1. 引言
随着地下工程建设规模的不断扩大，在城市建筑密集区无法避免地会正面遭遇桩基、孤岩等障碍物，若采用传统方法破除[1]势必会增加工期、扩大成本和扰动周边环境。随着盾构法的不断发展[2]，盾构直接破除障碍物技术实现了突破，相继完成深圳地铁9号线[3]、上海地铁7号线和10号线[4]区段桩基的直接切削，但目前仍面临着刀具的磨耗、崩断等难题。
磨料水射流作为一种液固两相射流，是由高压水射流混合磨料颗粒形成，因其具有较大的能量而广泛运用于工业切割技术中[5]。若将作为破除地下障碍物的切割刀具，将有效解决现有刀具损耗难题，目前已有较多的学者对射流在隧道领域的运用进行了探索，刘朋飞[6]等将开展了射流切割盾构泥饼试验研究，中铁一局也成功地研制出了全球第一台射流联合机械破岩盾构，但目前对于磨料射流切割金属管桩技术仍不完备，尚无可直接借鉴的相关参数。
2. 工程概述
通铁路隧道位于上海同济路与富锦路交叉口附近，盾构需从地铁三号线PⅢ118桥墩正下方穿越。PIII118墩下部结构为双柱式桥墩接承台，桩基采用∅600PHC管桩，管桩深度51.9 m，单个承台下共6根。管桩接头端板为19 mm厚的Q235法兰接头(单侧)，如图1所示。接头位置正位于盾构机刀盘中心区域位置，钢结构接头不易于被刀盘切削，最终可能会形成φ600 mm端板整体，难以通过刀盘以及排渣，存在施工风险。因此在切割前期需要进行陆地试验，确保使用磨料射流装备可以将桩基整体破碎，形成易于通过盾构泥水吸口的碎块(粒径小于180 mm)。
Figure 1. Schematic diagram of a pipe pile
图1. 管桩示意图
3. 工法对比分析
盾构法施工中遇到地下管桩时，最安全及经济的施工方式为利用大型设备或沉井开挖法移除管桩。当施工区域受限时，通过适当调整盾构的掘进参数和模式进行直接掘进，但施工过程中管桩上部分高强度结构会影响到盾构机切削及出渣效率，易引起刀具过量磨损甚至损坏，同时管桩被刀盘切削时受力状况差极可能影响管桩切削效果，使得切削粒径过大，造成出渣不畅乃至堵塞。
在本次施工项目中，若采用高压水射流设备破除地下管桩，可实现高压水射流设备沿管桩轴线升降移动进行竖向切削，将原有的圆筒形块进一步破碎成更小粒径的扇形块，有利于刀盘的切削及排渣，综合来看该工法无论在设备的操作性、体积及破碎效果均具备优势。
本次研究基于上海通铁路隧道桩基切割的施工需求，对高压射流切割中空管桩的可行性进行试验研究。
4. 试验研究
本次切割模拟体为1:1复制地铁三号线PⅢ118桥墩桩基，将法兰环浇筑在水泥桩中，固化后形成长3米，直径0.6米的圆形桩基，放入试验池中，使用磨料射流切割设备对模拟体(图2)进行切割试验。
Figure 2. Cutting test schematic
图2. 切割试验示意图
4.1. 试验设备
试验设备采用中海油高压射流切割设备，如图3所示，包含高压泵、控制室和磨料桶等设备，在高压射流外喷管处安装夹具套筒用以控制油缸的行程(图4)。
Figure 3. High-pressure jet testing apparatus
图3. 高压射流试验装置图
Figure 4. Improved design of the high-pressure jet nozzle
图4. 高压射流喷头改进设计
4.2. 试验流程
试验流程如图5所示，破碎装置自上而下进行轴向切割(共600 mm行程)，切割期间按照破碎装置设计速度缓慢切割，上部250 mm长度按照66 mm/min切割速度切割混凝土及外侧钢环套；中间100 mm长度按照25 mm/min的切割速度切割金属法兰接头，下部250 mm长度按照66 mm/min切割速度切割混凝土及外侧钢环套。
模拟体轴向环切完成后，将破碎装置移动至预定位置进行环向切割，切割过程中实时监控切割参数，通过切割参数实时调整切割策略，完成环向切割。
Figure 5. Cutting process flowchart
图5. 切割流程
4.3. 试验结果分析
(1) 纵向切割
纵向切割共开展了13次试验，切割路径如图6所示，实线为切割路径，虚线为移动路径，前3次纵向切割试验中混凝土块和外侧钢套环可在180 Mpa压力和25 mm/min移速下被轻易切割，但法兰处在最大压力(220 Mpa)和较慢移速(17 mm/min)下仍无法完成完全切断(图7)，因此后续的试验主要针对对接法兰开展。
Figure 6. Longitudinal cutting path
图6. 纵向切割路径
Figure 7. Cutting results from the first three tests
图7. 前3次试验切割效果
法兰切割试验结果见表1，依据试验结果，切断法兰需同时满足高切割压力(>180 Mpa)和低切割速度(<12 mm/min)，否则极易产生切割残余。
Table 1. Cutting results from Tests 4 to 13
表1. 第4~13次切割结果
切割次数 |
位置 |
切割压力 |
移动方向 |
移动速度(切割法兰) |
切割长度 |
试验结果 |
4 |
80˚ |
200 MPa |
纵向 |
25 mm/min |
60 mm |
除法兰部分仍有粘连，其余全部切断 |
5 |
100˚ |
220 MPa |
20 mm/min |
6 |
120˚ |
220 MPa |
15 mm/min |
7 |
140˚ |
220 MPa |
纵向 |
12 mm/min |
60 mm |
全部切断 |
8 |
180˚ |
190 MPa |
纵向 |
12 mm/min |
600 mm |
全部切断(设备故障，法兰部分出现重复切割情况) |
9 |
正转至200˚ |
190 MPa |
纵向 |
12 mm/min |
600 mm |
法兰环存在粘连 |
10 |
220˚ |
195 MPa |
纵向 |
17 mm/min |
140 mm |
除法兰部分仍有粘连，其余全部切断。 |
11 |
240˚ |
185 MPa |
15 mm/min |
12 |
260˚ |
185 MPa |
12 mm/min |
13 |
270˚ |
185 MPa |
纵向 |
8 mm/min |
140 mm |
切割结果：法兰环存在极少粘连(约2 × 2 × 2 mm的粘连体积) |
(2) 环向切割
Figure 8. Circumferential cutting path
图8. 环向切割路径
为实现高压射流破碎形成的最小中空管桩法兰连接的最小粒径，对200˚位置，即第9次切割时剩余的粘连部分进行再次切割，从而完成200˚位置完全切割，与180˚割缝形成的切割扇区，最终再与两道相隔100 mm的环切形成最小破碎扇块。图8中的横向实线为两次环向路径，切割数据和结果见表2，从相关数据及图9的实际效果可以看出，高压射流较好对区域试验块完成了较好的切割。
Table 2. Circumferential cutting results
表2. 环向切割结果
切割次数 |
旋转角度 |
切割压力 |
移动方向 |
移动速度 |
切割长度 |
切割时间 |
试验结果 |
1 |
270˚~200˚ |
190 MPa |
环向 |
300˚/h |
366 |
14 min |
达到切割效果 |
200˚~169˚ |
环向 |
300˚/h |
162 |
7 min |
2 |
169˚~270˚ |
190 MPa |
环向 |
300˚/h |
470 mm |
20 min |
达到切割效果 |
Figure 9. Circumferential cutting effect
图9. 环向切割效果
(3) 试件测量
在所有的切割试件中，180˚~200˚区间内形成的是最小粒径试件，最小粒径试件的粒径为175.72 mm，小于180 mm的粒径需求，达到最小粒径的试验要求(图10)。
Figure 10. Minimum particle size measurement
图10. 最小粒径测量
对200˚~270˚扇块中，未完全切割穿透的缝隙进行测量，并统计该工况下的试验参数(表3)，进一步对比证明了切断法兰需同时满足高切割压力(>180 Mpa)和低切割速度(<12 mm/min)的施工要求。
Table 3. Measurement of incompletely cut through gaps
表3. 未完全切割穿透的缝隙测量
角度 |
切割压力 |
移动速度 |
切割时间 |
剩余未切割穿透厚度 |
220˚ |
195 MPa |
17 mm/min |
17 min |
32 mm |
240˚ |
185 MPa |
15 mm/min |
20 min |
27 mm |
260˚ |
185 MPa |
12 mm/min |
25 min |
18 mm |
270˚ |
185 MPa |
8 mm/min |
28 min |
穿透 |
5. 结语
(1) 高压射流切割试验中，每隔20˚的纵向切割以及间隔100 mm的环向切割，可以实现法兰连接部分的破碎。
(2) 水射流破碎后的粒径不大于180 mm，达到了试验所需的破碎要求。
(3) 为保证切割效果，切割法兰环时，切割压力应保持在高切割压力(>180 Mpa)，纵向移动速度保持在低切割速度(<12 mm/min)，并且在切割完成后宜进行切割速度约为30 mm/min回扫循环切割。