硬臂抓斗挖泥船增設(shè)巖石破碎裝置改造應(yīng)用

何瑞峰，洪鈞，陳昌斌，楊灝東

（長(zhǎng)江重慶航道工程局，重慶 400011）

0 引言

長(zhǎng)江上游航道河床以巖盤、裸露礁石為主，礁石硬度大，一般礙航灘段通常采用先爆破再挖掘的疏浚方式，但是水下爆破所產(chǎn)生的地震波和沖擊波對(duì)水生生物、鄰建（構(gòu)）筑物會(huì)造成一定的影響[1-2]。隨著安全和環(huán)保要求的提升，水下爆破疏浚方式在長(zhǎng)江上游主城區(qū)及水生生態(tài)保護(hù)核心區(qū)的航段已不再適用，而單獨(dú)采用常規(guī)的絞吸、鏈斗、抓斗和鏟斗挖泥船的疏浚方式已無(wú)法滿足硬巖河床航道疏浚需求。一般可用于水下巖盤和礁石的環(huán)保疏浚方法主要包括重錘沖擊法[3]、鉤狀破石法[4]、液壓柱破裂鉆法[5]、銑挖法[6]和液壓破碎法[7]等，但對(duì)于水下巖石硬度大于40 MPa的破碎施工應(yīng)用案例中，液壓破碎法和銑挖法是兩種較為常用的破碎方法。

對(duì)于銑挖頭及液壓破碎錘進(jìn)行水下巖石破碎施工，我國(guó)自2004年開始就進(jìn)行了一些實(shí)踐性探索。2004年，樓周鋒等[8]將1艘300 t平板駁進(jìn)行改造，將ER1500型的銑挖機(jī)與KATO320C型挖掘機(jī)組合，可用于開挖硬度小于80 MPa的水下硬巖。2007年，為了解決黑龍江中游礙航淺灘巖石質(zhì)河床的疏浚問(wèn)題，黑龍江省航道局通過(guò)將1艘對(duì)開泥駁改造成新型銑削式挖泥船“龍銑01”，將銑削頭布設(shè)中央船井的臺(tái)車上，通過(guò)臺(tái)車的縱向移動(dòng)和橫向往復(fù)移動(dòng)實(shí)現(xiàn)銑削破碎，生產(chǎn)效率達(dá)7 m3/h[9]。2018年，吉林省航道管理局開發(fā)建造了1艘“吉航銑181”號(hào)銑挖式挖泥船，將R2000-1型銑挖頭安裝在利勃海爾R934C型液壓反鏟機(jī)，在巖石硬度40 MPa的河床銑挖試驗(yàn)中，銑挖效率達(dá)到15 m3/h。液壓破碎錘的水下應(yīng)用相對(duì)于銑挖頭晚一些，隨著液壓破碎錘防水問(wèn)題的解決，也開始大量應(yīng)用于水下破碎施工中。2014年，林道冶等[10]將改裝破碎錘加裝到挖掘機(jī)上進(jìn)行水下障礙物清障施工。2017年，王磊[11]將HB10000型破碎錘加裝到BA1100型反鏟挖泥機(jī)上，并對(duì)其進(jìn)行了水下破巖作業(yè)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)研究。此外，Epiroc生產(chǎn)的HB系列液壓破碎錘在香港港口航道改造、中交四航局港口碼頭建設(shè)、廈門港口疏浚、廣西紅水河河道疏浚等項(xiàng)目都有應(yīng)用實(shí)例，其應(yīng)用水下作業(yè)最大深度達(dá)30 m。

基于港口航道環(huán)保疏浚工程中水下硬巖的破碎需求，開發(fā)建造一種新型巖盤疏浚船是必要的。但是，從目前的疏浚市場(chǎng)來(lái)看，直接重新設(shè)計(jì)建造1艘專用型巖盤疏浚船舶的開發(fā)成本較高，而對(duì)現(xiàn)有的硬臂式抓斗挖泥船或者鏟斗挖泥船直接進(jìn)行加裝液壓破碎錘或銑挖頭等巖石破碎裝置的改造研究，其技術(shù)已相對(duì)較成熟，研究?jī)r(jià)值更高。

1 原船概況及改造分析

1.1 船舶概況

本次改造船舶為1艘自航硬臂式抓斗挖泥船，船舶總長(zhǎng)52.0 m，型寬14.0 m，型深3.5 m，吃水2.0 m。船舶疏浚作業(yè)設(shè)備包括1臺(tái)硬臂反鏟挖掘機(jī)配重載反鏟鏟斗1個(gè)、加強(qiáng)型抓斗1個(gè)及鋼耙1個(gè)。船舶主要用于重慶主城區(qū)等長(zhǎng)江上游航道的疏浚作業(yè)，船舶采用四鋼樁定位方式。本船配備的挖掘機(jī)型號(hào)為德國(guó)利勃海爾P974C，起重能力12 t，標(biāo)定功率400 kW，工作半徑12 m，最大挖深8 m。

1.2 改造分析

在實(shí)際航道維護(hù)疏浚作業(yè)中，本船配備的重載反鏟鏟斗及加強(qiáng)型抓斗均不能對(duì)水下高硬度巖盤和礁石進(jìn)行開挖疏浚作業(yè)，為了適應(yīng)水下巖石非爆式清礁的疏浚新趨勢(shì)，擬對(duì)1艘鋼樁定位液壓抓斗挖泥船進(jìn)行改造，在現(xiàn)有疏浚作業(yè)設(shè)備的基礎(chǔ)上增配合適的巖石破碎裝置。

根據(jù)宜賓至重慶段地勘砂巖物理力學(xué)樣本分析結(jié)果中可以看出，長(zhǎng)江上游航道礁石的天然單軸抗壓強(qiáng)度最大值為54 MPa，飽和單軸抗壓強(qiáng)度最大值為44.7 MPa，天然單軸抗壓強(qiáng)度平均值為42.8 MPa，飽和單軸抗壓強(qiáng)度平均值為33.6 MPa。因此，本次改造破碎裝置后，滿足單軸抗壓強(qiáng)度40～60 MPa砂巖的破巖需求，要求最大破碎作業(yè)水深為14 m，挖掘水深12 m。

2 改造方案

2.1 破碎裝置選型

考慮改造船所配置的開挖設(shè)備為1臺(tái)硬臂式挖掘機(jī)，破碎裝置的選型需要從技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)性兩方面綜合考慮。

1）液壓破碎錘

液壓破碎錘破巖法主要是將破碎錘加裝到挖掘機(jī)機(jī)臂上，通過(guò)其釬桿的沖擊能進(jìn)行破碎作業(yè)，該方法具有破巖效果好、適應(yīng)性好、施工噪音低、沖擊波小和可靠性較高等特點(diǎn)，在動(dòng)力足夠的情況下，破碎錘對(duì)巖石的硬度沒有要求。

為了滿足單軸抗壓強(qiáng)度40～60 MPa水下巖石的破巖需求，液壓破碎錘工作重量不小于3 t，流量不小于240 L/min，打擊頻率300～1 000次/min，釬桿直徑不小于150 mm。目前市場(chǎng)上的Indeco、Montabert及Epiroc等品牌的液壓破碎錘在水下破碎中應(yīng)用最廣泛，并且已經(jīng)形成系列化。根據(jù)工程需求，結(jié)合本船配備挖掘機(jī)的技術(shù)參數(shù)，本次改造可選用HB3600（Epiroc）和V55（Montabert）液壓破碎錘，產(chǎn)品參數(shù)見表1。

《金粉世家》里的金府是一個(gè)繁大家族，雖然沒有《紅樓夢(mèng)》里賈府的三代同堂，但也不遜于它，有人統(tǒng)計(jì)過(guò)金粉世家里大大小小的主子丫鬟和仆人就有113位。家中的重要成員金銓是國(guó)務(wù)總理，這個(gè)身份足以支撐這個(gè)大家族繁衍發(fā)展。而與《紅樓夢(mèng)》里賈府不同的是，這個(gè)家族里沒有《紅樓夢(mèng)》里的封建意識(shí)，多得更是一些先進(jìn)的思想。這也是身處新舊之間的張恨水他筆下營(yíng)造的家族小說(shuō)。這些比之巴金的《家》和茅盾的《子夜》也具有張恨水自己的特點(diǎn)。在一定程度上，也向我們傳達(dá)了一個(gè)世家在向現(xiàn)代過(guò)渡的過(guò)程中發(fā)生的種種變化。

表1 擬配置液壓破碎錘選型比較表Table 1 Comparison for selection of hydraulic crushing hammer

液壓破碎錘水下作業(yè)中需解決的兩大問(wèn)題分別是進(jìn)水問(wèn)題和空打問(wèn)題，相對(duì)于Montabert，Epiroc通過(guò)液氣聯(lián)控、氣路壓縮空氣進(jìn)氣口和IPS智能防空打（自動(dòng)啟動(dòng)）等專業(yè)配套技術(shù)，有效解決了液壓破碎錘水下破碎作業(yè)中的主要難題?？紤]液壓破碎錘水下作業(yè)的可靠性，確定選用HB3600型液壓破碎錘作為本船配置的碎石裝置。

2）銑挖頭

銑挖碎巖法主要將銑挖頭安裝在挖掘機(jī)懸臂上，通過(guò)銑挖頭的鎬狀截齒研磨、切削和刨挖巖土，實(shí)現(xiàn)巖層的截割剝離，形成碎石。相對(duì)于液壓破碎法，銑挖法受力狀態(tài)更為合理，并能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)控制。地質(zhì)因素與銑挖施工效率息息相關(guān)，主要包括巖石抗壓強(qiáng)度、耐磨性、巖體節(jié)理、裂隙的間距及分布等[12]，其中巖石的單軸抗壓強(qiáng)度直接影響銑挖碎巖效率。E.Lammer等[13]通過(guò)銑挖施工試驗(yàn)研究，銑挖最佳經(jīng)濟(jì)巖石抗壓強(qiáng)度在40～120 MPa，當(dāng)強(qiáng)度超過(guò)120 MPa時(shí)，從現(xiàn)有的銑挖頭驅(qū)動(dòng)功率、截齒性能以及經(jīng)濟(jì)性考慮，銑挖不再具備優(yōu)勢(shì)。根據(jù)巖石強(qiáng)度不同，可對(duì)巖石的銑挖難易程度進(jìn)行分級(jí)，具體情況見表2，本次改造中巖石的銑挖難易程度為B級(jí)，采用銑挖頭進(jìn)行40～60 MPa水下巖石破碎施工是可行的。

表2 巖石銑挖難易程度分級(jí)表Table 2 Classification of rock milling difficulty

市場(chǎng)上常見的銑挖頭主要為德國(guó)艾卡特和英國(guó)維伯特兩大公司的，這兩大廠商已經(jīng)將該類產(chǎn)品系列化。由于艾卡特銑挖頭具有通用性、高效性和適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)[14]，其已基本壟斷了我國(guó)銑挖頭市場(chǎng)，ER系列銑挖頭從ER100—ER10000，適應(yīng)最大抗壓強(qiáng)度從30～220 MPa。

銑挖施工作業(yè)中，銑挖頭需要向下作用力來(lái)使刀頭和巖石的接觸力度在刀頭限定的工作壓力范圍內(nèi)才能進(jìn)行銑挖作業(yè)。要實(shí)現(xiàn)銑挖機(jī)對(duì)巖盤和礁石進(jìn)行破碎，銑挖機(jī)需要的向下壓力不能低于銑挖機(jī)限定的工作壓力下限，否則刀頭容易在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中跳開巖石，亦不能高于銑挖機(jī)限定的工作壓力上限，否則會(huì)出現(xiàn)憋死現(xiàn)象，即刀頭被壓死而停止旋轉(zhuǎn)。結(jié)合已有的硬臂挖掘機(jī)的技術(shù)參數(shù)及所破碎巖石的單軸抗壓強(qiáng)度，本次改造選用ER3000型銑挖頭加裝到本船挖掘機(jī)，具體參數(shù)見表3。

表3 ER3000銑挖頭參數(shù)表Table 3 Parameters of ER3000 milling head

2.2 挖掘機(jī)機(jī)臂加長(zhǎng)改造

為了滿足液壓破碎錘15 m作業(yè)水深要求，需要重新設(shè)計(jì)制作挖機(jī)大、小臂（增加固定連接桿），原工作裝置油缸盡量利舊。原挖掘機(jī)大臂8.6 m，小臂4.7 m，最大挖掘深度9.7 m（鏟斗2.2 m高），挖機(jī)臂理論上可直接進(jìn)行小臂加長(zhǎng)，但加長(zhǎng)后挖機(jī)機(jī)臂要考慮與船上已有的固定裝置干涉的問(wèn)題。根據(jù)船舶現(xiàn)場(chǎng)勘察，將大臂舉到最高時(shí)，小臂垂直向下時(shí)，需保證小臂下端距離甲板面最小高度為3.5 mm。因此，機(jī)臂加長(zhǎng)改造中需要同時(shí)進(jìn)行大、小臂加長(zhǎng)，如圖1所示，設(shè)計(jì)確定大臂11.0 m，小臂8.48 m，加長(zhǎng)后挖掘機(jī)的最大挖掘深度13 m，破碎深度達(dá)14.8 m。為了保證強(qiáng)度滿足鏟斗及破碎裝置使用要求，大臂及小臂的上、下蓋板、強(qiáng)板全部采用Q690D加工。

圖1 挖掘機(jī)臂加長(zhǎng)改造后作業(yè)范圍示意圖（mm）Fig.1 Schematic diagram of operation range after lengthening of excavator arm(mm)

2.3 定位系統(tǒng)改造

由于鋼樁定位系統(tǒng)最大作業(yè)水深由8 m加大到14 m，現(xiàn)船尾左、右定位樁最大下樁深度已不能滿足使用需求，因此還需要對(duì)定位樁作加長(zhǎng)改造。兩定位樁原長(zhǎng)為18.5 m，定位樁在長(zhǎng)度上需要留有一定余度，本次改造鋼樁可加長(zhǎng)5.4 m，使加長(zhǎng)后鋼樁長(zhǎng)達(dá)到23.9 m，滿足最大作業(yè)水深要求，樁體結(jié)構(gòu)材料選用CCSDH36。

此外，對(duì)應(yīng)配套的船體結(jié)構(gòu)、液壓系統(tǒng)及控制系統(tǒng)也進(jìn)行相應(yīng)改造。

3 應(yīng)用分析

根據(jù)上述分析，分別將HB3600型液壓破碎錘（同時(shí)配備阿特拉斯XAS216E型空壓機(jī)）和ER3000型銑挖頭加裝到挖泥船P974C型挖掘機(jī)機(jī)臂上。施工水深2～5 m，水流流速3.5 m/s，水下礁石單軸抗壓強(qiáng)度平均值約為46 MPa，最大值為53 MPa。從施工數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析來(lái)看，液壓破碎錘碎巖施工工效達(dá)10～15 m3/h，因水下礁石形態(tài)觀察困難，破碎錘鑿入點(diǎn)難確定，相對(duì)于陸上破碎施工工效偏低。液壓破碎錘碎巖工藝可以有效破碎礙航淺灘水下基巖，特別對(duì)孤立礁石，破巖施工工效明顯，施工中對(duì)周邊環(huán)境的影響小，安全性較高。

將加裝的銑挖頭先后在夫歸石、金堆子和小米灘灘段進(jìn)行了水下礁石銑挖工藝應(yīng)用型試驗(yàn)施工。施工平均水深6 m，水流流速2 m/s，水下礁石單軸抗壓強(qiáng)度平均值約為47 MPa，最大值為54 MPa。從兩灘段的試驗(yàn)施工情況來(lái)看，銑挖施工不產(chǎn)生沖擊波，噪音小，生態(tài)環(huán)保效應(yīng)顯著，銑挖對(duì)于強(qiáng)度在30～40 MPa的水下硬巖，銑挖工效為6～10 m3/h，對(duì)于強(qiáng)度40 MPa以上且完整性較好的巖石，銑挖工效極低，僅為1～3 m3/h，施工中銑挖頭截齒磨損嚴(yán)重，消耗量大。銑挖碎巖工藝適合礁石強(qiáng)度小、小面積、少方量等礙航灘點(diǎn)水下礁石的破碎施工。

4 結(jié)語(yǔ)

1）結(jié)合水下非爆破式環(huán)保破巖方法，從硬臂抓斗挖泥船巖石破碎裝置改造角度，通過(guò)分析論證分別將HB3600型液壓破碎錘和ER3000型銑挖頭加裝到硬臂抓斗挖泥船的P974C型挖掘機(jī)機(jī)臂上，并對(duì)挖掘機(jī)機(jī)臂進(jìn)行加長(zhǎng)處理。通過(guò)試驗(yàn)施工論證，該2種巖石破碎裝置可應(yīng)用于航道維護(hù)疏浚工程中小面積淺灘及非爆區(qū)的水下硬巖破碎施工。

2）長(zhǎng)江上游航道維護(hù)疏浚作業(yè)中，對(duì)于加裝液壓破碎錘及銑挖頭的挖泥船，為了確保船舶定位安全及施工需要，船舶需要采用錨纜加鋼樁定位系統(tǒng)。

3）從液壓破碎錘及銑挖頭2種巖石破碎裝置在礙航淺灘的水下巖盤破碎應(yīng)用情況來(lái)看，2種破碎裝置生態(tài)環(huán)保效應(yīng)顯著。破碎工效方面，液壓破碎錘效率高，適用于水下高強(qiáng)度的巖石破碎，銑挖破碎效率低，適用于低強(qiáng)度巖石破碎，銑挖巖碴碎塊小主要為粉末狀、顆粒狀和少量的碎塊狀。

4）為了提高液壓破碎錘及銑挖頭水下破碎的施工工效，可研發(fā)水下觀測(cè)設(shè)備，通過(guò)對(duì)水下地形的觀察，指導(dǎo)作業(yè)人員精準(zhǔn)操作，從而提高破碎工效。