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)

獨特的水汽環境及水壓環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要求高、施工安全風險大且環境適應性差、切割精度差。因此有必要研發一種風險低、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，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，油壓持續上升表示支撐正常打開，直到液壓加壓穩定于某一數值，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，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。

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形行走，完成當前深度不同位置切割，實現環形走位切割的效果。環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，繼續增加前伸組件長度，反向行走進行下一深度切割，反復循環分多次不斷遞進切割作業，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(狀態1)空轉壓力為7～8 MPa，參數穩定后開始前伸操作。施工儀表狀態說明見表1。

表1 施工儀表狀態說明表

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5)。整圈切割完成時才需要調整前伸組件操作桿，繼續前伸加大切割深度。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，進行往前跟軌環繞，觀察操作臺壓力表狀態，看壓力是否持續為空轉狀態(狀態1)。一圈下來走到零位后就回收跟軌組件液壓桿，進行后退環繞。反復進行多次(≯3次)進退往返，壓力穩定均為空轉狀態，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，控制液壓桿件前伸或回收，進而調整設備狀態，實現不同工作目的，實現無人深水切割作業，減少了潛在的深水作業施工風險。

(2)施工環境受限小、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連續作業。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，相比專業水下人員標準配置，降低了施工要求，一定程度上節約了施工成本，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。基于該設備而形成的鋼管樁深水無人切割工藝可為后續類似施工提供有益參考。