吳松華，許根苗

（中交水利水電建設(shè)有限公司，浙江 寧波 315200）

0 引言

在港池和航道的疏浚過程中，經(jīng)常會遇到比較硬的土類甚至是風(fēng)化巖，對設(shè)備的破土能力要求較高，常用的機(jī)械設(shè)備有：耙吸船[1]、絞吸船[2]、爆破船結(jié)合大型抓斗船[3]等。

在某些特定疏浚工況下，遇到非常硬的硬土層和風(fēng)化巖石層（風(fēng)化巖標(biāo)貫擊數(shù)最高達(dá)到50 擊），巖層非常薄，大部分層厚只有幾十厘米，工程量非常少。由于硬度太高，使用耙吸船、抓斗船等設(shè)備均無法清除；使用大型絞吸船的調(diào)遣費用太高，接、拆管線耗費的人力、物力太大，耗費時間太長；使用水下炸礁工藝，施工對周邊環(huán)境影響較大，施工成本高。因此需要選擇合適的施工設(shè)備，確保疏浚過程中巖石的有效開挖，達(dá)到高效率、低成本的目的。

反鏟挖泥船具有經(jīng)濟(jì)、快捷、安全系數(shù)高、適用性廣[5]等優(yōu)點，在底泥疏浚工程中發(fā)揮了一定的輔助作用[4]。通過優(yōu)化施工工藝，還可以在限制工況下開挖硬質(zhì)巖石[5-7]。因此，重點研究此類工況下反鏟挖泥船開挖風(fēng)化巖的情況。

欽州港三墩作業(yè)區(qū)通航水域（航道）整治工程場地內(nèi)下伏基巖依次為粉砂泥質(zhì)結(jié)構(gòu)、泥質(zhì)粉砂結(jié)構(gòu)、砂狀結(jié)構(gòu)，厚度約20～30 cm。根據(jù)風(fēng)化程度不同，可分為全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化及中風(fēng)化3 層：強(qiáng)風(fēng)化巖巖石抗壓強(qiáng)度0.5～2 MPa；中風(fēng)化巖分為粉砂質(zhì)泥巖層、泥質(zhì)粉砂巖層、砂巖層，巖石平均飽和抗壓強(qiáng)度分別為1.5 MPa、3 MPa、20 MPa。風(fēng)化巖區(qū)域面積約8.2 萬m2，平均厚度約26 cm，工程量約5.7 萬m3，其中11 級、12 級強(qiáng)風(fēng)化巖3萬m3，13 級中風(fēng)化巖2.7 萬m3。由于巖層硬度較高、厚度薄、工程量少，為了有效開挖風(fēng)化巖，避免產(chǎn)生較大廢方，控制成本，同時還能有較高的施工效率，確保工程進(jìn)度，在施工過程中開展了較薄層風(fēng)化巖疏浚施工關(guān)鍵工藝研究，重點探討反鏟挖泥船開挖薄層風(fēng)化巖的效果及適用性。

1 工藝原理及施工設(shè)備

反鏟挖泥船是一種在海上輪船或駁船基礎(chǔ)上加裝了大型反鏟機(jī)和兩根定位樁的疏浚工程船，施工時使用定位樁打入泥土進(jìn)行船位固定。鏟斗入水開挖時，船體會受到強(qiáng)大的向前的反作用力，此時依靠固定在土里的定位樁來抵消因鏟斗開挖承受的反作用力，反鏟挖泥船鏟斗通常能夠移動比陸用挖掘機(jī)大很多倍的物質(zhì)。

對于強(qiáng)風(fēng)化巖，反鏟挖泥船將全部功率集中在鏟斗上尚可開挖，但是面對強(qiáng)度較高的中風(fēng)化巖，反鏟挖泥船的巖石開挖能力也是有限的，應(yīng)用于本工程中仍需要很大的改進(jìn)。因此，對所選用的反鏟挖泥船進(jìn)行了自主改造[8]（圖1），并研發(fā)了一種反鏟挖泥船用的破石器[9]（圖2），可以提高反鏟挖泥船的挖掘能力。反鏟挖泥船配備有2 根定位鋼樁和2 只錨，鋼樁長度19 m，設(shè)置在船體中部兩側(cè)，錨位于船體尾部兩側(cè)。破石器長190 cm，連接部位高110 cm。

圖1 反鏟挖泥船F(xiàn)ig.1 Backhoe dredger

圖2 鉤狀破石器Fig.2 Hook shaped stone breaker

風(fēng)化巖具有經(jīng)過海水浸泡后會變得松散易碎的特性，采用自主研發(fā)的鉤狀破石器預(yù)先進(jìn)行勾劃破碎，破壞巖體的結(jié)構(gòu)構(gòu)造，增加巖石裂隙發(fā)育，使得巖石與海水充分接觸浸泡，增大巖體含水率，巖石力學(xué)性質(zhì)隨之降低，便于反鏟挖泥船開挖時獲得較好的切入角，降低開挖難度，逐層對硬質(zhì)風(fēng)化巖進(jìn)行剝離施工。

采用的主要疏浚設(shè)備為反鏟挖泥船、泥駁、錨艇等（表1）。根據(jù)反鏟挖泥船施工效率、泥駁倉容確定裝駁時間，再根據(jù)泥駁在施工區(qū)和拋泥區(qū)往返時間確定泥駁數(shù)量，提高使用效率。

表1 主要施工設(shè)備情況表Table 1 Main construction equipment

2 施工工藝及操作要點

反鏟挖泥船開挖作業(yè)時，通過控制機(jī)臂及斗柄將鏟斗伸入水中，液壓驅(qū)動斗柄推進(jìn)，使鏟斗處于開挖位置，接著將鏟斗提升至水面適當(dāng)高度后，將疏浚物卸入泥駁。在挖巖時，選擇最佳的鏟斗入土角度，保證切削角度小于45°，以防止損傷鏟斗，充分利用反鏟機(jī)的優(yōu)勢，將大臂、小臂和鏟斗的液壓缸壓力全部集中到鏟斗上，使挖掘力達(dá)到最大。

2.1 施工準(zhǔn)備

1）根據(jù)設(shè)計圖紙和測量基礎(chǔ)資料，校核平面坐標(biāo)系、平面控制點、深度/高程基準(zhǔn)面、高程控制點成果資料等，確保所有測量資料完整無誤，并以書面形式報監(jiān)理，在得到監(jiān)理工程師認(rèn)可后方可使用。

2）在施工區(qū)附近設(shè)置潮位觀測站，位置選在受潮流影響較小的位置，并在反鏟挖泥船上安裝自動潮位遙報儀，在使用過程中，定期對潮位站進(jìn)行校核。

3）在反鏟挖泥船機(jī)械臂上標(biāo)注深度標(biāo)記，控制挖深。

2.2 反鏟挖泥船定位

1）采用DGPS 進(jìn)行施工船舶定位，在施工導(dǎo)航軟件方面，使用目前疏浚行業(yè)較為成熟的中海達(dá)測量軟件，在施工前設(shè)置好施工任務(wù)。

2） 反鏟挖泥船采用鋼樁和錨纜進(jìn)行船位固定，定位鋼樁可以保證船舶在水深14 m 以內(nèi)的水域進(jìn)行施工作業(yè)，有效開挖深度12.5 m。

3）船位移動時，放下反鏟機(jī)械臂固定位置，升起定位鋼樁，絞車逐漸收錨纜，船位退約2 m到達(dá)位置后放下定位鋼樁。移錨時需錨艇輔助作業(yè)，每次移錨可以滿足50 m 的作業(yè)距離。

2.3 覆蓋層清理

利用反鏟挖泥船先清除表面的淤泥覆蓋層，對于表層巖石抗壓強(qiáng)度在0.5～2 MPa 之間的全風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化巖層，反鏟挖泥船也可直接清除。

2.4 破石器碎石

1）遇到較硬的土質(zhì)時，比如中風(fēng)化巖，巖石抗壓強(qiáng)度達(dá)到20 MPa，反鏟挖泥船直接開挖較為困難。此時，先使用自主研發(fā)的鉤狀破石器進(jìn)行勾劃破碎，勾劃時采用十字交叉的方式進(jìn)行。

2）破石器上有一個與反鏟動臂的連接部位，使用耐磨鋼焊接一個用于破石的彎鉤，彎鉤一端粗實一端尖細(xì)，尖細(xì)端套一個高強(qiáng)度鋼焊成的齒套（見圖2），用插銷進(jìn)行牢固，卸下反鏟鏟斗，將破石器直接安裝在反鏟鏟斗位置使用。

3）施工過程中可以提前預(yù)制好若干齒套，一旦有破損，可以快速更換新的齒套，以此保護(hù)彎鉤，節(jié)約成本，提高船舶時間利用率。

4）破石器對風(fēng)化巖區(qū)域進(jìn)行勾劃破碎后，需相隔數(shù)天待巖層經(jīng)過海水充分浸泡后再進(jìn)行反鏟挖泥船開挖。

2.5 反鏟挖泥船開挖風(fēng)化巖

1）合理確定分條寬度和分段長度。分條寬度應(yīng)該滿足反鏟挖泥船和泥駁?？克枰乃蛞螅紤]泥駁靠泊后的影響及開挖過程中受風(fēng)浪等影響船位小幅變化，同時為了保證條與條之間的搭接，一般小于船舶寬度，實際施工過程中采用11 m 的分條寬度，條與條之間重疊2 m，避免出現(xiàn)漏挖。因為風(fēng)化巖巖層整體較薄，在施工過程中未進(jìn)行分層開挖。

2）挖深控制。施工作業(yè)時，操作人員應(yīng)嚴(yán)格掌握水位變化，根據(jù)機(jī)械臂標(biāo)記及時調(diào)整下斗深度，防止出現(xiàn)淺點或深坑。

3）后退法開挖。施工過程中，反鏟挖泥船下樁位置無論是在大面積的巖床或硬質(zhì)土層，還是小范圍的巖石淺點，駐點原則都是將反鏟挖泥船定在水深較深、坡度較陡的鏟斗能夠開挖的位置，以便由深到淺倒退開挖，這樣更加符合反鏟挖泥船的動力機(jī)理。

2.6 掃淺施工

風(fēng)化巖疏浚完成后，進(jìn)行水深測量，對不滿足挖深的巖石區(qū)域進(jìn)行掃淺施工。

3 經(jīng)濟(jì)效益分析

施工效率和船舶租金是影響成本的重要因素，從表2 可以看出，反鏟挖泥船結(jié)合破石器的施工效率是重型抓斗船的1.6 倍，油耗減少3 t/d；相比于鉆孔船水下清礁效率提高了500 m3/d，縮短了施工時間，施工成本減少了123 萬元/月。

表2 經(jīng)濟(jì)效益對比Table 2 Comparison of economic benefits

在類似工況下，相比于使用炸礁工藝，反鏟挖泥船聯(lián)合破石器的施工工藝具有很大的競爭優(yōu)勢，適用于開挖巖層厚度薄，工程量少，巖體飽和抗壓強(qiáng)度不超過20 MPa 的水下強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化巖層。

4 結(jié)語

針對硬度較高、厚度薄、工程量少的水下風(fēng)化巖層，采用自主改造和研發(fā)的反鏟挖泥船結(jié)合鉤狀破石器作為疏浚設(shè)備，利用破石器對巖石進(jìn)行預(yù)先破碎，然后再進(jìn)行反鏟挖泥船開挖施工，效率高，成本低，施工效果優(yōu)良。

1）采用反鏟挖泥船進(jìn)行薄層風(fēng)化巖開挖可降低施工成本，能夠最大程度減少爆破施工對周圍環(huán)境的影響。

2）采用自主研發(fā)的鉤狀破石器對巖體進(jìn)行預(yù)處理，能夠明顯提高反鏟挖泥船的挖掘能力，提高施工效率。