◎ 區(qū)國柱 廣東正方圓工程咨詢有限公司

現(xiàn)階段，內(nèi)河航道清礁多采用爆破施工技術(shù)，容易給周圍建筑物帶來較大擾動，并給船舶行駛帶來安全威脅。在特殊航道環(huán)境下，將限制使用強破壞性施工技術(shù)，要求引進(jìn)環(huán)保、高效的工藝技術(shù)，保證航道達(dá)到竣工驗收設(shè)計水深要求。而利用鑿石船搭載高頻破碎錘，使破碎錘通過垂直下落方式鑿入礁石，并通過高頻振動方式將礁石破壞，能夠體現(xiàn)環(huán)保特點的同時，達(dá)到高效清礁目的。但目前高頻破碎錘主要在陸地使用，因此應(yīng)結(jié)合水下礁石破除工況探尋科學(xué)施工工藝，確保航道清礁作業(yè)取得理想成效。

1.工程概況

西江航道擴能升級工程全長171km，由界首至肇慶大橋航道的疏浚工程、筑壩工程、護(hù)岸工程和清礁工程組成。工程按照通航3000t級內(nèi)河船舶航道標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，采用20年一遇洪水水位標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計最低通航水位達(dá)到98%水位保證率，要求單向通航凈寬至少達(dá)到110m，雙向通道凈寬不小于220m，凈高至少18m。在設(shè)計水深達(dá)6m情況下，需做好航道清礁施工，總長159km，包含三灘段15處和肇慶段各15處礁石，清礁邊坡為1:0.75，清覆蓋層邊坡為1:3。

2.水下礁石破除難題

工程具有點多線長、工程量大的特點，施工區(qū)域靠近航道中，而航道一年四季均有船舶航行，容易與施工船舶發(fā)生相互干擾。為保證工程順利開展，同時避免給航道運輸帶來過大干擾，決定開展水下礁石破除作業(yè)。通過地質(zhì)勘察可知，需破除礁石主要為強風(fēng)化粉砂巖、中風(fēng)化砂礫巖、強風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖、微風(fēng)化花崗巖，多數(shù)巖石質(zhì)地堅硬，錘擊發(fā)出清脆響聲，對清礁施工提出了較強專業(yè)性要求。此外，工程河段多數(shù)位于漁業(yè)保護(hù)區(qū)，禁止大范圍開展水下爆破清礁作業(yè)，需通過鑿巖施工方式破除礁石。相較于傳統(tǒng)水下鉆爆施工技術(shù)，傳統(tǒng)鑿巖施工技術(shù)效率較低，因此如何提高鑿巖工效成為工程施工難題。

3.高頻破碎錘施工技術(shù)

3.1 施工方案

結(jié)合工程施工要求，決定采用高頻破碎錘施工工藝，通過高頻重壓振搗方式對堅硬巖石實施局部破碎，促使巖石結(jié)構(gòu)松動、破裂。高頻破碎錘技術(shù)相對成熟，可以在不改裝的情況下通過調(diào)整加長臂直接開展水下破碎作業(yè)，產(chǎn)生的沖擊波較小，能降低礁石破碎施工風(fēng)險，避免給周圍建筑物或水質(zhì)帶來過多負(fù)面影響[1]。經(jīng)過巖心單軸抗壓測試，確定巖石平均抗壓強度達(dá)到45MPa，最大不超70MPa，而高頻破碎錘能用于100MPa以下巖石破碎。工程礁石區(qū)巖層厚在0.5～2m之間，平均厚達(dá)到1.5m，可通過斧型破碎錘快速鑿巖，完成淺點巖石的一次性掃除，有效提升清礁功效的同時，避免給周圍環(huán)境帶來過多影響。針對局部中風(fēng)化花崗巖礁石，先由鉆爆船鉆機鉆孔，然后由鑿巖船開展清礁作業(yè)，如圖1所示。在工程施工前，結(jié)合設(shè)計圖做好施工區(qū)域劃分，通過詳細(xì)勘察制定科學(xué)施工方案，根據(jù)清礁需求配備2艘鑿巖船，通過4m3挖泥船改裝獲得，船上搭載吊機，直接使用鋼絲繩在吊機吊臂上固定斧型重錘，可以將重錘提升至一定高度后使其自由下落，依靠產(chǎn)生的動能瞬間沖擊礁石。鑿巖船配有專用定位絞錨等設(shè)施，可自動實現(xiàn)船舶定位，方便船舶移動，幫助船舶抵抗較大風(fēng)浪，保證船舶平穩(wěn)作業(yè)。通過合理布置清礁設(shè)備，平行、交叉開展清礁、挖泥作業(yè)，能夠有效加快工程進(jìn)度。經(jīng)過航道、公安等部門審批后發(fā)布航道通告，在施工水域設(shè)置標(biāo)識，并對航道影響大的水域?qū)嵤┙煌ü苤?，保證工程順利落地。

圖1 水下礁石破除施工方案

3.2 工藝流程

對使用高頻破碎錘破除水下礁石的工藝流程展開分析，可知需按照“鑿巖→清渣→鑿淺點→再清渣”的步驟循環(huán)作業(yè)。在首次鑿巖時，先通過鉆爆船進(jìn)行密集鉆孔，然后使載有破碎錘的鑿巖船進(jìn)場，對水下礁石實施分層破碎，清渣后測量掃床，發(fā)現(xiàn)淺點巖石再次破碎和清渣，直至符合驗收要求。根據(jù)礁石厚度和巖面高低選擇工作面，優(yōu)先在有自由面的位置施工，然后逐步向高推進(jìn)，每鑿一層完成一層礁石挖掘[2]。破碎的碎渣通過駁船運輸至指定位置拋卸，每層清理結(jié)束后測量施工區(qū)，判斷水深是否符合要求。

3.3 施工參數(shù)

立足實際確定清礁作業(yè)參數(shù)，各層平均挖巖不超1m。使用破碎錘在鉆孔區(qū)域反復(fù)錘擊，為取得理想破碎效果，開展現(xiàn)場試驗確定錘擊參數(shù)。在表面平整位置布置設(shè)備，鉆孔后使用固定器固定破碎錘，通過多次鑿眼沿著破碎中心創(chuàng)造2～6個臨空面。結(jié)合地質(zhì)資料和試驗結(jié)果，將礁石區(qū)劃分為15m×0.3m網(wǎng)格，網(wǎng)格間搭接寬為1m，鉆孔深度為設(shè)計底高程、超深值和富余值之和，通過前期勘察后設(shè)定為0.5m，每隔1.25m設(shè)置一處鉆孔，孔徑為0.1m，保持1.5m排間距，如圖2所示。按照從左向右的順序施工，每隔0.3m使用高頻鉆頭振搗，長度控制在0.2～0.3m之間。完成整個網(wǎng)格破碎施工后，將船舶移動至下個網(wǎng)格作業(yè)。在清渣階段，將作業(yè)區(qū)劃分為11m×1m網(wǎng)格，搭接寬度達(dá)到0.3m，按照網(wǎng)格順序清除碎渣。在破碎錘施工期間，分別配備16t和30t的破碎錘，滿足不同厚度和硬度巖石的破碎需求。針對厚巖石和硬巖塊，使用30t破碎錘作業(yè)，針對厚度薄或強度小的巖石使用16t破碎錘施工。結(jié)合以往施工經(jīng)驗，強風(fēng)化巖石按照2～2.5m間距布點，中風(fēng)化巖按照1.5～2m間距布點，微風(fēng)化巖按照1～1.5m間距布點。在接近航道底部標(biāo)高和鑿擊淺點的位置，按照1m間距設(shè)置加密點。使用吊臂將破碎錘吊起時，將提升高度設(shè)定為15m，每個點使用破碎錘鑿砸3遍，錘擊頻率設(shè)定為10下/min，具體結(jié)合實際情況調(diào)整夯擊數(shù)。

圖2 巖面鉆孔排布示意圖

3.4 操作要點

3.4.1 設(shè)備準(zhǔn)備

在高頻破碎錘施工階段，可知設(shè)備由緩沖裝置、激振裝置、拉桿支架等構(gòu)成，為半封閉式結(jié)構(gòu)，需搭配液壓挖掘機使用，通過將挖掘機液壓能促使振動箱齒輪轉(zhuǎn)動，將振動傳遞至破碎錘作業(yè)[3]。提前做好設(shè)備錘頭、液壓油管接頭等關(guān)鍵部位檢查，并更換振動箱的齒輪油，確保設(shè)備維持良好工作狀態(tài)。使用測溫儀檢查軸承、馬達(dá)等位置，確認(rèn)工作溫度不超85℃，且振動箱的空氣彈簧氣壓在5～8kg范圍內(nèi)，支架和振動箱的限位塊保持50～100mm距離。

3.4.2 測量定位

在水下破碎礁石，需提前做好測量定位工作。結(jié)合航道地形特點、水域條件等，通過DGPS系統(tǒng)在施工區(qū)域最外圍實現(xiàn)船頭定位，對照施工圖完成施工區(qū)控制點、水準(zhǔn)點復(fù)核，建立平面和高程控制系統(tǒng)。利用水下攝像儀、RTK測量設(shè)備等，能夠確定現(xiàn)場地形和巖石破碎情況，綜合考量巖石特性、水流方向等調(diào)整施工計劃，然后通過高頻振動方式使破碎錘沖擊礁石[4]。使用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)RTK-DGPS 1+2實時定位鑿巖船，通過計算機動態(tài)監(jiān)控船位和水位變化，可以提高鑿擊位置精度。開展多波束測量作業(yè)，發(fā)射多個相鄰窄波束設(shè)置條帶覆蓋區(qū)，測量航道底部多點深度值，并通過RTK技術(shù)求差結(jié)算坐標(biāo)，分析得到潮位數(shù)據(jù)，使測得的錘擊深度達(dá)到厘米級測量精度。在掃淺施工中提高測量頻次，可精準(zhǔn)控制破礁深度，避免出現(xiàn)超欠挖等情況，有效節(jié)約施工成本，提高施工效率。在船舶航行至指定位置后，使用六纜定位法完成施工展布，設(shè)置兩根主纜，并在船舶兩側(cè)各設(shè)置兩根邊纜，通航側(cè)設(shè)置沉鏈，依靠重量在船舶穿過航道時深入水底，確保船舶順利通過施工區(qū)域。

3.4.3 水下作業(yè)

在正式破碎礁石時，從易破碎斷面開始，由上向下開展破碎作業(yè)，并操作挖機在旁完成碎渣清運。人員在操作破碎錘時，應(yīng)根據(jù)計算機顯示鑿擊位置將錘提升至指定高度，然后松開制動器使錘從高處自由落下。為保證巖石破碎效果，應(yīng)使破碎錘斗齒與巖面保持垂直狀態(tài)，并將液壓挖掘機前端抬高30cm，確保斗齒緊壓巖面。持續(xù)錘砸一個點，首次深度控制在60～70cm之間，重新提錘后，與原沖擊點保持30～40cm距離。按照從邊緣到中心順序破碎礁石，完成各層礁石破碎后應(yīng)及時清理破碎塊，并測量破碎面高程，有效控制下層開挖高程。破碎錘連續(xù)擊打1min依然未能將巖石破碎，需更換打擊面沖洗擊打，并確認(rèn)斗齒內(nèi)角不超90°。但在設(shè)備高頻振動期間，禁止調(diào)整挖掘機內(nèi)角。針對厚巖石區(qū)域，應(yīng)實施多次鑿擊，但每擊打5min應(yīng)將破碎錘提至空中穩(wěn)定，直至內(nèi)部水分全部排出。

長時間使用高頻破碎錘開展水下作業(yè)，每隔2h應(yīng)向設(shè)備注入一次齒輪油，確保破碎錘維持良好運轉(zhuǎn)狀態(tài)。在施工期間，禁止在挖掘機伸縮臂全部伸出狀態(tài)下破碎巖石，應(yīng)至少保持50cm伸縮余地，以免引發(fā)液壓缸故障。錘頭的斗齒進(jìn)入破碎巖石后，禁止操作挖掘機，以免因搖動斗齒導(dǎo)致破碎錘零部件受損。操作破碎錘禁止空打，避免空氣彈簧等零部件受損，同時應(yīng)避免破碎錘和曲臂等結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞。各層巖石破碎后，禁止使用破碎錘移動碎渣，防止設(shè)備損壞。在破碎作業(yè)結(jié)束后，將破碎錘提升至水面以上，維持低速運行10min，將內(nèi)部水分排出。從挖掘機上拆下破碎錘后，應(yīng)拆除鋼釬和連接管道等，向缸體內(nèi)注入防銹油，防止設(shè)備生銹腐爛。

3.4.4 質(zhì)量控制

在施工質(zhì)量控制上，應(yīng)提前分析工程地質(zhì)等資料，完成巖石抗剪和抗壓試驗，確保采取科學(xué)破碎錘操作方法，嚴(yán)格按照設(shè)定布點間距作業(yè)，防止因點位偏差影響清礁效果或造成設(shè)備損壞。分條分塊開展施工活動，現(xiàn)場應(yīng)結(jié)合巖石硬度、厚度等變化調(diào)整破碎區(qū)域搭接距離，并及時通過水深測量等途徑掌握巖石破碎情況，做好相關(guān)施工參數(shù)調(diào)整。為保證水下礁石破碎作業(yè)質(zhì)量合格，在使用高頻破碎錘施工后應(yīng)對開挖輪廓點進(jìn)行重復(fù)測量，確認(rèn)偏差在±50～100mm范圍內(nèi)。在基礎(chǔ)面開挖期間，確認(rèn)超挖不超20cm，欠挖不超10cm，且邊坡坡度等參數(shù)符合要求，各級臺階偏差不超設(shè)計高程的±20%。

3.5 施工成效

從工程驗收情況來看，按照施工計劃破除水下礁石后，掃測確認(rèn)不存在淺點，開挖輪廓尺寸符合設(shè)計規(guī)范要求。通過多臺設(shè)備同時作業(yè)，工程得以在規(guī)定工期內(nèi)完工，且一次性通過質(zhì)量驗收，驗證了高頻破碎錘施工方案的有效性。相較于傳統(tǒng)炸礁技術(shù)，采用破碎錘鑿石清礁約節(jié)約30%的施工成本，不僅給工程帶來了可觀經(jīng)濟效益，也能通過減小周圍環(huán)境受到的影響創(chuàng)造理想社會效益，為樹立良好工程形象提供有力技術(shù)支撐。

4.結(jié)論

在航道清礁施工中，應(yīng)用高頻破碎錘可解決水下硬巖石破碎難題，通過減小水下沖擊波提高工程施工安全性、環(huán)保性。在清礁實踐中，應(yīng)結(jié)合地質(zhì)、水域等條件制定科學(xué)施工方案，明確巖石破碎和碎渣清理作業(yè)順序，并通過提前開展試驗合理設(shè)定各項施工參數(shù)。通過提前做好破碎錘、挖掘機等設(shè)備準(zhǔn)備，完成施工區(qū)測量和作業(yè)面定位，規(guī)范操作破碎錘依次錘砸布點，能夠取得理想施工效果。通過科學(xué)應(yīng)用高頻破碎錘施工技術(shù)，能有效控制工期和成本，促進(jìn)航道清礁技術(shù)水平提升。