自创水下截桩机施工技术

作者：田 野

上海市水利工程集团有限公

司

Shanghai hydraulic

waterworks co.,ltd

【摘要】随着全球航运业高速发展以及我国海上丝绸之路的大规模建设，中国近年来有大量码头工程进行修建、加固和改造，同时在上世纪建设的小吨位码头、泊位、系缆墩等也因年久失修、结构老化或影响城市规划而面临拆除。在码头拆除工程中最大的难题在于水下桩基础的截除，若截除不到位将直接影响航道和泊位上通行船舶安全，一旦酿成事故将造成巨大损失。下面结合工程实例和自创水下截桩机来分析水下桩基础截除施工技术和要点。

【关键字】自创、水下截桩、清淤

【Abstract】 with the rapid development of the global shipping industry and large-scale construction of Maritime Silk Road in China, China in recent years a large number of wharf engineering construction, reinforcement and reconstruction, andin the last century, the construction of small tonnage wharf, berth, mooring pieralso because of disrepair, structure of the aging or impact of urban planning andface demolition. In the wharf demolition construction problem is the biggest waterpile foundation under cut, if the cut is not in place will have a direct impact on thetraffic safety of the ship channel and berth, once the accident will cause a great loss. Combined with the engineering example and created the followingunderwater pile cutting machine to analysis of underwater pile foundationconstruction technology and key points of amputation.

【Keywords】 Homemade, underwater pile cutting, dredging 1、工程概况

上海徐汇滨江海事、、三航及环卫码头迁建工程位于徐汇区喜泰支路附

engineering

近的滨江沿岸，下游紧邻张家塘，里程号为黄浦江左41+610~41+920。原实宏小码头修建于19年，因年久失修，下部桩基础和横梁破裂缝较多，面板碳化严重，经过专业单位鉴定后需拆除，在原位为海事和门新建浮码头。码头桩基础断面尺寸有两种规格，分别为：500mm*500mm、300mm*300mm，桩基础截除标高为-1.8m。

2、常见水下截桩方法 （1）金刚石绳锯法

金刚石绳锯水下整体切割钢筋混凝土临时桩的拆除方法，其机理基于通过液压马达高速驱动带有金刚石串珠的钢丝绳索（金刚石锯绳），通过导轮绕着钢筋混凝土临时桩运转，在一定张拉力的作用下，高速磨削被切割物体，产生的磨屑和热量随循环冷却水带走，最终达到分离被切割物体的目的。

附图1：金刚石绳锯水下截桩施工图

金刚石绳锯法优点：安全迅速，对建筑物无损伤，尤其适合大规模砼切割和无损检测方面；切口平整、无震动、低噪音、无粉尘，不影响交通、生产等；动力强劲，移动灵活，切割范围大，任意控制切割体切割方向。缺点在于功效太低，切割时间长，绳索损耗较快。单根桩从前期准备到切割再到起吊至完成约需要3 个小时，加上绳索定期检查等因素，平均1天可以完成截除3根桩。

（2）水下线形聚能爆炸切割法

水下线形聚能装药爆炸割除工艺是将设计药包捆绑在桩身指定位置，并留有一定容积的空腔, 炸药引爆时由于空腔的存在会形成高速运动的气体(金属)射流, 使得爆轰产物在一定方向上聚集, 爆炸能量密度大大提高, 沿轴线向外射出高能流密度的聚能流, 这种射流具有很强的穿透能力, 从而大大提高了药包对该方向上的局部破坏作用, 这种效应称为聚能效应, 又称为诺尔曼效应。射流可以用来切割钢板、钢制链环等坚硬的物体,引爆后将桩身混凝土震破，再用小型起重船

吊桩落驳。

附图2：水下爆炸切割施工图 （3）金刚石圆盘锯法

金刚石圆盘锯工作原理是利用镶有工业钻石的盘锯高速切割含有钢筋的混凝土，切割位置精确、速度快，可遥控进行施工；锯头工作面大，可根据被切割构件的厚度任意调整锯片的大小，目前一些先进的切割设备切割深度可超过1m；其锯头下有轨道装置，轨道随意固定，轨道单独架设，任意拉长。优点是机械化施工，劳动强度低，操作灵活，在陆上切割优点突出。缺点在于需要潜水员配合水下操纵，安全风险较大，同时对水质要求较高，适应面较小。

附图3：钢护筒干地截桩施工图

（4）套筒法切割

利用钢护筒套于被切除桩体上，钢护筒用震动法压入土层3~5m，从而达到止水和隔离效果，再抽除钢护筒内积水，形成干地作业条件，然后由人工下到钢护筒内使用手持式电动切割工具进行割除。钢护筒的壁厚应满足水压力和施工其他附着力的要求，必要时加箍筋和焊接竖向受力钢筋。优点是干地作业，拆除机械选择性广，摆脱潮水和水下操作的安全风险，缺点是施工周期长，操作空间小，桩体割断后容易压伤操作人员。

附图4：钢护筒干地截桩施工图

（5）水下氧—弧切割法

水下氧一弧切割技术，是一种传统的水下金属的切割方法，由于这种切割方法设备简单，使用方法灵活，适应性广，工效快，技术易于掌握，安全可靠，在国内外仍被广泛的采用。水下氧一弧切割工作原理，就是利用水下电弧产生的高温和氧气同被切割金属元素产生的化学反应热，加热和熔化被切割金属并借助氧气流的冲力将切割缝中的熔融金属及氧化熔渣吹除，从而形成割缝的。随着水下电弧的不断移动和氧气的不断供给获得所需要的切割长度，达到切断被割金属材料的目的。由于氧一弧切割中，能够获得大量的化学反应热，从而可以利用较小的切割电流进行切割，同时在切割过程中不断供给具有一定压力和流量的氧气，使割缝中的熔化金属和熔渣不断被吹除，所以氧一弧切割可以获得较高的切割速度。

附图5：水下氧弧截桩施工图

以上方法均需要潜水员到水下或护筒内操作，一方面安全隐患较多，如机械伤害、水下作业、爆破作业等，同时人员劳动强度较高，工程造价高；另一方面对施工作业区域的水质要求较高，若浑浊、泥沙含量较大、水下杂草较多、污染或腐蚀性强的水域将不适合以上方法。本工程因处于黄浦江沿岸，泥沙含量大，

水下透视性差，项目部结合实际情况进行自主创新，研发了适合黄浦江水域的水下截桩机，具体简绍如下：

3、自创水下截桩机器简介

本工程摒弃了潜水员水下使用切割设备或爆破方式进行拆除混凝土结构的传统工艺，采用自主创新的液压切割工艺，全部岸上操纵，保证了施工作业的安全性，同时采用静压切割，对水域无污染，拆除质量好、施工进度快，取得了较好的技术经济效果。具体简绍如下：

自创液压切割机切割原理：利用液压系统以液体作为工作介质将压力通过岸上操纵平台传送至水下各千斤顶，其中主千斤顶设置2个，作用为：推动合金刀头切割桩体，次千斤顶1个，设置在机器顶部，用于推动被切割桩体的上部，使其产生弯矩，从而使得桩基础从切割点断裂。

附图6： 岸上操纵器图片 附图7： 液压切割器图片

切割设备由选用桥梁专用高强钢板（YB168-70）组装焊接而成，因桥梁专用高强钢板有较高的强度、韧性以及承受机车车辆的载荷和冲击，有良好的抗疲劳性，一定的低温韧性和耐腐蚀性，同时有良好的焊接性能，故较适合用于制作切割设备的主体框架，切割设备总长2.5m，高1.5m，宽1m，具体尺寸详见下图。

液压千斤顶选用三根德国BAIER液压动力公司生产的型号为: RC-1006的单作用通用液压千斤顶组成，其中两根平行设置在底部用于推进切割刀头，一根设置在顶部用于斜向推动桩体，使得被切割构件产生弯矩。液压千斤顶缸承载能力为100ton，行程260mm，液压缸有效面积133.2 cm 3，本体高度449mm，伸展高度709mm，外径178mm。

附图8：自创水下截桩机设计立面图 附图9：自创水下截桩机设计立面图 4、自创水下截桩设备优缺点

1无需潜水员下水操作，优点： ○全部岸上操控，减少人力劳动和安全风险。2适应于任何水质水域，尤其在水质浑浊、污染、腐蚀性严重的水域更显优势。○

3切割时间短4操作简便，○（3~5分/根），大大提高工作效率，缩短工期。○设备、5节约成本，降低了工程造价。○6应用范围广，可用于水下、陆上材料损耗小。○

的各类混凝土构件、钢构件、木质构件、钢筋等截除。

缺点：设备自重较大（4t），移动和下放切割需依赖起吊设备（浮吊船、汽车吊等）。切割时受作业平面的，需要先将桩体一侧清理。

5、截桩 （1）工艺流程

测量→清障或疏浚→切割机就位→测量截除长度→桩体下部切割→桩体上部推移→断桩吊运→清理现场。

（2）测量

施工前先根据建设单位提供的水准点引测至施工水域附近的固定点处，建立临时水准点，在低潮位时测量出需要截除桩的桩顶标高，按照截桩后的标高计算出每根桩需要截除的长度。在下放截桩机时，通过在机器刀口处的带刻度吊绳便，可测量出桩体截除深度是否到位。

（3）清障

桩基础是整个水上构筑物最下部的支撑结构，在拆除流程中属于最后一工序，因此上部结构拆除时，难免有混凝土块或建筑垃圾掉入水中，在接桩前需要将下面障碍物清除，以提供机器放置面。另外若现状泥面较高时还需疏浚后才可切割。

（4）水下切割

清障完成后，液压切割设备便可起吊就位。用40t浮吊船（2~3个滑轮）将切割设备吊至被切割桩体处，其中浮吊船主滑轮用于调运切割设备，副滑轮用于微调设备位置、方向，尤其是遇到斜桩时，副滑轮便可起到调整切割机整体角度的作用，以便切割机锁口顺利套在桩体，切割机下放时应均匀缓慢，同时观测吊绳的数值，达到截桩标高值时（一般超深10cm）停止下放，并用钢丝绳将被截除桩体的上部套牢固，以便截断后直接吊运。然后岸上操纵人员启动两根主液压千斤顶，在液压的作用下合金刀头将逐步挤压进桩体内部，混凝土开始裂变，部分脆性钢筋已被割断，屈服强度较高的钢筋将被拉至濒临屈服点，此时启动切割设备顶部推杆，增加桩体的弯矩，桩体内钢筋将被逐一拉断。

附图10：自创水下截桩机施工图 （5）吊运

切割桩体前用浮吊船的钢丝绳将桩体上部绑套牢固，桩体断裂后用浮吊船吊运到陆上，复测桩体长度是否满足截桩标高要求。若未达到截桩标高要求时，用钢护筒套入桩体，抽出积水，用冲锤或人工持工具将其破碎至切除标高点。

附图11：截桩吊运施工图 5、钢筋混凝土桩水下切割截除要注意事项

（1）在切割桩前首先要测量河床标高，然后决定挖泥的深度，并根据河面的宽度放坡，在截桩部位应超挖0.3~6m左右，预留一定的施工空间，例如桩长度要切割8m，那么挖泥的深度应当为8.3~8.6米。

（2）码头引桥有直桩、斜桩、群桩，直桩周围的泥土容易疏浚到位，斜桩的倾斜内侧以及群桩之间的泥土难以挖出，在这种情况下有两种方法解决：一种是在桩体旁边深挖一个大坑，然后潜水员用高压水对泥土冲，让这些泥土流淌到深坑呢。另外一种是在桩体两侧和正面开挖，开挖深度超过截桩标高1~1.5m，然后将截桩机套入桩体，利用设备自重（4t）将斜桩倾斜内侧的土体压至两侧，从而达到截桩标高要求。若有密集群桩时，做法与斜桩一样。从外侧逐一截除。

（4）钎杆也是不能忽视的，利用钎杆可探摸桩体四周土体开挖是否达到要求，是否有障碍物等，另外若在潮水较高时施工，桩体淹没，钎杆可用做用做定位标杆，使截桩机顺利套入桩体。

（5）浮吊船起重机选择必须考虑足够的安全系数，切断后的桩体和导向架总重量约8 吨，本工程采用40t 浮吊船起重机满足安全使用要求。割断后，慢慢起吊桩体和切割机至陆面，这样完成1 根桩的截除工作，重复下一根。

6功效及经济效益分析

本工程对桩体截除标高的控制依赖于对河床的疏浚，当疏浚到位后，直桩截除一根桩平均耗时5分钟；斜桩截除一根桩平均耗时15分钟，因截桩机角度需和斜桩倾斜角相同，故在调整截桩机角度时耗时较长；群桩截除一根桩平均耗时20分钟，因桩体两侧土体不能开挖到位，依靠设备自重挤压淤泥，施工中需要测量机器下放深度是否满足截桩标高要求，故耗时较长。

液压切割器功率为150kw/h，一天平均切割一根桩按15分钟计算，每根耗电25度，按工业用电1.002元/度计算，电费25.05元/根；操纵工人3人，平均工资150元/人，则每根人工费3*150*/8*4=14.06元/根，50t浮吊船台班费为3000元，则每切割一根桩浮吊船台班费为3000/8*4=93.75元，因此自创切割机每切割一根桩施工成本为：132.86元。

结论

按照以往的水下切割工程经验和项目自身特点，公司自主创新的切割设备摆脱了依赖人工下水作业的传统模式，安全性和经济效益良好，适用面广，操作简便，并经过工程的实践逐步成熟和完善，给类似工程带来一定的参考意义。

参考文献：

《金刚石绳锯切割在码头拆除工程中的使用》，顾东健，城市建设理论研究2011(19)。

《绳锯切割技术在构筑物水下拆除施工中的应用》，毕朝阳，山西建筑，2014(24)。

《水下捆绑爆破切割法折除码头桩基工艺》汤星旗，中国港湾建设，2009(2)。