鑿巖棒施工在疏浚工程中的應(yīng)用

武鵬，李祥，張潤(rùn)發(fā)，曹志遠(yuǎn)

（長(zhǎng)江南京航道工程局，江蘇 南京 524002）

相對(duì)于內(nèi)河整治工程中常見(jiàn)爆破炸礁方式清除航道硬點(diǎn)，近年來(lái)，中國(guó)水運(yùn)事業(yè)蓬勃發(fā)展，船舶規(guī)模趨于大型化，為適應(yīng)大型船舶進(jìn)出港的相關(guān)要求，沿海港口進(jìn)出港航道尺寸需進(jìn)一步加寬加深。由于航道尺度的增加，在深層土質(zhì)中遇到硬點(diǎn)或硬質(zhì)巖層的可能性也大大增加，嚴(yán)重影響航道在后期掃淺施工階段的效率，因此，如何清除硬點(diǎn)成為后期施工成本、進(jìn)度管控的重點(diǎn)。本文根據(jù)湛江港30 萬(wàn)噸級(jí)航道改擴(kuò)建工程Ⅱ標(biāo)段項(xiàng)目在后期施工階段清除鐵質(zhì)膠結(jié)巖的實(shí)例，對(duì)鑿巖施工進(jìn)行相關(guān)介紹。

1 工程案例

1.1 工程背景

湛江港30 萬(wàn)噸級(jí)航道改擴(kuò)建工程Ⅱ標(biāo)段施工范圍為龍騰航道外段K36+200～南三島西航道K53+000 區(qū)段的航道疏浚工程，設(shè)計(jì)通航寬度為340m（其中會(huì)船區(qū)設(shè)計(jì)通航寬度為510m），設(shè)計(jì)底標(biāo)高分施工區(qū)段為-23.0m～-23.9m，設(shè)計(jì)邊坡1:5～1:6。在施工期間通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)反饋在航道外段存在一處疑似礁石區(qū)域，投入施工的各施工船舶均無(wú)法進(jìn)行清除。

1.2 地勘結(jié)果

根據(jù)湛江港30 萬(wàn)噸級(jí)航道改擴(kuò)建工程Ⅱ標(biāo)段施工過(guò)程中針對(duì)疑似礁石區(qū)域的鉆探取樣結(jié)果顯示，斷面K39+200(區(qū)域1：29 號(hào)浮標(biāo)西南方向0.45km、航道內(nèi)北側(cè))存在鐵質(zhì)膠結(jié)巖及類(lèi)似鐵板砂狀土質(zhì)；區(qū)域1 最小水深21.0m，面積約11182 m2（長(zhǎng)142.2m、寬78.8m）。

圖1 鉆探取樣土質(zhì)

2 施工方案

2.1 方案對(duì)比

（1）耙吸船清礁：本方案靈活程度高，對(duì)通航影響程度?。槐竟こ套畛醪捎冒翌^重量為30 噸大型耙吸船對(duì)硬質(zhì)土層進(jìn)行試挖，根據(jù)工后測(cè)圖顯示，耙吸船對(duì)該土質(zhì)施工效果較差，高額的成本與施工進(jìn)度不相匹配。

（2）爆破炸礁：采用爆破炸礁的方式進(jìn)行清除巖石施工效率高、同時(shí)對(duì)礁巖的預(yù)處理效果好；但本工程施工航道船舶通航密度較大，海洋生物多樣性高（為我國(guó)一級(jí)保護(hù)動(dòng)物“白海豚”棲息地），同時(shí)該礁石所在區(qū)域位于航道邊坡附近，如采取爆破炸礁的方式清除礙航物則爆破時(shí)產(chǎn)生的沖擊及地震波即會(huì)對(duì)過(guò)往船只和施工海域附近海洋生物產(chǎn)生極大影響，也在一定程度上會(huì)增加邊坡坍塌的風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)爆破前所需的防護(hù)措施以及爆破所需的船機(jī)投入，也會(huì)導(dǎo)致施工成本增加、工期相對(duì)延長(zhǎng)。

（3）鑿巖錘清礁：本方案將在場(chǎng)抓斗船的“斗”更換為“錘”進(jìn)行施工，施工效率較低，巖石預(yù)處理效果相對(duì)較差；但該施工工法操作方便，額外成本投入較低，對(duì)航道通航船舶及海洋生物影響較小，符合國(guó)家可持續(xù)發(fā)展的理念。

2.2 方案確定

我國(guó)大部分沿海地區(qū)疏浚項(xiàng)目中進(jìn)行礁石預(yù)處理時(shí)大多采用爆破炸礁的方式進(jìn)行處理，隨后使用挖泥船或絞吸船等疏浚設(shè)備對(duì)預(yù)處理后的殘骸進(jìn)行清除。但是本項(xiàng)目所在的施工區(qū)域附近通航環(huán)境復(fù)雜，且需要進(jìn)行礁石預(yù)處理的區(qū)域處在航道內(nèi)，在這種情況下如采取爆破炸礁的方案會(huì)對(duì)航島附近通航的船只及附近的海洋環(huán)境造成極大的影響。而利用施工現(xiàn)場(chǎng)已有抓斗船換裝沖擊錘開(kāi)展沖擊錘鑿巖施工操作簡(jiǎn)便，可減少設(shè)備投入成本，更符合國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)的相關(guān)要求，故本工程最終選擇沖擊錘輔助抓斗船施工清除礁巖。

3 施工工法

3.1 錨泊定位

為了保證吊裝的鑿巖錘鑿巖時(shí)孔位準(zhǔn)確，進(jìn)行鑿巖作業(yè)的抓斗船在作業(yè)時(shí)必須進(jìn)行錨固同時(shí)不產(chǎn)生水面漂移情況。因此在抓斗船上配備了至少4 只霍爾船錨，同時(shí)錨鏈以八字型或*字型進(jìn)行布錨，船側(cè)的錨繩與船舶之間的縱軸線夾角為控制在30°至55°，以保證船舶錨固期間的穩(wěn)定性。當(dāng)其中一側(cè)的船錨由于洋流方向的改變而出現(xiàn)輕微地走錨現(xiàn)象時(shí)，便采取措施在可能造成抓斗船漂移的最大流向的方向上進(jìn)行增補(bǔ)，以提高抓斗船施工作業(yè)時(shí)的抗漂移能力(在此期間需同時(shí)考慮到大風(fēng)與流速產(chǎn)生的合力的方向是變化的情況)。在本項(xiàng)目投入的抓斗船配備的錨繩為直徑36mm 的鋼絲繩，單根長(zhǎng)度約為100m，同時(shí)也配備了一艘錨艇協(xié)助抓斗船開(kāi)展拋錨和起錨的工作。

施工船舶在鑿巖作業(yè)過(guò)程中采用GPS 實(shí)時(shí)差分系統(tǒng)進(jìn)行定位，根據(jù)施工圖紙中的設(shè)計(jì)坐標(biāo)、船舶配備的錨繩長(zhǎng)度、施工點(diǎn)位水深及預(yù)拋方向，首先計(jì)算出布錨時(shí)的錨位坐標(biāo)，并由輔助錨艇降左前錨或右前錨送至預(yù)定錨位拋錨，然后順著水流方向航行至施工區(qū)域附近，然后再有輔助錨艇送出右前主錨或左前主錨進(jìn)行拋錨。在完成所有錨的拋錨任務(wù)后，在GPS 定位系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)下進(jìn)行絞錨，降船舶錨位移動(dòng)至指定位置，其間要確保定位誤差小于0.5m。施工船舶配備的所有定位錨均配備有錨浮標(biāo)，保證錨浮標(biāo)有足夠的浮力保持在水面上漂浮，并具有醒目的標(biāo)志提醒過(guò)往船舶錨浮標(biāo)位置。再就是要保證錨浮標(biāo)的系纜繩有足夠的抗拉強(qiáng)度及長(zhǎng)度。錨位標(biāo)識(shí)在白天使用醒目顏色的彩旗標(biāo)志，夜間使用燈浮標(biāo)，指示過(guò)往船只注意纜繩位置進(jìn)行避讓。

3.2 鑿巖錘的連接

鑿巖錘因其特殊的作業(yè)方式須采用具備足夠強(qiáng)度的連接方式進(jìn)行牢固連接。首先用帶有可旋轉(zhuǎn)接頭的錨鏈將副吊和鑿巖錘主鋼絲繩進(jìn)行連接，隨后主鋼絲繩從鑿巖錘的主孔穿過(guò)并與錨鏈的另一端進(jìn)行連接，主鋼絲繩和錨鏈之間采用卸扣進(jìn)行對(duì)接。為了保證鑿巖錘在作業(yè)過(guò)程中的安全，另使用一根鋼絲繩進(jìn)行輔助保險(xiǎn)，鋼絲繩的其中一頭固定在鑿巖錘的保險(xiǎn)孔中，另一頭固定在抓斗船上使之于船體直接進(jìn)行連接，以確保鑿巖錘作業(yè)時(shí)的安全。

注：①連接鑿巖錘的鋼絲繩、卸扣等部件對(duì)材料質(zhì)量的要求極高，選用時(shí)需要充分考慮其材料的抗拉強(qiáng)度，避免在作業(yè)期間因部件損壞導(dǎo)致頻繁更換鋼絲繩而影響正常施工；②卸扣上的固定螺栓在作業(yè)前須全部進(jìn)行滿焊焊接，防止螺栓在鑿巖錘沖擊作業(yè)時(shí)中因沖擊產(chǎn)生的震動(dòng)導(dǎo)致松動(dòng)掉落，影響安全生產(chǎn)施工。

3.3 鑿巖流程

沖擊錘鑿巖的施工程序主要為：①施工船定位；②覆蓋層清理；③鑿巖；④清渣；⑤鑿硬點(diǎn)；⑥再清渣；

在完成一個(gè)完整的施工程序后按流程進(jìn)行循環(huán)施工，直至完成全部施工作業(yè)任務(wù)。

3.3.1 施工船定位

（1）鑿巖時(shí)的船舶定位方式與開(kāi)展清渣作業(yè)時(shí)的定位方式一樣，結(jié)合錨位布置圖與GPS 設(shè)備將船錨拋至指定位置，利用定位系統(tǒng)進(jìn)行船位的精確定位；

（2）根據(jù)施工區(qū)域地質(zhì)資料結(jié)合施工船工作能力，制定鑿巖布點(diǎn)，根據(jù)鑿巖區(qū)域長(zhǎng)度按6m 的長(zhǎng)度進(jìn)行分排，每排按照鑿巖區(qū)域?qū)挾让?m 確定一個(gè)鑿巖點(diǎn)。每個(gè)鑿巖點(diǎn)鑿擊至設(shè)計(jì)深度（無(wú)論鑿擊多少次），下錘高度為初始巖面+水面至沖擊錘高度10m，初始水面至沖擊錘高度隨初始巖面的增高而相對(duì)提高，盡量控制下錘高度為20m 左右，排與排之間采用梅花型的布點(diǎn)方式進(jìn)行布置；

圖2 鑿擊點(diǎn)布點(diǎn)示意圖

3.4 鑿巖

3.4.1 鑿巖操作

（1）所有組裝工作完成后，吊機(jī)手操作吊機(jī)將沖擊錘緩緩起吊，待鋼絲繩全部拉緊檢查無(wú)誤后，吊機(jī)臂趴至70°左右，將沖擊錘放置在水面調(diào)零；

（2）利用抓斗吊機(jī)的沉挖系統(tǒng)配合制動(dòng)裝置控制鑿巖棒進(jìn)行自由落體，該部分操作由吊機(jī)操作人員自行控制，并在施工期間進(jìn)行多次從不同高度往下的沖擊。經(jīng)過(guò)研究從14m 高位置（初始巖面+水面至沖擊錘高度5m，初始水面至沖擊錘高度隨初始巖面的增高而相對(duì)提高，盡量控制下錘高度為14m-15m 之間）往下沖擊效果較好，并且能使設(shè)備的損耗程度降至最低。

3.4.2 鑿巖沖擊能計(jì)算

假設(shè)沖擊錘鑿巖時(shí)從巖層上20m 處自由落下撞擊巖石的動(dòng)能通過(guò)公式E=mgh 進(jìn)行計(jì)算。

式中：E—沖擊錘自由落體撞擊巖石的動(dòng)能J；m—物體的重量kg，這里指沖擊錘，暫定為35噸；g—重力加速度9.8m/s2；h—沖擊錘的落高m；E=35000×9.8×20=6860000J；

1m3空氣的壓力為0.1MPa的能量為P×V=100000×1=10萬(wàn)焦耳。因此，686 萬(wàn)焦耳能量可以產(chǎn)生6.86MPa 的壓力，即沖擊錘從20m 落下撞擊巖石產(chǎn)生的壓力為6.86MPa。

3.4.3 鑿巖和爆破的能量關(guān)系

1kgTNT 炸藥爆破產(chǎn)生的能量為419 萬(wàn)焦耳，35 噸重沖擊錘從20m 處落下撞擊巖石產(chǎn)生的能量為686 萬(wàn)焦耳相當(dāng)于1.64kgTNT 炸藥爆破產(chǎn)生的能量。

所以本項(xiàng)目鑿巖作業(yè)使用的35t 沖擊錘從20m 高度落下的撞擊作用力和1.64kgTNT 炸藥的爆炸的作用力基本相同。

3.4.4 清渣

因鑿巖區(qū)域施工條件較差，耙吸船無(wú)法進(jìn)行清渣。因此在本項(xiàng)目作業(yè)期間由抓斗船將吊機(jī)上的沖擊錘更換成挖泥抓斗后對(duì)已完成鑿巖作業(yè)的區(qū)域按照航道設(shè)計(jì)要求進(jìn)行清渣工作。在清渣的過(guò)程中同時(shí)觀察挖起的破碎礁石的狀況判斷當(dāng)前鑿巖效果，并結(jié)合清渣完成后的測(cè)量結(jié)果及時(shí)安排下一階段的鑿巖施工任務(wù)并對(duì)鑿巖期間的各項(xiàng)設(shè)備參數(shù)做出相應(yīng)的調(diào)整；清渣完成后清理掉的石渣由泥駁運(yùn)輸并拋至項(xiàng)目指定的拋泥區(qū)域。

4 施工效果

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)多波束掃測(cè)結(jié)果顯示，利用鑿巖錘配合抓斗船清礁效果較好，水深也達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，進(jìn)度和質(zhì)量均滿足各方要求；同時(shí)設(shè)備投入的減少，也使成本得到較好得控制；環(huán)境保護(hù)方面，鑿巖施工不僅滿足航道正常通航的條件，也很大程度上降低了對(duì)海洋生物和環(huán)境的影響，獲得了良好的社會(huì)效益。

5 結(jié)語(yǔ)

航道疏浚施工過(guò)程中的硬點(diǎn)和硬質(zhì)土層等問(wèn)題，不能單一、機(jī)械地套用某種施工工法，環(huán)境因素、現(xiàn)場(chǎng)條件、進(jìn)度要求等均需統(tǒng)籌考慮，將多種施工方案進(jìn)行比對(duì)，確定適合工程本身的工法。鑿巖施工憑借其投入低、施工方便、安全環(huán)保等特點(diǎn)已成功躋身為疏浚施工中不可缺少的清礁工法之一，值得在類(lèi)似的工程問(wèn)題上進(jìn)行采用并推廣。