沉管隧道端頭圍堰鋼管樁水下無人切割技術實踐

張 濤，朱 成，陳 厚

(中交四航局第二工程有限公司，廣州 510000)

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

水下冷切割技術包括機械切割、高壓水切割、聚能爆炸切割。機械切割在切割過程中不對工件加熱，工件的材質性能變化小，且易于實現自動化，切割過程相對于其他切割方式環(huán)保。水下高壓水切割技術在國外已被應用多年并形成了系列化產品，而在國內關于水下高壓水切割技術，特別是其在深水條件作業(yè)的研究尚鮮見報道[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+鋼管樁支護體系[4]。沉管對接時，需要拆除圍堰提供對接窗口。其中水下切割鋼管樁是圍堰拆除中的關鍵步驟，傳統上鋼管樁水下切割采用的是人工潛水切割工藝，即潛水員從管樁內下潛至切割位置，沿管樁內壁使用氧氣切割槍切割[5]。這種工藝對人員專業(yè)要求高、施工安全風險大且環(huán)境適應性差、切割精度差。因此有必要研發(fā)一種風險低、精度高、適應性強的水下無人切割工藝。目前一種水下無人切割鋼管樁設備已成功研發(fā)并在廣州市車陂路-新滘東路隧道工程取得了成功應用，鑒于該施工技術實施經驗尚少，本文將依托車陂隧道項目，針對水下無人切割鋼管樁施工控制技術進行詳細分析，希望能為后續(xù)類似項目提供參考借鑒。

1 應用背景

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 切割機結構組成

水下無人切割機組由機架、支撐組件、切割機構組成[8]，通過操作后臺對各部件液壓動力系統進行調整，同時對應儀表盤數值變化反饋，判斷水下設備的工作狀態(tài)，再進行相應調整操作，進而實現水下無人切割。切割機器見圖1。

圖1 切割機器

2.1 機架

機架由中部鋼圓筒及外部鋼構件組成，為上部支撐組件與下部切割機構的安裝提供基礎。其中鋼圓筒由大小套筒組成，外部大套筒能沿內部小套筒上下移動。

2.2 支撐組件

支撐組件安裝于機架上，包括多個環(huán)向間隔分布的支撐單元。單個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架不可活動部分，另外1條鉸接支撐連桿固定端鉸接在機架圓筒外部可上下移動的套筒。通過支撐液壓油缸可調整套筒高度，進而改變張開角度，實現不同寬度限位目的。支撐組件結構示意見圖2。

2.3 切割機構

切割機構安裝于機架底部，包括前伸(后退)組件、圓形跟軌組件和鋸片切割組件。前伸組件通過相應液壓動力系統調整液壓桿件的伸展長度，使鋸片切割組件在機架居中位置和機架邊緣之間進行切換，以實現不同切割深度。圓形跟軌組件設有跟軌齒輪控制裝置、跟軌齒輪、環(huán)形齒條軌道與導向裝置，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，在導向裝置輔助下使得切割組件能沿著管壁做環(huán)向移動。鋸片切割組件由鋸片與液壓動力馬達構成，鋸片采用專用切割鋸片，固定在馬達上，通過液壓動力實現鋸片的高速旋轉切割。切割組件結構示意見圖3。

3 切割原理

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

設備固定完成后啟動切割鋸片液壓動力，通過切割機組操作后臺控制切割鋸片動力馬達，逐步調整檔位提高鋸片切割轉速，可通過數字顯示屏顯示轉數確認鋸片工作狀態(tài)，使其滿足切割管壁性能要求。接著調整操作后臺上的切割機構的前伸調整組件對應操作桿，使旋轉的鋸片逐漸靠近管壁，通過觀察操作后臺配置的油壓表參數，利用鋸片觸碰管壁時端部壓力會突變的特點，判斷切割鋸片是否觸碰到管壁，觸碰管壁時暫停前伸操作，使鋸片進行原位切割，隨著管壁的不斷切割，端部壓力不斷釋放回復至正常狀態(tài)。

完成當前位置管壁切割后，利用旋轉跟軌控制組件操控跟軌齒輪繞軌行走，帶動鋸片切割組件向前環(huán)形行走，完成當前深度不同位置切割，實現環(huán)形走位切割的效果。環(huán)形軌道設有限位零點，作為整圈切割的終點，達到限位零點完成當前深度整圈管壁切割后，繼續(xù)增加前伸組件長度，反向行走進行下一深度切割，反復循環(huán)分多次不斷遞進切割作業(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

4.1 準備工作

先在基坑內側切割標高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、鉆孔樁機正循環(huán)將鋼管樁內清孔至切割標高。同步對切割設備主電機、配套液壓動力站進行調試，記錄切割機構環(huán)繞一周到達限位零點的時間，作為后面施工操作指引。設備調試見圖5。

圖5 設備調試

4.2 設備固定

調試完成后，將設備吊運到位，進行對中定位及下放深度調整。下放至切割標高后，利用三腳架固定，并通過后臺加大支撐臂的液壓站壓力，使支撐臂張開，頂死在鋼管內。

4.3 管樁切割

4.3.1 切割機構設備啟動準備

由于實際施工環(huán)境中存在泥沙阻礙，導致實際的轉速比檔位理論轉速低，此時需要調節(jié)油門手柄來調整切割系統轉速，觀察數字顯示器使轉速數值在100～150 r/min。切割系統在鋼管中自由狀態(tài)(狀態(tài)1)空轉壓力為7～8 MPa，參數穩(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，切割系統往前伸，使鋸片碰到管壁。觀察儀表數值反饋，判斷是否觸碰管壁(狀態(tài)2)。觸碰管壁時停止前伸，保持當前位置，直至切割完當前位置的管壁(狀態(tài)3)。切割完當前位置后，調整跟軌組件操作桿，使切割組件沿著圓形軌道往前行走，進行下個位置管壁切割。分多段行走完成當前深度的鋼管切割。(狀態(tài)4)。

(2)往返切割(過程2)。首圈行走至限位零點后，僅需調整跟軌組件操作桿，回收液壓桿件，實現切割組件跟軌后退。整圈分為多段多行程進行切割，直至完成當前深度整圈切割(狀態(tài)5)。整圈切割完成時才需要調整前伸組件操作桿，繼續(xù)前伸加大切割深度。再次碰壁后，停止前伸操作，改為調整跟軌組件操作桿，同樣分多段進行此時深度的整圈切割。如此反復，不斷遞進加深，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，回退切割組件到機架中間位置(調試記錄耗時17 s)，此時鋸片已完全脫離管壁。之后再次進行前伸操作(維持前伸20 s)，使前伸到極限位置，然后停止前伸操作，改為調整圓形跟軌組件液壓桿件，進行往前跟軌環(huán)繞，觀察操作臺壓力表狀態(tài)，看壓力是否持續(xù)為空轉狀態(tài)(狀態(tài)1)。一圈下來走到零位后就回收跟軌組件液壓桿，進行后退環(huán)繞。反復進行多次(≯3次)進退往返，壓力穩(wěn)定均為空轉狀態(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 設備回收

管樁切割完成后，通過調整前伸組件使切割機構脫離管壁，回到機架中間位置，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，進行設備吊裝，安放到固定支架上，對設備進行維護與檢查。

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的振動錘對鋼管樁進行拔除[10]，量取復核切割長度確定切口標高，查驗切口狀態(tài)是否滿足施工要求，做好相應記錄。設備切割效果見圖7。

5 應用效果

從工程實踐及鋼管樁最終切割效果對比，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。通過觀察相應壓力表不同壓力數值，實時了解設備工作狀態(tài)，控制液壓桿件前伸或回收，進而調整設備狀態(tài)，實現不同工作目的，實現無人深水切割作業(yè)，減少了潛在的深水作業(yè)施工風險。

(2)施工環(huán)境受限小、人員技術要求低。本工法相比傳統切割，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]，條件允許可實現24 h連續(xù)作業(yè)。設備操作簡單，人員進行相關操作培訓后，即可負責操作機器進行切割，相比專業(yè)水下人員標準配置，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。工程實踐結果得知，無人水下切割機相比傳統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，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 結語

本文從技術原理、實施方案上介紹了水下無人切割鋼管樁施工技術，該施工技術已在車陂路—新滘東路隧道工程取得了成功應用，經檢驗精度良好，具有更高的安全保障?；谠撛O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。