高压水射流破除混凝土施工工艺

一.前言近年来，随着国民经济的发展，工业技术水品的提高，高速公路和各类大型建筑物的增多，我国从80年代开始至今，建造了大量的混凝土建筑物和基础设施。大家多知道混凝土是有使用寿命的，随着时间的推移，混凝土逐渐劣化，如果不进行维修，那会产生非常大的安全隐患。为了保证正常的社会次序和人民的生命财产安全，一些混凝土构造物已经到了必须进行维修改造的阶段。传统的几种清除破碎混凝土的常用方法，如用风镐、振动锤、喷砂和爆破等，对混凝土体在不同程度上都会产生毁灭性破坏，近十年来，人们越来越倾向于在保持建筑物原有框架的基础上对损坏的混凝土体进行修复、拓展或翻新，损坏的混凝土体是由风化、腐蚀、过载、温差效应等各种原因造成的，如高速公路的路面、立交桥的桥桩、大型建筑物的外混凝土体等，要求清除破碎掉损坏的表面混凝土而露出钢筋，以便重新浇筑而恢复如新；或如桥梁的拓宽、建筑物的拓展，要求完全地破碎除掉某一部分的混凝土而露出完好的钢筋，以便增强钢筋结合进行混凝土体拓展；还有如表面清洗、清除涂层或漆层，混凝土打毛、混凝土体内增强、钢筋的清洗、混凝土体的切割等。高压水射流切割技术能满足以上对混凝土体进行修复、拓展和翻新的要求，避免传统方法所产生的不同程度的毁灭性破坏，从而节省巨额的建设费用，有利于社会资源的有效利用和生态环境保护。由于高压水射流切割技术在桥梁拓宽拼接等工程施工中的应用尚未普及，且具体的工艺流程和施工工艺还不成熟，在工程实际施工中一些质量控制因素和影响切割钢筋混凝土的工艺参数尚未得到系统的总结。为此，我们成立了高压水射流切割技术研究小组，针对施工中的现状，在施工中进行总结、完善，形成了本工法。二.工艺特点1、高压水射流对材料无热损伤，也无热变形，不会使钢筋弯曲变形、拉伸松弛或断裂，不影响和破坏其承载力，并且可破除钢筋下方的混凝土，对保留部分不产生损伤。2、不产生振动和混凝土的微裂纹，,也不会引起钢筋的震动引起远距离的结构损伤。3、可以选择性破除混凝土，切割时可进行平面、垂直、顶面、曲面等多角度作业，通过机构人自身的设定可以破除任意角度和高度的钢筋混凝土。4、自动质量控制，预设“质量、深度”，通过调节高压水射流的压力及流量可以对钢筋混凝土任意深度及宽度进行破除。5、水射流切割是湿法切割，无粉尘、烟雾、火花、气味、噪音低属于绿色环保切割。6、可破除钢筋上的锈迹，还可使破除后的混凝土界面呈现洁净、坚硬的凹凸齿状，无需再进行结合面凿毛处理，即可提高新旧混凝土的粘结力，粗糙表面的粘结效果较其他方法高50%以上。7、机械化、自动化远距离遥控作业，工作效率高，作业速度较手持风镐快25-50倍。8、无机械震动对操作人员造成的伤害，安全性能高。三.适用范围高压水射流破除设备只对要被破除的混凝土施加最小的外力，通过保持水压和水流、射流移动和冲角角度的关键性平衡进行作业。如此一来，水射流受设备影响，切入混凝土，在其内部产生水压并因此迫使材料上升，留下完整坚固的混凝土。钢筋被清洗干净，无锈迹和混凝土残留物。

高压水力破除技术主要用于破除敏感性混凝土建筑物与构筑物的破损混凝土，以利于修复这些建筑结构，使之得到改造与补强。这些建筑物与构筑物包括桥梁、隧道、大坝、港口、码头、机场、水力发电站、大型公共设施、大型工业厂房、大型设备基础、民用建筑等以及用来破除船体和甲板上的涂料。久经考验、历史悠久的水力清拆修复技术在过去的29年中已在北美、欧洲、俄罗斯、中东和东南亚得到了广泛的使用。四.工艺原理高压水射流切割混凝土，就是将净化过的水，进入高压发生装置后，由高压泵加压，产生100～280MPa的高压水射流，射入混凝土表面。而多孔材料的混凝土具有很高的综合粘结力但抗拉力却是综合粘结力的十分之一。水穿透混凝土孔隙产生内压。当内压超过混凝土的抗拉力时，混凝土就被破除。混凝土为非均质的多孔隙材质，钢材则为均质材料。从宏观上看，混凝土是由相互胶结的各种不同形状和大小的颗粒组成。深入观察其内部结构，它是具有三相(固相、液相和气相)的多微孔结构，喷出的高压水可以击破混凝土表面，水在混凝土内部形成超过混凝土弯拉强度的张力，破碎掉混凝土。但是钢筋是均质、固体材料，作为液体材料的水，无法突破钢筋表面，所以高压水射流不会损伤到混凝土的钢筋。图1切割混凝土原理若混凝土开裂或分层，则破除深度必然会增加，例如均匀性低。破除深度与混凝土强度成反比，例如过高的水灰比。这解释了水力破除是如何能够有选择性地对混凝土进行破除的，部分原因是混凝土损坏程度的不同，而部分原因则是混凝土的强度水平。水力破除设备在混凝土作业中呈现出根据实际损坏范围自动改变破除深度的能力。五.工艺流程及操作要点5.1.工艺流程桥梁拼宽施工中高压水射流切割混凝土工艺流程如下图所示：施工准备→测量放样→机器就位→切割→割枪运行→结束一个行程。施工准备施工准备测量放样机器就位切割割枪运行结束一个行程图2高压水射流切割混凝土工艺流程图5.2.操作要点5.2.1.施工准备在高压水射流切割施工开工前，做好施工人员、材料及机械的各项准备工作，编制专项施工技术方案，专项安全技术方案，并做好施工交底和培训。5.2.2.材料和设备高压水射流切割主要材料只有水，非常环保，只要备一台潜水泵和发电机，有水源即可随用随取。对于设备，以“Robot365”机器人的设备系统为例，整个设备系统主要由高压水泵、执行机构系统、发电机三部分构成。如下图3所示：图3设备系统构成图高压水射流路面破碎设备主要有高压水射流发生装置、行走小车、执行机构、控制系统及附件等组成。高压水射流发生装置主要由高压泵、柴油机、安全阀、溢流阀、压力表、底盘、管路等组成。其中高压泵是产生高压水的核心部件。执行机构是执行作业的直接机构，该机构的设计性能直接影响混凝土破碎的效果。执行机构的设计，既要考虑路面破碎时的现场特点，又要考虑其中密封等关键部件的使用寿命，这样既保证了设备的先进性能和使用可靠性，又降低了系统成本。控制系统是实现路面破碎系统控制的机构，通过控制系统，PLC控制使操作者可以自如的控制旋转喷头的速度、喷头的横向速度、机器人的前进、后退速度、机头的伸缩、转向等，使其可以准确的放置在混凝土作业面上。5.2.3技术交底施工之前，首先向施工人员进行技术交底，并说明混凝土破碎中该设备涉汲到水压、水流量、曝水时间、混凝土强度、破除深度和宽度。例如在石安改扩建漳河特大桥拼接项目施工中高压水射流切割设备执行机构参数设定：额定流量：220L/min，操作压力150MPa，混凝土强度等级C50，破除宽度30cm，破除深度为整个翼缘板的厚度（该翼缘板厚度为渐变值18-25cm）。5.2.4.设备进场及平面布置设备进入施工现场，为了确保高压水射流执行结构行进路线的平整，首先清理执行机构行走轨迹范围内的各种杂物，同时在桥下方设置警示牌，做好安全围挡防护，防止高压水射流破除后的混凝土块体飞溅伤人。由于桥梁拓宽工程往往是在原有高速公路通车的情况下进行桥面拼接施工，施工过程中，需确保一条车道正常通行。为防止高压水射流破除的混凝土碎块及水雾飞溅到行车道上，影响行车道上的车辆安全，在执行机构“Robot365”机器人与行车道之间设置一道防护网。同时在施工区域内依次布设机器人、高压泵站、运水车。泵站采用车载式高压泵站，可以根据施工区域快速移动高压泵站。车载式高压泵站、运水车和执行机构“Robot365”机器人平面布置如下图。图4平面布置示意图5.2.5设备就位及参数设定1）施工前由测量工程师每隔l0m间距放出切割边线控制点并弹上墨线，以便在执行机构切割过程中沿着墨线轨迹行走，保证切割宽度。2）该水切割设备可自行开进，机动性较好，不需吊装设备配合就可以就位，作业时，首先将执行机构与高压设备箱用高压水管连接，再将高压设备箱与水源用水管相连接。图5“robot365”机器人就位3）启动设备之前首先要进行参数设定。高压水射流施工关键技术就在于参数的设定，破除效率、深度和水射流的压力、流量、冲程密不可分，必须使三者完全匹配才能满足施工要求，如压力大、流量小则施工效率会大大降低;压力小、流量大则无法破除钢筋混凝土;冲程大则破除深度大，冲程小则破除深度小，三者有着密不可分的关系，针对不同强度等级、级配的钢筋混凝土参数的设定也完全不一致。根据相关类似施工经验及现场施工验证数据统计，破除C50翼板钢筋混凝土不同深度的参数设定如表1所示。表1设备参数设定序号压力（MPa）流量/(L/min)冲程数破除深度（mm）1130-1402201902130-14022021603130-14022032304130-14022043005140-15022011206140-15022022307140-15022033008140-1502204350由上表可知旧桥翼缘板破除施工时，喷头横向移动宽度设定为250mm，喷头纵向摆动幅度设定为±25°，冲程数选用3冲程;破除旧桥铺装层时，喷头横向移动宽度设定为400mm，喷头纵向摆动幅度设定为±35°，冲程数设定为1冲程。水射流流量一定时，随着压力的增加，水射流打击力增加的幅度逐渐减小，水射流压力一定时，随着流量的增加，水射流打击力增加的幅度逐渐减小。额定流量设置为220L/min，操作压力150MPa。参数设定完毕后起动设备即可开始作业5.2.6.切割1）起动设备开始作业后，操作员要时刻注意破除宽度和深度，随时调整喷头以保证切割质量。当破除到一定深度后已露出钢筋，要注意使喷头能前后摆动一定角度，以便能清除破碎钢筋正下面的混凝土。这个角度在不同的往返过程中是可以调整的，第一次往返要清除破碎表面的混凝土，这个角度是0，当触到钢筋或更深时，角度应该是变化的。2）当往返一定次数破除到规定深度后，通过机器人车轮的移动、附加拓展工具的运动或是喷头的摆动，喷头要移到另一个新的横扫面进行新的破除工作，此刻须注意调整步进的速度和距离。图6“robot365”机器人工作图六.材料与设备6.1.材料：主要材料为水，加压后用于切割钢筋混凝土。6.2.设备：全站仪、米尺、水车、潜水泵、发电机、高压水管、普通水管、车载式高压泵系统(138-268)Mpa+(120-240)L/min、“Robot365”机器人。对于设备，全站仪和米尺共测量放线使用，水车、车载式高压泵系统(138-268)Mpa+(120-240)L/min和切割执行机构“Robot365”机器人三者配套使用缺一不可。其中高压泵系统必须采用车载式，以便可以根据施工区域快速移动高压泵站，以配合执行机构进行切割。作业时，将执行机构与高压设备箱用高压水管连接，高压设备箱与水源用普通水管相连接。6.3.高压水射流切割技术的核心在于执行机构（即“Robot365”机器人）的工作参数，主要有以下几项，通常大多能通过计算机系统得到控制调节和监视显示，以便安全地破除到要求的深度和面积：6.3.1.喷头的往返运动速度：喷头在作往返运动时，其速度影响清除破碎的深度，越慢清除破碎的深度越深，反之相反；6.3.2.往返次数：在喷头往返的同一个横扫面通过的次数影响破除的深度，在同样的压力、流量下，次数越多破除越深；6.3.3.喷头的步进参数：当往返一定次数破除到规定深度后，通过机器人车轮的移动、附加拓展工具的运动或是喷头的摆动，喷头要移到另一个新的横扫面进行新的破除工作，这样须调整步进的速度和距离；6.3.4.切割角度：这是指喷头在往返运动过程中，相对于混凝土表面的喷射角度，当破除到一定深度后已露出钢筋，根据工况喷头能前后摆动0-45度，以便能清除破碎钢筋正下面的混凝土。这个角度在不同的往返过程中是可以调整的，第一次往返要清除破碎表面的混凝土，这个角度是0，当触到钢筋或更深时，角度应该是变化的；6.3.5.靶距：该参数对破除的生产率有重要的影响，因为水射流离开喷嘴后能量损失很快，因此靠近些能获得更高的生产率。要清除钢筋上的混凝土是较容易的，但要清除钢筋网下的混凝土则困难得多，如果有靶距调节器则能克服这种困难。总而言之，破除生产率不仅取决于主机的动力参数，而且还与喷嘴的效率和喷头的运动效率密切相关。七.质量控制措施7.1.建立质量保证体系，落实质量责任制，确保工程质量。7.2.做好施工前的施工技术交底和技术质量培训，严格执行施工技术标准、操作规程和质量控制方法。7.3.在切割过程中，操作员要时刻观察切割宽度和切割后的界面，若宽度不够或者钢筋上残留混凝土较多，应调整靶距和角度进行重复切割直至达到规定宽度。7.4.在曲线处应注意调整执行机构“Robot365”机器人的步进速度和距离。7.5.对于切割材料水，如果水质过差，在水进入高压泵系统加压前一定要进行净化处理，以减轻切割过程中水对喷嘴的磨损和堵塞，影响正常切割和施工质量。八.安全措施8.1.路基施工应制定安全预案、具备安全生产条件，确保施工安全。8.2.施工作业人员，必须遵守本工种的各项安全技术操作规程。作业人员、进入现场人员必须按规定佩戴和使用劳动防护用品。8.3.在完成切割后，一定要先将高压水开关关闭，或者将高压关闭。8.4.在紧急停电时，高压水会残留在高压系统里，一旦来电，残留的高压水会喷出。所以，这个时候不要靠近切割头。重新接通电源后，需将残留的高压水卸除，尽量做到最安全的保护措施。8.5.另外由于高压水的压力较大，所以在作业空间范围内禁止任何人靠近，并派专职安全员负责现场安全工作。8.6.在行车道和施工区域之间设置一道防护网，防止切割过程中飞溅的混凝土碎渣和高压水损伤行车道上高速行驶的车辆。8.7如果待拼接桥梁是跨线桥，桥下是地方道路、高速公路或铁路线路应同时在桥下方设置警示牌，做好安全围挡防护，防止高压水射流破除后的混凝土块体飞溅伤人及通行车辆。若桥下为同行河道，应在航道上设置浮标警示牌，提醒通航船只绕行。并在切割过程中设专人在桥下看护，指挥交通。九.环保措施9.1.建立施工项目环境保护领导小组，制订管理程序，明确各职能部门的职责，提高环保意识，积极参与环境保护工作。9.2.施工中产生的废水和混凝土渣必要时采取过滤处理，避免流入农田和河道，对环境造成污染。9.3.工程完工后，及时进行现场彻底清理，施工中所产生废料，修做施工便道或运至弃土场集中处理。9.4.由于用水作为工作介质，无粉尘污染，该技术基本属于绿色环保型技术。十.效益分析10.1.相比传统工艺优越性：1)可选择性：可以选择性破除钢筋混凝土，通过调节高压水射流的压力及流量可以对钢筋混凝土任意深度及宽度进行破除。2)多角度作：业通过执行机构自身的设定可以破除任意角度和高度的钢筋混凝土，而不需要搭设操作架。3)高效率：设备每台破碎C50钢筋混凝土速度为2～3m3/h。4)无损性：施工无振动，对原结构及需要保留构件无任何扰动及损伤，钢筋原样保留(铁锈除掉)。5)高质量：破除后的界面呈现洁净、坚硬的凹凸齿状，有利于新旧界面的紧密结合，无需再进行结合面凿毛处理，破除深度可控制在±3mm。6)高环保：采用水作为工作介质，无粉尘污染。7)更安全：机械化、自动化远距离遥控作业，安全性能高。10.2.经济效益10.2.1.水力破除工艺与人工风镐的比较以破除厚度为10cm，面积为2000平方，混凝土强度为40MPa的桥面为例，则两种方法综合经济效益对比如下表1：表1水力破除工艺与人工风镐综合效益对比表水力破除工艺人工风镐备注施工效率/8小时80～100平方4～6平方1套设备8小时施工量破除所需时间25～20天500～334天1套设备破除2000平方所需时间单价4500元/立方（暂定价格）800元/立方（市场价）厚度5cm以内按平方算单一成本90万元16万元对环境的影响（灰尘，震动等）基本没有非常大对原结构的破坏程度基本没有非常大水力破除可比较精确控制综合效益（使用寿命等）高50年低30年10.2.2.水力破除工艺与植筋技术比较图7植筋施工图注：1）水力破除工程量按照宽20cm，厚30cm，桥长500m（双向）计算。2）植筋工程量按照直径14mm，深30cm，水平间距10cm，竖向双层布置，桥长500m（双向）计算，3）水力破除工期按照每台1天（8小时）破除5立方，共1台设备计算。4）植筋工期按照，每人每天植筋30根，共20名工人计算。表2高压水射流技术与植筋技术成本对比表序号项目高压水射流植筋（进口胶）1工程量60m³20000根2施工速度5m³/天/台30根/天/人3工期12天33天4单价8000元/m³40元/根5合计价格48万元80万元结合以上两种传统方法与高压水射流的对比可知：1）高压水射流的一次性投入较大，但是每次施工的单次成本相对人工机械破碎还是低很多。随着科技的发展和高压水射流技术的全面推广，该工艺会越来越成熟，单次施工成本也会逐渐降低。2）高压水射流破碎混凝土是一项先进、高效、安全、环保的技术，对原结构不产生任何损伤，延长了结构物的使用年限，减少了后期的养护和维修费用。且对环境无任何污染，节省了不必要的环境治理费。安全又节能，减少了劳动力投入，提高了生产效率。10.3.社会效益高压水射流技术的高效、安全、环保、节能特点在施工过程中得到了完美体现。随着我国各项基础建设工程突飞猛进的发展，尤其是在对旧的钢筋混凝土构筑物进行改造利用方面，该项技术的应用改变了传统的施工技术，符合我国目前追求高效、环保、节能、低耗的理念。高压水射流技术具备极强的竞争力，应用前景十分广阔，在进一步深入研究和改进技术后将会具备不可限量的推广价值。十一.应用实例11.1.石家庄至磁县（冀豫界）公路改扩建工程KJ9标段河北省石家庄至磁县（冀豫界）公路改扩建工程KJ9标段起讫桩号K471+000-K487+300，路线长16.3公里，路线跨越磁县、临漳。主要规模：共设置特大桥一座、中桥两座、小桥三座、涵洞四座、桥式通道25座。其中，漳河特大桥中心桩号为K482+159.6，起终点桩号为K481+600.82-K482+718.44，桥梁总长1117.616m，该桥位于半径R=5500m圆曲线上，拼宽侧上部结构采用12*30+13*30+12*30m装配式预应力混凝土连续箱梁桥。下部结构采用柱式墩、柱式台（不破坏原导流堤），基础采用钻孔灌注桩基础。桥梁加宽采用“上部连接，下部不连接”的方案。装配式预应力混凝土连续箱梁加宽时拆除原外侧边梁65cm翼缘，拆除翼缘时保留边梁翼缘30cm横向钢筋，新旧梁采用40cm湿接缝及端、中实心横隔板连接，需在桥梁放置一年以上方可连接，加宽部分台身与老桥台身之间预留1cm沉降缝。该工程于2012年4月1日开工，定于2014年11月30日竣工。石家庄至磁县（冀豫界）公路改扩建工程KJ9标段采用美国conjet公司生产的“Robot365”机器人、德国Hammelman公司生产的车载式高压泵系统(138-268)Mpa+(120-240)L/min及水车进行高压水射流切割混凝土施工。图8“Robot365”机器人图9Hammelman车载式高压泵系统图10现场施工图11施工效果11.2.石家庄至磁县（冀豫界）公路改扩建工程KJ7标段石家庄至磁县（冀豫界）公路改扩建工程KJ7标段，起讫桩号K439+300-K454+900，长15.6公里。合同工期2012年4月1日开工，2014年11月30日竣工。其中，支漳河特大桥位于京港澳高速公路邯郸市区东侧，跨309国道及支漳河河道，大桥总长约1027m，为装配式预应力混凝土连