎn)的時(shí)間，作為后面施工操作指引。設(shè)備調(diào)試見圖5。

圖5 設(shè)備調(diào)試

4.2 設(shè)備固定

調(diào)試完成后，將設(shè)備吊運(yùn)到位，進(jìn)行對(duì)中定位及下放深度調(diào)整。下放至切割標(biāo)高后，利用三腳架固定，并通過后臺(tái)加大支撐臂的液壓站壓力，使支撐臂張開，頂死在鋼管內(nèi)。

4.3 管樁切割

4.3.1 切割機(jī)構(gòu)設(shè)備啟動(dòng)準(zhǔn)備

由于實(shí)際施工環(huán)境中存在泥沙阻礙，導(dǎo)致實(shí)際的轉(zhuǎn)速比檔位理論轉(zhuǎn)速低，此時(shí)需要調(diào)節(jié)油門手柄來調(diào)整切割系統(tǒng)轉(zhuǎn)速，觀察數(shù)字顯示器使轉(zhuǎn)速數(shù)值在100～150 r/min。切割系統(tǒng)在鋼管中自由狀態(tài)(狀態(tài)1)空轉(zhuǎn)壓力為7～8 MPa，參數(shù)穩(wěn)定后開始前伸操作。施工儀表狀態(tài)說明見表1。

表1 施工儀表狀態(tài)說明表

4.3.2 進(jìn)刀切割

(1)首圈切割(過程1)。前推前伸組件控制桿，增大壓力，桿件前伸，切割系統(tǒng)往前伸，使鋸片碰到管壁。觀察儀表數(shù)值反饋，判斷是否觸碰管壁(狀態(tài)2)。觸碰管壁時(shí)停止前伸，保持當(dāng)前位置，直至切割完當(dāng)前位置的管壁(狀態(tài)3)。切割完當(dāng)前位置后，調(diào)整跟軌組件操作桿，使切割組件沿著圓形軌道往前行走，進(jìn)行下個(gè)位置管壁切割。分多段行走完成當(dāng)前深度的鋼管切割。(狀態(tài)4)。

(2)往返切割(過程2)。首圈行走至限位零點(diǎn)后，僅需調(diào)整跟軌組件操作桿，回收液壓桿件，實(shí)現(xiàn)切割組件跟軌后退。整圈分為多段多行程進(jìn)行切割，直至完成當(dāng)前深度整圈切割(狀態(tài)5)。整圈切割完成時(shí)才需要調(diào)整前伸組件操作桿，繼續(xù)前伸加大切割深度。再次碰壁后，停止前伸操作，改為調(diào)整跟軌組件操作桿，同樣分多段進(jìn)行此時(shí)深度的整圈切割。如此反復(fù)，不斷遞進(jìn)加深，逐圈切割直至割穿鋼管。

(3)完全切割判斷(過程3)。回收前伸組件液壓桿件，回退切割組件到機(jī)架中間位置(調(diào)試記錄耗時(shí)17 s)，此時(shí)鋸片已完全脫離管壁。之后再次進(jìn)行前伸操作(維持前伸20 s)，使前伸到極限位置，然后停止前伸操作，改為調(diào)整圓形跟軌組件液壓桿件，進(jìn)行往前跟軌環(huán)繞，觀察操作臺(tái)壓力表狀態(tài)，看壓力是否持續(xù)為空轉(zhuǎn)狀態(tài)(狀態(tài)1)。一圈下來走到零位后就回收跟軌組件液壓桿，進(jìn)行后退環(huán)繞。反復(fù)進(jìn)行多次(≯3次)進(jìn)退往返，壓力穩(wěn)定均為空轉(zhuǎn)狀態(tài)，則判斷已完成全部鋼管切割。切割過程示意圖見圖6。

圖6 切割過程操作示意圖

4.4 設(shè)備回收

管樁切割完成后，通過調(diào)整前伸組件使切割機(jī)構(gòu)脫離管壁，回到機(jī)架中間位置，然后停止切割，回收支撐液壓桿件解除限位，拆除管口腳架鎖扣，進(jìn)行設(shè)備吊裝，安放到固定支架上，對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)與檢查。

4.5 管樁拔除

切割完成后，使用150 t起吊船配合功率為150 kW的振動(dòng)錘對(duì)鋼管樁進(jìn)行拔除[10]，量取復(fù)核切割長度確定切口標(biāo)高，查驗(yàn)切口狀態(tài)是否滿足施工要求，做好相應(yīng)記錄。設(shè)備切割效果見圖7。

5 應(yīng)用效果

從工程實(shí)踐及鋼管樁最終切割效果對(duì)比，采用本文中的切割工藝取得了以下效果：

(1)工作狀態(tài)可視化。通過觀察相應(yīng)壓力表不同壓力數(shù)值，實(shí)時(shí)了解設(shè)備工作狀態(tài)，控制液壓桿件前伸或回收，進(jìn)而調(diào)整設(shè)備狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)不同工作目的，實(shí)現(xiàn)無人深水切割作業(yè)，減少了潛在的深水作業(yè)施工風(fēng)險(xiǎn)。

(2)施工環(huán)境受限小、人員技術(shù)要求低。本工法相比傳統(tǒng)切割，受外部條件因素限制少(水文、天氣、周圍施工環(huán)境等)，突破了人工水下切割施工窗口的限制[11]，條件允許可實(shí)現(xiàn)24 h連續(xù)作業(yè)。設(shè)備操作簡單，人員進(jìn)行相關(guān)操作培訓(xùn)后，即可負(fù)責(zé)操作機(jī)器進(jìn)行切割，相比專業(yè)水下人員標(biāo)準(zhǔn)配置，降低了施工要求，一定程度上節(jié)約了施工成本，提高了工作效率[12]。

(3)切割精度高。工程實(shí)踐結(jié)果得知，無人水下切割機(jī)相比傳統(tǒng)人工切割誤差不可控的環(huán)向閉合切割，切口高低誤差大的缺點(diǎn)，保證了切割平整度，減少了超前處理量[13]，一定程度上減少返工成本。

6 結(jié)語

本文從技術(shù)原理、實(shí)施方案上介紹了水下無人切割鋼管樁施工技術(shù)，該施工技術(shù)已在車陂路—新滘東路隧道工程取得了成功應(yīng)用，經(jīng)檢驗(yàn)精度良好，具有更高的安全保障?；谠撛O(shè)備而形成的鋼管樁深水無人切割工藝可為后續(xù)類似施工提供有益參考。