高速公路改扩建中水射流拆除混凝土施工技术

陈 志

（中铁十二局集团第一工程有限公司，陕西 西安 710038）

高压水射流通过高压水发生装置将水加压至数百到几千个大气压以上，再通过具有细小孔径的特制喷射装置转换为能量高度集中、高速的微细“水射流”。高压水射流切割拆除混凝土是将高压水势能转化为动能，高压水切割拆除混凝土时，动能又重新转化成作用于被切割材料表面的压力能。高压水钻入混凝土表面的微孔中，水流正向或切向冲击物体表面时产生强烈的作用，从而在混凝土孔隙中产生一个超压，当这个压力超过混凝土的抗拉强度时，混凝土被切割破碎。由于钢筋及扎丝等属匀质材料，这些材料表面密实，没有微小孔隙，高压水无法钻入，因此钢筋不能被切割破坏，且可以把钢筋表面的锈渍除去，从而达到切割、清洗、破碎的目的[1]。

1 工程概况

沈阳至海口国家高速公路水口至白沙段开阳高速改扩建T2标，起点在K3214+967（国家高速公路网桩号）与恩城互通立交相接，然后在K3217+000处上跨省道S276、在K3218+300处跨越锦江，于K3230+363处设大槐互通立交与国道G325相接，后从大槐镇西北角经过，在K3236+400处设置大槐服务区后进入阳江市；路线在阳江市阳东区内基本在国道G325北侧与其平行而走，设置那龙互通立交与国道G325相接，最后达到标段终点即K3246+600，路线全长31.633km[2]。项目桥梁拼接时，对原有桥梁翼缘板切割拆除以及原混凝土桥面拆除施工。

2 施工工艺流程

施工准备→拆除试验参数确定→注高压水流→击打混凝土表面→打破后底部呈圆筒状→高压水射流拆除混凝土。高压水射流拆除混凝土工艺流程如图1所示。

3 操作要点

3.1 施工准备

根据现场调查情况及图纸，编制施工方案，拆除前调试设备，并对相关技术人员进行分工，技术人员需统计设备的不同施工参数，并安排专人检查拆除速度及拆除后的效果。

3.2 拆除试验参数确定

图1 高压水射流拆除混凝土工艺流程

（1）超高压水射流机器人摆放。超高压水射流机器人的摆放分为垂直于翼缘板摆放和平行于翼缘板摆放两种方式，其中垂直于翼缘板摆放一次性拆除混凝土速度快，但是挪动超高压水射流机器人需较费时间，平行于翼缘板摆放一次性拆除速度较慢，但是机械行驶速度快。由于该项目属于切除翼缘板50cm，分次来回切除，因此选择超高压水射流机器人平行于翼缘板摆放[3]。

（2）水射流切割压力值确定。水射流水压决定射流速度和冲蚀动能，不断增大水射流压力，水射流打击力都会相应增加，切割破除速度也会随之增快。在高压水流量一定时，随着水射流压力的增加，高压水射流的打击力增加幅度将逐渐减小，切割能力增加的幅度也会随之减小。①水压力值取决于喷嘴的大小和水流量的大小，提高水压可以提高混凝土的拆除量。喷嘴越小、水流量越大则压力值越大，但是过大的压力值会对喷嘴及钢筋结构有损伤。②逐步提升压力，避免瞬间升压过快，超高压水射流机器人到达施工现场初次调压应先在25%、50%、75%负荷阶段各运转5min，最后调压至100%负荷运转试机。③确定水流量后，则根据水流量调试喷嘴，保持超高压水射流机器人行驶速度和往复速度不变，每隔1m进行一次喷嘴大小调试，最后确定喷嘴大小在0.22～0.26mm比较合适。

（3）高压水流量确定。切割时，高压水流量越大，切割总功率越大，切割效率也越高。当高压水压力为70MPa时，高压水流量在10～20L/min内高压水射流的流量与高压水射流的打击力相关性较高，而当高压水流量在20～90L/min内时，高压水射流的流量与高压水射流的打击力相关性减小并持续平缓。由此可得出，当高压水射流的水压一定时，随着高压水流量的增加，高压水射流打击力增加的幅度将会逐渐减小，故此高压水射流切割混凝土速度增加的幅度也随之减小。水流量通过改变超高压水清洗设备站柴油发动机或电动机的转速来调节，通过不同的转速，控制每分钟水流量[4]。

（4）曝水时间。混凝土暴露在水下的时间取决于喷嘴架的移动速度、往复数和往复速度。在高压水射流的水压和流量一定的情况下，曝水时间的长短决定了混凝土切割拆除的深度。在保持喷嘴直径、水流量值/压力值一定的情况下，可通过计算得出喷嘴架的移动速度，最终得到混凝土切除效率的最大值。

（5）喷嘴角度及高度控制。高压水射流在切割混凝土时，成液体锥形物，随着喷嘴距离被切割混凝土距离的增大，其散射半径也随之变大。当喷嘴直径确定时，高压水射流的喷嘴高度是影响水射流覆盖被切割混凝土面积变化的唯一指标。对于不同的被切割对象和高压水力参数，有相应的最佳靶距。喷嘴距离混凝土表面的距离及角度也是影响混凝土切割速度的因素，喷嘴距离过远、角度过小会使水流击打混凝土的冲击力减小，造成拆除速度减慢、效率降低。为此，应根据混凝土的强度及工作面的条件来调节喷嘴距离及角度[5]。

3.3 高压水射流静力拆除施工

（1）试运转。负荷运转前应进行空载试运转试验，时间为5min。试运转中超高压水射流机器人及增压系统无异常声响、振动和泄露，所有保护装置应正常。

（2）负荷运转。待试运转稳定，各项参数满足施工要求后，开始负荷运转。运转应在额定泵速下进行，压力一般从常压逐渐调整至初始工况压力。按额定压力值的30%、50%、80%、100%依次升压，在每一个输出压力下，记录和测量泵速、功率、流量和排出压力值。配管与连接应与高压水射流机器人的最大排出压力相适应。高压水射流拆除混凝土的关键技术在于参数的设定，拆除、破碎混凝土效率、深度和高压水射流的压力、流量、喷嘴高度密不可分，必须使三者相互匹配才能更好地满足施工需要，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。根据施工速度和用水量现场配备足够数量的水车，保证现场用水充足。由于高压水射流施工压力较大，因此需要在超高压水射流机器人上安装防护罩，并且苫盖厚实的苫布，防止高压水冲击出的小石子掷到高速公路上及施工区域外的临时便道上。

4 水射流拆除安全、质量控制措施

（1）超高压水射流机器人操作手：直接操作喷头或喷枪进行高压水射流拆除作业，操作手在作业开始后必须控制水射流及移动速度。

（2）超高压水清洗设备操作手：在混凝土拆除作业期间监视并控制泵压力的大小，同时，始终观察超高压水射流机器人操作手，以便其在遇到问题或发出各种信号时，能够马上做出反应。超高压水清洗设备操作手还应注意观察施工现场的情况，防止非施工人员进入施工现场或者出现其他的各种隐患。

（4）在正式施工前，操作手应确认高压水射流施工的周边环境，操作手应站在安全的位置；应仔细检查施工现场，排除安全隐患，以防发生安全事故。

（5）超高压水清洗设备操作手在升压时，应缓慢升压，使超高压水射流机器人适应水射流反冲击力，在达到正常工作压力后，没有调整压力指令时，则不应再做大幅度调整；系统降压时也应缓慢调节，以防止反冲击力突然的消失而使超高压水射流机器人失去平衡。

（6）喷嘴安装前必须检查喷嘴，防止有损坏、堵塞或其他的缺陷，有缺陷的喷嘴，必须修复或更换。系统在升压时，应缓慢进行，确保喷嘴出流顺畅，喷嘴的直径应与系统的工作压力和流量相匹配。

（7）在作业之前组织测试，调整水的压力。通过调节高压水的压力，可以一次性拆除不同厚度的混凝土。由于具体的拆除厚度数据，取决于所要拆除的混凝土材料的强度等因素，因此在作业之前，先测试所破碎的厚度，得出具体数据后，再调整好水射流，进行凿除作业，保证作业的精确性。

5 结束语

超高压水射流破碎拆除主要应用于混凝土切割及水泥混凝土路面的养护与维修，对病害路面进行切割破碎，代替了传统人工风镐和破碎锤，属于静力拆除方式，尤其适用于混凝土工程构筑物的快速精准拆除。在水射流拆除混凝土时，可准确控制所需拆除混凝土的面积、厚度，且施工精度高、机械化程度高，能够确保混凝土中的钢筋完好、无损伤。由于水切割可保留钢筋，因此减少了植筋的工序及质量控制，不仅保证了质量，还加快了施工进度。拆除后的混凝土面为没有微裂纹的不均匀毛面，切缝顺直、平整、外表美观，为进一步混凝土拼接施工提供了质量保证。整个施工过程无粉尘、噪声小且水可循环利用。