繩鋸機(jī)水下切割沉箱的有損打撈沉箱工藝

劉盛翔 趙復(fù)彬

摘要：針對(duì)采用常規(guī)工藝打撈此沉箱非常困難的特點(diǎn)，本工程采用了沉箱切割、分體吊裝的方法在短時(shí)間內(nèi)打撈成功。文章介紹了繩鋸機(jī)水下切割及水下鉆孔的施工工藝，總結(jié)了相關(guān)技術(shù)參數(shù)，驗(yàn)證了繩鋸機(jī)水下切割超大斷面鋼筋砼的可行性。

關(guān)鍵詞：沉箱打撈；繩鋸機(jī)；水下切割；水下鉆孔

1概述

某公司負(fù)責(zé)施工的某油碼頭沉箱在拖運(yùn)過程中遭遇突風(fēng)，沉箱發(fā)生傾覆事故，最終傾倒在某油碼頭的港池里。

事故發(fā)生后，我部接受打撈傾倒沉箱的任務(wù)。經(jīng)過對(duì)沉箱傾覆位置及標(biāo)高的測(cè)量，潛水人員對(duì)沉箱進(jìn)行了損失情況調(diào)查，沉箱情況如下：4C沉箱平躺在海底，頂口朝碼頭位置，底板朝向港池側(cè)，海底標(biāo)高為-17～-18m，沉箱頂標(biāo)高基本一致（頂標(biāo)高在-4.2m左右，即海面以下4.2m左右），沉箱與海底接觸面的三個(gè)倉格均有較嚴(yán)重的裂縫，尤其是底面東側(cè)及中間的倉格，混凝土破損嚴(yán)重，無法抽水起浮。

2方案比選

根據(jù)以往的沉箱打撈經(jīng)驗(yàn)方法并結(jié)合本工程實(shí)際情況分析，先后提出沉箱爆破、整體吊裝、沖擊錘拆除、鋼浮筒打撈、沉箱切割分體吊裝等5種方案。

由于現(xiàn)場在油區(qū)內(nèi)很難辦理爆破手續(xù)，綜合考慮其他方案的施工操作可行性、安全性、施工成本及工期、現(xiàn)有船機(jī)設(shè)備起重能力，最終確定沉箱切割、分體吊裝方案更適用于本工程。

3施工工藝介紹

3.1簡介

3.1.1切割分塊形式

該沉箱長12.95m（加強(qiáng)壁為13.35m），寬11.85m，高19.5m，重量達(dá)到1697t。綜合考慮分割塊體的重量和形狀，采用金剛石繩鋸切割的方法將沉箱在19.5m高度方向分割成3段后分別起吊，3段長度分別為6.7m，6.7m，6.1m，重量分別為536.8t，495.3t，665.4t（控制單塊重量不超過700t）。沉箱切割分塊示意圖如下：

3.1.2起吊方式

采用在沉箱外壁開孔，穿銷的方法，鋼絲繩直接吊插銷的吊裝工藝，4點(diǎn)起吊，吊孔設(shè)在距離頂面3.3m處的沉箱外壁處，水平間距隨塊體不同而不同。起吊示意圖如下圖所示：

3.2工藝流程

施工準(zhǔn)備→切割第一道縫→塊體1開孔→第一道縫切割完畢→起吊塊體1→切割第二道縫→塊體2、3開孔→第二道縫切割完畢→起吊塊體2、3→陸上拆除

3.3施工重點(diǎn)、難點(diǎn)

⑴該沉箱傾倒在碼頭前沿30m區(qū)域，且該泊位正處于施工中，對(duì)進(jìn)入現(xiàn)場施工的船機(jī)影響很大。需要盡快將沉箱打撈出水，以免影響現(xiàn)場施工進(jìn)度及碼頭的投產(chǎn)使用。

⑵沉箱切割尺寸及吊孔位置必須準(zhǔn)確，否則起吊后對(duì)吊索具受力及起重船平穩(wěn)性影響很大。

⑶施工區(qū)域水深達(dá)到20m，沉箱開孔整個(gè)施工過程全部需要由潛水員在水下完成，且開孔精度要求高，水下操作難度大。

⑷沉箱吊裝時(shí)，由潛水員穿鋼絲扣，水下施工難度較大。

3.4主要施工方法

3.4.1沉箱切割

⑴簡介

利用繩鋸機(jī)帶動(dòng)金剛石鋸繩轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行沉箱切割。本次切割的砼斷面大（外形尺寸12.95×11.85米），切割位置距工作平臺(tái)遠(yuǎn)，普通繩鋸機(jī)無法完成切割任務(wù)。針對(duì)工程的特點(diǎn)新改裝了一臺(tái)大功率、低轉(zhuǎn)速的重型繩鋸機(jī)來進(jìn)行施工。

⑵工藝流程

搭設(shè)施工平臺(tái)→定位→穿繩→切割→檢查驗(yàn)收

⑶設(shè)備介紹

①繩鋸機(jī)：用于沉箱切割，通過傳動(dòng)輪帶動(dòng)鋸繩轉(zhuǎn)動(dòng)，金剛石鋸繩與鋼筋砼摩擦來切割沉箱，繩鋸機(jī)由液壓動(dòng)力站提供動(dòng)力，通過導(dǎo)向輪來調(diào)整繩鋸切割位置及方向，其自帶一個(gè)小型空壓機(jī)用來收緊鋸繩。

繩鋸是利用繩鋸木斷的原理設(shè)計(jì)出來的一種對(duì)脆硬材料進(jìn)行切割的一種鋸。其組成包括：繩鋸驅(qū)動(dòng)、飛輪、導(dǎo)向輪、金剛石鋸繩等。其工作特點(diǎn)有：動(dòng)力強(qiáng)大、操作安全可靠、勞動(dòng)強(qiáng)度低等。作為一種特種切割工具，適用于鋼筋混凝土、鋼材、巖石、陶瓷、磚墻等堅(jiān)硬材料的切割，但其在水下的切割應(yīng)用中不多，經(jīng)驗(yàn)也很少。

②液壓動(dòng)力站：為切割及鉆孔設(shè)備提供動(dòng)力，本工程使用的液壓動(dòng)力站功率分為30KW和18.5KW兩種。30KW用于繩鋸機(jī)切割，18.5KW用于液壓水鉆鉆孔。

⑷主要施工方法及操作要點(diǎn)

①搭設(shè)施工平臺(tái)

繩鋸機(jī)必須在水面以上，平穩(wěn)的平臺(tái)上作業(yè)。我部在沉箱頂面搭建一個(gè)施工平臺(tái)用于放置繩鋸機(jī)和動(dòng)力站。平臺(tái)頂標(biāo)高+5.5米（設(shè)計(jì)高水位+4米）。平臺(tái)4條支腿中心尺寸6m*4m，頂部平臺(tái)尺寸9m*4m。施工平臺(tái)4條支腿采用9m長的φ630mm螺旋鋼管，向上依次為橫向（4m方向）2根I20工字鋼，縱向5根I20工字鋼，頂部搭設(shè)施工平臺(tái)。采用3t手拉葫蘆和φ17.5mm鋼絲繩將施工平臺(tái)四角與沉箱連接固定，沉箱頂口方向固定在沉箱頂面2根吊環(huán)上，底部在沉箱盲板位置固定（如下圖所示）。

②定位

根據(jù)沉箱切割尺寸，以沉箱端部為基準(zhǔn)水下用測(cè)繩測(cè)定切割位置，并做好標(biāo)記，在沉箱四個(gè)角位定出需切割的點(diǎn)。繩鋸機(jī)需對(duì)準(zhǔn)切割位置放置。

③穿繩

在沉箱切割處底部穿繩鋸，穿繩之前先用15米長的鋼筋進(jìn)行試穿，鋼筋穿完以后，在鋼筋的尾部用鐵絲纏住繩子的一端，纏好后向另一端抽起，穿好繩子后，繩子的兩端拉出水面，連接在繩鋸機(jī)上。

④切割

鋸繩連接完成后即可進(jìn)行沉箱切割。本工程采用大功率、低轉(zhuǎn)速的繩鋸機(jī)進(jìn)行切割施工。液壓動(dòng)力站功率30KW，施工壓力約為11MPa，繩鋸機(jī)的鋸繩正常工作時(shí)速度約10m/s（普通切割的鋸繩速度為18 m/s），切割整個(gè)沉箱斷面需鋸繩長度約80m，空壓機(jī)控制收緊繩鋸，壓力為0.3MPa。

隨著繩鋸切入沉箱內(nèi)，切割斷面逐漸縮小，繩鋸有效切割長度減小，通過壓力控制收緊繩鋸，該繩鋸機(jī)一次能最大收緊15米，超過范圍后需要切斷鋸繩重新連接后，繼續(xù)切割。本工程沉箱切割效率約為5m2/d。

⑤切割前必須將沉箱與海底接觸面空隙填充密實(shí)，防止沉箱割斷后產(chǎn)生較大下沉和位移。沉箱切割過程中，需在切割完的切割縫位置插入鐵楔子，布置間距0.5m，以防止沉箱切割過程中移位而夾住鋸繩。切割時(shí)每天需要變換繩鋸機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向（即一天順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，下一天逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)），來保證沉箱兩側(cè)的切割進(jìn)度基本相同。

3.4.2沉箱開孔

⑴簡介

沉箱起吊方式為8根φ94mm鋼絲繩吊4根鋼棒，每根鋼棒兩端各布置一根鋼絲繩，有4根鋼絲繩需穿過沉箱頂面進(jìn)入沉箱內(nèi)套鋼棒，需在穿插銷及下鋼絲繩位置分別開孔，即每塊的頂面和側(cè)面均需要開4個(gè)孔。整個(gè)實(shí)施過程全部需要由潛水員在水下完成，開孔精度要求高，水下操作難度大。

⑵工藝流程

風(fēng)鉆開定位孔→固定液壓水鉆→液壓水鉆鉆孔

⑶設(shè)備介紹

①液壓水鉆：用于水下鉆孔，可根據(jù)開孔尺寸大小更換不同型號(hào)的鉆頭，由液壓動(dòng)力站提供動(dòng)力，通過調(diào)節(jié)壓力來控制鉆頭轉(zhuǎn)速。

②風(fēng)鉆：用于開液壓水鉆底座定位孔，開孔后植入膨脹螺絲用來固定液壓水鉆。由空壓機(jī)提供動(dòng)力。

⑷主要施工方法及技術(shù)要求

①首先根據(jù)沉箱開孔位置及設(shè)備底座尺寸在相應(yīng)開孔位置旁邊開2個(gè)水鉆定位孔，采用風(fēng)鉆開孔，深度5cm，孔徑2cm，空壓機(jī)工作壓力0.7MPa，植入直徑16mm，長20cm的膨脹螺絲來固定液壓水鉆。

②液壓水鉆固定穩(wěn)固后開始鉆孔，必須確保鉆頭垂直于混凝土面。鉆孔時(shí)液壓動(dòng)力站壓力控制在8～12MPa，壓力超過20MPa則很有可能卡住或損壞鉆頭。順利完成一個(gè)直徑35cm、40cm厚沉箱壁鉆孔大約需要2小時(shí)，完成一個(gè)直徑25cm、35cm厚沉箱側(cè)壁鉆孔大約需要1.5小時(shí)。

③本工程沉箱開孔共使用了兩種型號(hào)的鉆頭，沉箱側(cè)壁穿插銷位置開孔使用直徑25cm鉆頭，沉箱頂面穿鋼絲繩位置開孔使用直徑35cm鉆頭。沉箱頂面穿鋼絲繩位置開孔原計(jì)劃采用繩鋸切割500mm×300mm的方形孔，為加快施工進(jìn)度，改為用液壓水鉆開2個(gè)35cm孔中間交叉15cm，采用此方法大大提高了施工效率。

④沉箱開孔高度允許偏差必須控制在5cm以內(nèi)，否則起吊后對(duì)鋼絲繩受力及起重船平穩(wěn)性影響很大。

3.4.3沉箱起吊

⑴吊索具選擇

①插銷

起吊用插銷選用直徑170mm的鋼棒，在套筒上設(shè)置擋板限制鋼絲繩左右移動(dòng)，套鋼絲繩位置長150mm。

②撐架

為防止起吊過程中鋼絲繩勒沉箱壁破壞混凝土，設(shè)置撐架使鋼絲繩垂直受力，并且方便潛水員水下穿鋼絲繩，撐架布設(shè)在距沉箱頂面約8m的位置（確保撐架露出水面）。

撐架尺寸為2.04m×11.35m，采用32b型雙槽鋼對(duì)扣焊接，在支撐鋼絲繩受力位置雙槽內(nèi)加鋼板焊接加固，防止撐架局部變形。

③鋼絲繩

起吊沉箱的鋼絲繩選用現(xiàn)有的8根長度為31m的φ94mm鋼絲繩，單根重量約1.2t。吊撐架鋼絲繩選用單根長度18.5m的鋼絲繩。

⑵起吊施工中沉箱壁、隔墻受力及承載力分析

核算：起吊時(shí)受力分析及彎矩圖，計(jì)算受力最不利的塊體2。

經(jīng)計(jì)算抗剪滿足受力要求。

抗彎，400mm砼板按耐力值材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算，可承受彎矩111KN.m。

圖中計(jì)算出最大彎矩為130.9 KN.m。130.9 KN.m > 111KN.m不滿足。

因這種起吊方法受力清晰明確，無附加彎矩，過程易于把握，且隔墻處有八字腳加強(qiáng)，砼不一定能破壞，即使破壞，破壞后沖擊力也較小。在方案比選中已充分討論，所以只能采用此種方法起吊。在實(shí)際方案實(shí)施時(shí)，砼沒有任何破壞，也實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的效果。

⑶起吊實(shí)施情況

切割后的3段沉箱分別于5月3日、5月18日、19日起吊打撈完成，放在碼頭后方陸域回填區(qū)域進(jìn)行拆除。

4 結(jié)束語

沉箱打撈前期準(zhǔn)備方案從2012年1月1日開始至3月1日最終方案確定，歷時(shí)61天。沉箱打撈具體實(shí)施從2012年3月13日開始施工至5月20日全部吊出結(jié)束，共歷時(shí)69天，其中沉箱切割及鉆孔有效作業(yè)天共43天，切割11天，鉆孔32天。

利用繩鋸機(jī)水下切割沉箱分塊起吊沉箱的有損打撈的施工方法是除了爆破、機(jī)械拆除方法水下拆除、打撈大體積或超大體積鋼筋砼構(gòu)件之外的又一條新的途徑，驗(yàn)證了繩鋸機(jī)在水下切割大體積砼構(gòu)件的可行性，在施工過程中積累的數(shù)據(jù)及總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)對(duì)類似情況的水下有損打撈、拆除施工具有一定的借鑒價(jià)值。