液壓破碎法在右江航道整治工程中的應(yīng)用及質(zhì)量控制探討

韋昌方

(廣西八桂工程監(jiān)理咨詢有限公司，廣西 南寧 530021)

0 引言

世界上首臺液壓破碎錘出現(xiàn)在法國，此后該施工機械便開始在世界范圍內(nèi)得到推廣應(yīng)用。液壓挖掘機前端可以搭載多種機具，實現(xiàn)一機多能，隨著挖掘機技術(shù)的發(fā)展，破碎錘和挖掘機系統(tǒng)匹配應(yīng)用越來越好，能優(yōu)化系統(tǒng)并提升各個部件運行的可靠性。近年來，國家明確提出綠色環(huán)保的建設(shè)開發(fā)思路，各有關(guān)職能部門也加強了對環(huán)境保護的督查力度，嚴格控制工程炸藥使用。在此背景下，挖掘機搭載破碎錘在工程建設(shè)及航道整治開挖中得到越來越廣泛的使用，但是當前國內(nèi)有關(guān)液壓破碎錘的研究及工程應(yīng)用并不充分，生產(chǎn)廠家及產(chǎn)品質(zhì)量也參差不齊，導(dǎo)致液壓破碎錘技術(shù)發(fā)展緩慢。

1 液壓破碎法技術(shù)原理

液壓破碎主要以液壓能為動力源，通過將液壓能轉(zhuǎn)化為機械動能，使釬桿在活塞的推動下實施破碎，破碎效果好，噪聲及擾動小，性能優(yōu)越。液壓破碎錘借助自身換向閥切換高壓油路，使破碎錘活塞循環(huán)往復(fù)運動，持續(xù)將打擊能傳遞至釬桿，釬桿在獲取能量后實施破碎。

液壓挖掘機破碎系統(tǒng)主要包括破碎錘、控制閥組、動力系統(tǒng)、液壓管路等部分，出于破碎錘更換效率考慮，挖掘機前端也經(jīng)常使用機具切換效率較高的快換裝置。破碎錘在使用期間可能面臨頻繁更換的情況，更換過程頻繁會加大液壓管路接頭污染概率，同時，破碎錘破碎施工時也存在較大磨損，易引發(fā)液壓元件損壞。為此，通常在破碎管路上增設(shè)輔助元件，如回油過濾器等，以保證液壓系統(tǒng)性能穩(wěn)定。根據(jù)當前國內(nèi)所用挖掘機主要型號及性能，其機械端口溢流壓力通常較高，為避免液壓破碎錘因溢流壓力的作用而損壞，必須將安全閥增設(shè)在破碎錘工作管路上，依據(jù)破碎錘工作參數(shù)進行溢流壓力調(diào)整[1]。

液壓破碎錘活塞頂部通常設(shè)置有氮氣室，其余構(gòu)件主要為活塞桿、缸體、油封、釬桿和蓄能器，具體如圖1所示。在氮氣室內(nèi)填充氮氣后蓄能，在液壓作用下帶動破碎錘活塞回程運動，并在液壓力和氮氣膨脹力的共同作用下帶動活塞沖程。

圖1 液壓破碎錘作用結(jié)構(gòu)示意圖

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

右江航道整治工程(兩省界—百色)水下炸礁工程起于右江滇桂兩省(羅村口)，終于百色澄碧河河口，按Ⅲ級航道通航1 000噸級船舶標準建設(shè)。航道里程全長71 km，其中兩省界(羅村口)至百色樞紐壩上段長度為50 km，百色樞紐壩下至百色澄碧河河口段長度為21 km。百色水利樞紐通航建筑物下引航道出口—上宋右江大橋(K47+840～K54+600)，即東筍水電站至上宋右江大橋(貴百高速公路)段河道窄，水深不滿足設(shè)計船型通航要求。尤其是上段大石灘及橫灘最淺水深不足2.0 m，局部孤礁立于江中。該段主要以水下炸礁施工為主，但該段部分區(qū)域靠近文物保護區(qū)、橋梁保護區(qū)及敏感性區(qū)域，根據(jù)《中華人民共和國公路法》《鐵路安全管理條例》、敏感性房屋爆破振動安全允許距離要求、環(huán)評要求等規(guī)定，結(jié)合本工程規(guī)模、屬性及地質(zhì)條件，出于安全、工期、成本等方面的綜合考慮，對大石灘、橫灘、那達灘、百林灘及鯇魚灘等五個灘點局部位置采用液壓破碎施工工藝進行施工。液壓破碎主要施工設(shè)備為挖泥船、液壓破碎巖石施工作業(yè)船、鉆孔炸礁船等。施工區(qū)域主要為河中疏浚、巖石破碎分裂、清碴。大石灘、橫灘、那達灘、百林灘、鯇魚灘液壓破碎清礁工程量分別為8 162.0 m3、5 176.0 m3、5 292.1 m3、16 094.6 m3、35 006.0 m3，液壓破碎清礁工程量共為69 730.6 m3。

根據(jù)地質(zhì)測繪及鉆孔揭露，工程區(qū)出露地層主要有局部存在的第四系人工堆積層(Q4ml)、第四系全新統(tǒng)沖積(Q4al)粉質(zhì)黏土層、砂土層及卵石層、第四系全新統(tǒng)殘坡積(Q4el+dl)粉質(zhì)黏土層和碎石層，出露基巖主要為第三系(E)泥質(zhì)砂巖和三疊系百逢組(T2b)炭質(zhì)頁巖和灰?guī)r等。該河段河床表層均被卵石層覆蓋，部分基巖出露，鉆孔內(nèi)卵石層密實度從上至下呈增大趨勢，部分地層表層主要為黏性土或砂層，下層則為卵石層。

2.2 施工工藝特點

右江航道整治工程中東筍水電站至上宋右江大橋(貴百高速公路)段基巖主要為中-強風化灰?guī)r以及強風化炭質(zhì)頁巖。此類巖石抗壓應(yīng)力遠比拉應(yīng)力大，若進行外部打碎，則在較大抗壓應(yīng)力的作用下，施工難度大、功效低、能耗高，并受到水下能見度低的影響，施工質(zhì)量難控制?？紤]到此類巖石內(nèi)部向外的抗拉強度較小，可以采用挖掘機液壓破碎錘技術(shù)，通過換向閥控制高壓油流向，進而使活塞做出循環(huán)往復(fù)運動，使缸體、蓄能器內(nèi)充入高壓氮氣后，活塞向下運動的過程中發(fā)出高強爆發(fā)力帶動釬桿，釬桿將這種動能傳送至待破碎巖石上，達到從內(nèi)向外破壞巖石結(jié)構(gòu)的目的[2]。

2.3 操作要點及質(zhì)量控制

2.3.1 破碎錘改裝

液壓破碎錘在標準配備下無法實現(xiàn)水下作業(yè)，因為水進入釬桿座后會引發(fā)水壓波，進而破壞液壓系統(tǒng)密封件，甚至造成液壓系統(tǒng)故障。為此，必須對液壓破碎錘進行簡易改裝，將高壓空氣注入破碎錘下缸體內(nèi)，避免水流入液壓破碎錘結(jié)構(gòu)中，使液壓破碎錘具備水下作業(yè)的功能，同時將帶破碎錘的挖掘機固定于船體。不同形式的釬桿適用于不同工況，具體如表1所示，綜合考慮該航道整治工程地質(zhì)條件及主要為水下施工后選擇杵形釬桿。

表1 不同形式釬桿的適用工況表

液壓破碎錘上缸體中本身充填有壓縮氮氣，氮氣和高油壓聯(lián)合作用使活塞向下運動，在破碎施工開始前必須檢測破碎錘內(nèi)氮氣壓力。操作挖掘機以使破碎錘與地面平行，且離地面50 cm，將挖掘機發(fā)動機關(guān)停后拆下破碎錘缸體氮氣閥蓋，并將氮氣壓力表接入氮氣閥上，進行氮氣壓力檢測。若壓力不足，還應(yīng)連接氣管后進行氮氣充填。打開氮氣瓶開關(guān)轉(zhuǎn)動壓力手柄，待氮氣壓力達到標準值后停止手柄轉(zhuǎn)動，保持8～10 s后關(guān)閉開關(guān)，將充氣接頭取下。將壓力表接在氮氣閥上進行氮氣壓力測定，若所充填的氮氣壓力值比標準值高，則應(yīng)通過壓力表進行調(diào)整。水下破碎施工由于環(huán)境的特殊性，在調(diào)整氮氣壓力時必須充分考慮到水壓力和阻力的影響[3]，結(jié)合工程實際，液壓破碎錘缸體氮氣壓力應(yīng)為廠家所提供的地面施工氮氣壓力+(0.03～0.04)MPa。

將裝載液壓破碎錘的船只拖運至待破碎開挖位置后通過“定位樁”拋錨定位，由技術(shù)人員通過GPS測量儀將船只定位引導(dǎo)至設(shè)計位置后下沉定位樁，進行巖石破碎。施工全過程中技術(shù)人員應(yīng)借助GPS測量儀進行船只位置跟蹤定位，確保破碎分裂施工的準確性和連續(xù)性。

2.3.2 水下作業(yè)質(zhì)量控制

在施工定位的基礎(chǔ)上，水下破碎施工前還應(yīng)進行測量放樣，即以開挖設(shè)計邊線為依據(jù)測放出開挖輪廓，并通過標尺將所測高程在地形圖中標出，以加強開挖高程控制。開始開挖后，先將表面覆蓋層及松動巖石清除，再通過大功率挖掘機強挖。對于無法開挖的破碎分裂區(qū)，將液壓錘安裝在挖掘機上，以破碎程度較容易的端面為起點，從上至下按照40～50 cm的厚度分段、分層破碎，為保證破碎效果，應(yīng)待破碎錘釬桿垂直作用于巖石打擊面后開啟破碎錘，借助其沖擊力達到巖石破碎的目的，且整個破碎過程中，破碎錘打入巖石的角度始終控制在45°。本航道整治工程中破碎分裂區(qū)按照0.8～1.2 m的間隔設(shè)置，待按設(shè)計尺寸形成破碎分裂區(qū)后，再通過大功率反鏟挖機以已破碎巖石分裂區(qū)為突破口強挖巖石。挖掘機強挖布展情況具體如圖2所示。

圖2 挖掘機強挖布展示意圖(m)

每層破碎完成后應(yīng)配合挖機進行破碎巖體清除，并重新測量高程，結(jié)合測量結(jié)果進行下一層開挖高程控制。為保證破碎錘效果的順利發(fā)揮，應(yīng)隨著破碎進程及時清除碎石，如遇破碎錘空打，則應(yīng)立即調(diào)整打擊位置和方向。破碎施工過程中，每間隔5 min應(yīng)將破碎錘完全提出水面并保持5～10 s，以排出破碎錘內(nèi)水分。施工期間將鋼釬壓入缸體到位后加注黃油。

2.3.3 破碎結(jié)束

水下破碎施工結(jié)束后提起破碎錘，在陸地上繼續(xù)以中低速運轉(zhuǎn)10 min，直至破碎錘打擊腔內(nèi)水分完全排除。從挖掘機上將破碎錘拆下，將鋼釬、進氣管等拆除，堵住堵頭，排出氮氣，并將缸體內(nèi)氮氣壓力重新調(diào)整至0.4～0.5 MPa，將機械部件上水分和污泥擦除后涂抹防銹油防腐。

破碎錘施工對整機工作裝置及其余構(gòu)件有較大影響，很容易因自身做功和振動而引發(fā)構(gòu)件開裂，為此在破礁過程中必須定期檢查結(jié)構(gòu)開裂情況，每半年進行一次液壓破碎錘供油泵調(diào)整，以延長主泵使用壽命。

3 結(jié)語

右江航道整治工程中東筍水電站至上宋右江大橋(貴百高速公路)段水下障礙物清理采用液壓破碎錘水下破碎施工。結(jié)果表明，該施工技術(shù)能有效防止水下爆破開挖施工所產(chǎn)生的沖擊波、地震波、脈動水壓力破壞以及對周圍構(gòu)筑物的不利擾動，還能避免直接開挖清障效果差、施工過程繁瑣等弊端。通過改裝液壓破碎錘可實現(xiàn)破碎錘在陸地和水下破碎施工過程的轉(zhuǎn)換，破碎清障操作過程更加簡便，投入成本節(jié)省，結(jié)合挖掘機及時清理破碎石塊，經(jīng)濟效益、社會效益和環(huán)境效益十分顯著。