武鵬，李祥，張潤發(fā)，曹志遠(yuǎn)

（長江南京航道工程局，江蘇 南京 524002）

相對于內(nèi)河整治工程中常見爆破炸礁方式清除航道硬點(diǎn)，近年來，中國水運(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 萬噸級航道改擴(kuò)建工程Ⅱ標(biāo)段項目在后期施工階段清除鐵質(zhì)膠結(jié)巖的實例，對鑿巖施工進(jìn)行相關(guān)介紹。

1 工程案例

1.1 工程背景

湛江港30 萬噸級航道改擴(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)計通航寬度為340m（其中會船區(qū)設(shè)計通航寬度為510m），設(shè)計底標(biāo)高分施工區(qū)段為-23.0m～-23.9m，設(shè)計邊坡1:5～1:6。在施工期間通過現(xiàn)場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法進(jìn)行清除。

1.2 地勘結(jié)果

根據(jù)湛江港30 萬噸級航道改擴(kuò)建工程Ⅱ標(biāo)段施工過程中針對疑似礁石區(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)巖及類似鐵板砂狀土質(zhì)；區(qū)域1 最小水深21.0m，面積約11182 m2（長142.2m、寬78.8m）。

圖1 鉆探取樣土質(zhì)

2 施工方案

2.1 方案對比

（1）耙吸船清礁：本方案靈活程度高，對通航影響程度?。槐竟こ套畛醪捎冒翌^重量為30 噸大型耙吸船對硬質(zhì)土層進(jìn)行試挖，根據(jù)工后測圖顯示，耙吸船對該土質(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、同時對礁巖的預(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（為我國一級保護(hù)動物“白海豚”棲息地），同時該礁石所在區(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產(chǎn)生的沖擊及地震波即會對過往船只和施工海域附近海洋生物產(chǎn)生極大影響，也在一定程度上會增加邊坡坍塌的風(fēng)險；同時爆破前所需的防護(hù)措施以及爆破所需的船機(jī)投入，也會導(dǎo)致施工成本增加、工期相對延長。

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

2.2 方案確定

我國大部分沿海地區(qū)疏浚項目中進(jìn)行礁石預(yù)處理時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)備對預(yù)處理后的殘骸進(jìn)行清除。但是本項目所在的施工區(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對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)場已有抓斗船換裝沖擊錘開展沖擊錘鑿巖施工操作簡便，可減少設(shè)備投入成本，更符合國家對環(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孔位準(zhǔn)確，進(jìn)行鑿巖作業(yè)的抓斗船在作業(yè)時必須進(jìn)行錨固同時不產(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，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)時的抗漂移能力(在此期間需同時考慮到大風(fēng)與流速產(chǎn)生的合力的方向是變化的情況)。在本項目投入的抓斗船配備的錨繩為直徑36mm 的鋼絲繩，單根長度約為100m，同時也配備了一艘錨艇協(xié)助抓斗船開展拋錨和起錨的工作。

施工船舶在鑿巖作業(yè)過程中采用GPS 實時差分系統(tǒng)進(jìn)行定位，根據(jù)施工圖紙中的設(shè)計坐標(biāo)、船舶配備的錨繩長度、施工點(diǎn)位水深及預(yù)拋方向，首先計算出布錨時的錨位坐標(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)測下進(jìn)行絞錨，降船舶錨位移動至指定位置，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)度及長度。錨位標(biāo)識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)行對接。為了保證鑿巖錘在作業(yè)過程中的安全，另使用一根鋼絲繩進(jìn)行輔助保險，鋼絲繩的其中一頭固定在鑿巖錘的保險孔中，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)時的安全。

注：①連接鑿巖錘的鋼絲繩、卸扣等部件對材料質(zhì)量的要求極高，選用時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)時中因沖擊產(chǎn)生的震動導(dǎo)致松動掉落，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）鑿巖時的船舶定位方式與開展清渣作業(yè)時的定位方式一樣，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)域長度按6m 的長度進(jìn)行分排，每排按照鑿巖區(qū)域?qū)挾让?m 確定一個鑿巖點(diǎn)。每個鑿巖點(diǎn)鑿擊至設(shè)計深度（無論鑿擊多少次），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 鑿巖沖擊能計算

假設(shè)沖擊錘鑿巖時從巖層上20m 處自由落下撞擊巖石的動能通過公式E=mgh 進(jìn)行計算。

式中：E—沖擊錘自由落體撞擊巖石的動能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=10萬焦耳。因此，686 萬焦耳能量可以產(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 萬焦耳相當(dāng)于1.64kgTNT 炸藥爆破產(chǎn)生的能量。

所以本項目鑿巖作業(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，耙吸船無法進(jìn)行清渣。因此在本項目作業(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已完成鑿巖作業(yè)的區(qū)域按照航道設(shè)計要求進(jìn)行清渣工作。在清渣的過程中同時觀察挖起的破碎礁石的狀況判斷當(dāng)前鑿巖效果，并結(jié)合清渣完成后的測量結(jié)果及時安排下一階段的鑿巖施工任務(wù)并對鑿巖期間的各項設(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)輸并拋至項目指定的拋泥區(qū)域。

4 施工效果

根據(jù)現(xiàn)場多波束掃測結(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)計要求，進(jìn)度和質(zhì)量均滿足各方要求；同時設(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海洋生物和環(huán)境的影響，獲得了良好的社會效益。

5 結(jié)語

航道疏浚施工過程中的硬點(diǎn)和硬質(zhì)土層等問題，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，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，值得在類似的工程問題上進(jìn)行采用并推廣。