[0001] 本发明涉及水下桩基施工技术领域，具体涉及一种桩基施工的水下自动割桩系统及水下自动割桩方法。

[0002] 现有水下桩基施工作业中的钢管桩切割作业，水面以上的操作人员目视不能及于作业部位，无法直接观察到作业情况，因此，需要潜水员携带切割机械在水下进行作业。由潜水员人工进行的钢管桩切割作业，如果在晴天风平浪静通常还能够顺利进行，但是作业效率较低、作业质量也不稳定；如果遇到风浪较大的天气，则人工作业则根本无法施工，从而延误了项目整体的施工时间。即使在天气合适的情况下，人工作业时，也存在单次作业时间短、水下测量误差大、水下施工困难、效率低、成本高等诸多的技术问题。

[0003] 为了解决上述问题，公告号为CN112227367A的中国发明专利申请文件公开了一种割桩机的割桩方法，其中割桩机包括机座、回转机构、割桩机构、割桩检测装置和回转检测装置；机座外壁面设有固定装置，回转装置设置在机座内；割桩机构位于回转机构下方且与回转机构连接；通过割桩检测装置对钢桩进行实时检测，回转检测装置对割桩机构的转动角度进行实时检测；其是根据检测结果进行操作，通过割桩驱动装置先驱动割桩件转动，割桩伸出装置再带动割桩件伸出割桩支座对钢桩进行割桩；其割桩件是在转动的状态下与钢桩接触并进行切割，以避免割桩件先与钢桩接触后再进行转动，进而导致钢桩上的切割口卡住割桩件，进而导致割桩件损坏的问题。

[0004] 然而，虽然上述专利技术能够实现对水下割桩过程的控制，但是其割桩机的结构设计复杂，割桩控制过程繁琐，无法实现自动控制。例如，提供的割桩机构只能进行回转切割，割桩机构每次的转动角度控制在25°，回转切割的直径受到较大的限制、只能对特定直径的钢管桩进行作业，无法适应对更多不同尺寸钢管桩的切割作业，且割桩过程依赖单独设置的割桩检测装置、缺乏校验，定位精度不够；其作业过程较为复杂，不能在天气等自然条件恶劣的海水环境下正常施工，在天气不好的时候无法作业，在正常作业的过程中还需人员在水下协助完成测量等工作；因此，该专利技术切割工艺及设备的自动化程度、质量和效率均需要再加以改进，才能更为符合工程施工中多种实际需求。

[0019] 下面对本发明的实施例进行详细说明。

[0020] 实施例1参见图1至图6，本发明实施例提供的桩基施工的水下自动割桩系统，其包括作为控制部分的自动割桩控制单元，与作为执行部分的自动割桩装置；
所述的自动割桩控制单元，包括：电气控制模块，传感模块，回转驱动控制模块，进给驱动模块，分别设置在自动割桩装置内的不同位置上；所述电气控制模块包括PLC控制器及PLC控制器内置的水下自动割桩控制程序；所述传感模块包括位置传感器、压力传感器、扭矩传感器等，根据系统自动控制的需要，自动感知相应的数据并传递给电气控制模块，进行自动控制；
所述的自动割桩装置包括：割桩工作平台1、起吊钢丝绳3、起重机；
所述的割桩工作平台1包括：机架10及依次固定在机架10上的回转驱动仓11、进给驱动仓12、四个支撑固定机构13、回转机构14、进给机构15、切割组件16、液压驱动总成17；
所述回转驱动仓11内置有回转驱动控制模块；所述进给驱动仓12内置有进给驱动模块；
所述四个支撑固定机构13均匀分布排列、固定设置在机架10外侧；
所述回转机构14设置在机架10下方，回转机构14与液压驱动总成17连接；所述液压驱动总成17包括：液压泵、液压油缸、多条液压油管；
所述切割组件16设置于割桩工作平台1下部，所述切割组件16包括中心固定件、均匀分布在中心固定件外侧的四个切割单元、锯片伸缩油缸162、伺服电机及与伺服电机传动连接的锯片161。

[0021] 一种桩基施工的水下自动割桩方法，其包括以下步骤：S1、设置水下自动割桩系统并调试
设置桩基施工的水下自动割桩系统，然后对割桩工作平台进行运行调试：启动割桩工作平台1，检查各部件的工作状态是否正常，包括检查电气控制模块、液压驱动总成17、支撑固定机构13、回转机构14、进给机构15和切割组件16；如果有部件不正常，则进行维护、维修以确保各部件正常工作；
在新工地首次作业前，对已设置好的运行参数进行一次试运行，并检验运行参数是否达到预期；所述运行参数包括：锯片转速，进刀量，切割角度和旋转角速度；
系统工作前，对电气控制模块自检，在电气控制模块自检过程中，主要检查其内置的PLC控制器及PLC控制器内置的水下自动割桩控制程序是否正常，与各部件的连接及通信是否正常；检查各运动部件是否处于起始位置；检查各部件的运行参数设置是否符合工作要求；
S2、设置支撑固定板
选择与钢管桩2的内径尺寸相匹配的支撑固定板131，并将该支撑固定板131安装于支撑固定机构13上；
S3、割桩工作平台吊装及定位
起重机将割桩工作平台吊装至钢管桩2位于水面上部的开口上方，使割桩工作平台进入到钢管桩2的开口内部，沿钢管桩2的内壁匀速下降，电气控制模块通过控制起吊钢丝绳3的长度，并利用钢丝绳固定件4在下降过程中保持稳定，以精确调整割桩工作平台的下降位置，使割桩工作平台逐渐到达钢管桩2的切割位置附近，由传感模块的位置传感器感知到指定位置，同时校验标记的钢丝绳3到达指定位置，二者位置一致时，电气控制模块控制起重机停止下降；
电气控制模块控制进给机构15及支撑油缸132调整支撑固定板131的位置，支撑固定板131外壁与钢管桩2的内壁相贴合，确保其能够牢固地固定在钢管桩2的内壁上；
电气控制模块根据预设对液压最大压力值进行自动控制：设定标准为支撑整机设备重量的1. 375‑2.0倍所需要的压力+1.0MPa，在超出压力时，溢流阀将进行溢流；将所述的各支撑油缸132均设置为并联结构，保证各支撑油缸132的液压压力一致；
所述电气控制模块还包括压力监控模块，压力监控模块能够感知压力数据，提供给电气控制模块进行保压和补压判断，保证设备在工作过程中的稳定支撑；
S4、钢管桩进给切割
电气控制模块启动切割组件16启动，控制伺服电机带动锯片161旋转并达到指定转速，然后再控制进给机构15进给，切割组件16向钢管桩2内壁推进，开始切割钢管桩2；电气控制模块实时监控切割过程中的伺服电机扭矩，确保切割质量和安全；锯片161到达指定位置后，锯片161切穿钢管桩2；进给机构15停止进给；通过限位支架保持切割组件16的稳定，防止切割过程中的碰撞、位移；
S5、钢管桩回转切割
回转机构14启动，其通过连接轴19驱动切割组件16沿管壁做回转切割运动，直到电气控制模块检测到钢管桩2的管壁全部被切断；管壁全部被切断后，回转机构14停止，进给机构15反向进给，切割组件16退回到起始位置，伺服电机停止转动；
该回转机构14的切割头配备有对称的四个圆形刀片，通过伺服电机控制刀片的旋转速度和进给速度，能够确保自动旋转切割的切割效率和质量；
S6、钢管桩吊装
通过起重机将割桩工作平台1连同钢管桩2由钢丝绳吊出到指定垂直位置后，支撑固定机构13收回，割桩工作平台1由起重机吊出；使用起重机吊装切割后的钢管桩2，准备进行后续处理或运输。

[0022] 本发明实施例提供的桩基施工的水下自动割桩系统及水下自动割桩方法，通过软硬件的协同配合，针对自动化控制的工艺要求而同步改进了作为控制部分的自动割桩控制单元和作为执行部分的自动割桩装置，使其能够自动检测、控制和运行，而且充分利用钢管桩内部环境比较稳定的优势，从而可以在天气等自然条件恶劣的海水环境下正常施工；通过设置四个支撑装置，电气控制模块监测油压和伺服电机的力矩，实时监控刀片的力矩，电气控制模块控制刀片的旋转速度和进给速度等技术手段，确保在各种工况下、对多种尺寸的钢管桩的切割效率和质量，能够广泛应用于各种工况和天气条件下的施工作业。

[0023] 实施例2参见图1至图6，本发明实施例提供的本发明实施例提供的桩基施工的水下自动割桩系统，是在实施例1基础上的优化。

[0024] 参见图2至图6，所述的支撑固定机构13包括：相互连接的支撑固定板131、支撑油缸132，所述支撑油缸132通过液压油管与液压驱动总成17连接；所述支撑固定板131外侧为平面或圆弧，当固定板131支撑到位时，与钢管桩2内壁相贴合。

[0025] 所述的进给机构15设置于回转机构14下方，所述进给机构15通过液压油管与进给驱动仓12连接。

[0026] 所述各切割单元通过锯片伸缩油缸162与中心固定件连接；所述进给机构15包括伺服电机，伺服电机包括传动轴，所述各切割单元通过传动轴与活动连接，各切割单元下方包括一个锯片161，所述锯片161与传动轴固定连接。

[0027] 所述割桩工作平台1还包括：连接轴19；所述连接轴19一端与中心固定件固定连接，另一端与回转机构14活动连接；所述切割组件16还包括：四条限位支架18，各限位支架18分别固定设置在四个切割单元之间；
所述电气控制模块密封设置在割桩工作平台1；所述电气控制模块与液压驱动总成17电性连接；
所述多条钢丝绳3均匀设置，分别固定在机架10外侧；所述多条钢丝绳3之间设置有多个钢丝绳固定件4，所述多个钢丝绳固定件4能够避免吊装时钢丝缠绕及均匀受力；所述起重机与多条钢丝绳3活动连接。

[0028] 在其他优选实施方式中，所述机架10可根据钢管桩2的形状进行调整；如钢管桩为圆柱形，则机架10设置为圆形机架；如果钢管桩2为方形桩，则机架10设置为方形机架，以适应不同的情况。

[0029] 在其他优选实施方式中，所述多条起吊钢丝绳3均匀设置为4条，分别固定在机架10外侧；所述多条钢丝绳3之间依次设置有4个钢丝绳固定件4，所述4个钢丝绳固定件4能够避免吊装时钢丝缠绕及均匀受力。

[0030] 实施例3参见图1至图6，本实施例提供的桩基施工的水下自动割桩方法，其是使用前述的水下自动割桩系统，并在上述实施例1‑2基础上进行的优化，所述步骤S1，还包括电气控制模块对系统进行自检的步骤。

[0031] 在电气控制模块自检过程中，主要检查系统内置的PLC控制器及PLC控制器内置的水下自动割桩控制程序是否正常，与各部件的连接及通信是否正常；预设的参数是否完整；检查各运动部件是否处于起始位置；检查各部件的运行参数设置是否符合工作要求，使整体系统均准备完善；如有部分不完善，则通过自检程序提示工作人员处理，排除问题后再启动系统。

[0032] 实施例4参见图1至图6，本实施例提供的桩基施工的水下自动割桩方法，其是使用前述的水下自动割桩系统，并在上述实施例1‑3基础上进行的优化，所述步骤S4中进给切割还包括如下步骤：
S4‑1、扭矩判断：作为动力源的伺服电机有1个最大输出扭矩，在设备工作时，通过传感模块的扭矩传感器控制输出扭矩，并作出工况状态判断：当监控到的输出扭矩≤80%最大输出扭矩时，自动判断为设备正常工作；当监控到输出的扭矩≥85%时，自动判断为设备工况可能异常，启动系统报警，提示工作人员进行跟踪判定是否终止设备工作；当监控到输出的扭矩≥95%时，自动判断为设备工况绝对异常，系统自动终止工作，并退回到起始位置；
S4‑2、切割速度的控制：电气控制模块根据切割材料的切割深度和锯片的大小设置进刀速度，在切割过程中，自动调整调节锯片转速的高低以控制切割的速度：如果出现扭矩数值＜50%最大输出扭矩，自动增加进刀速度，提高切割速度；反之，如果出现扭矩数值＞
80%最大输出扭矩，则自动减少进刀速度，降低切割速度；由于切割速度是由进刀速度和锯片的转速两者相互配合实现，因而电气控制模块通过调节锯片转速的高低就能够实现对切割速度的精准控制。

[0033] 实施例5参见图1至图6，本实施例提供的桩基施工的水下自动割桩方法，其是使用前述的水下自动割桩系统，并在上述实施例1‑4基础上进行的优化，所述步骤S5中电气控制模块检测到管壁全部被切断的步骤，具体过程如下：
S5‑1、预设回转角度
PLC控制器根据待切割钢管桩2的管壁厚度、直径大小，计算切断时的回转角度，确保钢管桩2的管壁完全切断；
S5‑2、钢管桩切断判断
在钢管桩未切断前，回转机构14、切割组件16的扭矩数值均处于某个数值的波动范围内，当电气控制模块检测到扭矩数值低于该数值且趋向于0、扭矩持续时间在3秒以上时，判定为钢管桩已切断；
待切割钢管桩2的管壁切割过程中，产生振动和嗡鸣声；电气控制模块在完成步骤S5‑2后，切割组件16与钢管桩2脱离接触，此时如检测到所产生的振动和嗡鸣声消除，则进一步判定为钢管桩已切断，可以避免误判。

[0034] 综上所述，本发明上述的各实施例，通过是通过改进割桩工作平台的结构、配合起重机和钢丝绳，是设备与工法相互协调，在软硬件的配合下将割桩工作平台自动运送至钢管桩内部并进行切割。钢丝绳还具有定位绳索长度的辅助测量功能，在自动切割装置下沉过程中即可实现对切割位置的精确测量；起重机控制钢丝绳实现割桩工作平台的下沉调节，起重机能够精准控制切割装置的下沉速度、位置，保证平稳和精准的操作。

[0035] 本发明提供的桩基施工的水下自动割桩系统及水下自动割桩方法，通过多方面的施工工艺与设备结构的同步改进，提高了作业的自动化程度，并且能够确保水下切割作业的效率和质量。主要包括：设置的四个支撑装置，均为可向外推动并固定在钢管内壁，可形成一个稳定的支撑平台；为圆形回转机构的切割组件配备四个圆形刀片，可实施旋转切割，在电气控制模块的控制下，刀片的旋转速度和进给速度均能够精准且快速。 本发明提供的桩基施工的水下自动割桩系统及水下自动割桩方法，通过电气控制模块监测油压和伺服电机的力矩，实时监控刀片的力矩，处理刀片蹦片等异常情况，如遇异常能够及时吊装上岸检查，无需单独设置切割监测装置，无需人员在水下协助，自动化程度高。本发明提供的桩基施工的水下自动割桩系统及水下自动割桩方法，通过改进割桩工作平台的结构和作业方式、步骤，充分利用钢管桩内部环境比较稳定的优势，从而可以在各种恶劣的海水等环境下正常施工，并且仍然能够实现精准的控制和高效率、高质量；四个圆形刀片配合回转机构切割刀片使割桩作业既稳定又高效；本发明利用了钢管桩内无水的环境，更适合从钢管桩内部切割，减少海水浮力、海水流动的影响，克服了现有技术的多种不足。

[0036] 以上仅为本发明的具体实施例，并不以此限定本发明的保护范围；在不违反本发明构思的基础上所作的任何替换与改进，均属本发明的保护范围。