一種水下破碎礁石施工技術(shù)

肖建國

（廣西新港灣工程有限公司，廣西南寧，580200）

引言

很多航道與港口項(xiàng)目在毗鄰建筑物附近施工時(shí)，如何安全、高效、經(jīng)濟(jì)地清除毗鄰建筑物附近的礁石，成為項(xiàng)目施工技術(shù)的難題。水下爆破[1]不可避免的產(chǎn)生水中沖擊波、水下爆破地震、其他效應(yīng)，對(duì)毗鄰建（構(gòu)）筑物及附近設(shè)施安全造成影響；鑿巖棒[2]、液壓破碎錘[3]工藝從外部對(duì)礁石施加超過巖石抗壓強(qiáng)度的沖擊荷載使巖石破碎，需要大量能耗，在流速大、水位陡漲陡落的施工區(qū)，鑿巖棒下落時(shí)易走位，錘體容易碰撞、沖擊毗鄰建筑；液壓破碎錘在水中鑿巖時(shí)也容易突然滑動(dòng)走位，安全不可控，因此，需要研究一種新的施工技術(shù)。

本文受高路塹機(jī)械劈裂和破碎硬質(zhì)巖石技術(shù)研究[4]的啟發(fā)，結(jié)合西南水運(yùn)出海通道工程（曹渡河口至橋鞏段）的情況，研發(fā)一種沒有振動(dòng)或振動(dòng)很小、能夠與鉆機(jī)船配合完成水下破碎礁石的技術(shù)。

1 項(xiàng)目概述

西南水運(yùn)出海通道工程（曹渡河口至橋鞏段），上起貴州曹渡河口下至廣西來賓橋鞏電站，航道全長450.2 km，IV 級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)，通航500 t 級(jí)船舶，設(shè)計(jì)航道尺度為2.5 m×50 m×330 m（水深×寬度×彎曲半徑），其中有龍灘大橋、六排一橋等十余座橋區(qū)航道整治，航道邊線幾乎是貼著橋墩而過，橋區(qū)航道受電站影響水位陡漲陡落，流速較大，施工難度大，前期采用爆破、鑿巖棒、液壓沖擊錘進(jìn)行試驗(yàn)施工，橋梁管理單位認(rèn)為這些方法振動(dòng)較大、碰撞橋墩，安全隱患大，不容許施工。橋墩破碎區(qū)平面布置如圖1。

圖1 工程布置示意圖

根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備，研究了項(xiàng)目地質(zhì)，巖石的抗壓強(qiáng)度[5]很高,一般在10～360 MPa，而單軸抗拉強(qiáng)度只是其抗壓強(qiáng)度的1/8～1/12，一般在0.6～11.8 MPa，因此提出了在鉆機(jī)船鉆孔內(nèi)安裝液壓裝置代替炸藥藥柱的辦法。分析陸上液壓破碎系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[6-7]，設(shè)計(jì)適合水下鉆機(jī)船的液壓柱結(jié)構(gòu)[8-9]。

2 液壓柱破碎礁石技術(shù)原理

格里菲斯（A.A.Griffith）在研究脆性材料過程中發(fā)現(xiàn)，在該類材料內(nèi)部存在著許多微裂紋。在外力作用下，正是這些微裂紋的存在，改變了材料內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)，產(chǎn)生裂紋的擴(kuò)展、連接、貫通等現(xiàn)象，最終導(dǎo)致了材料的破壞。格里菲斯強(qiáng)度理論從理論上解釋了巖石內(nèi)部裂紋擴(kuò)展等現(xiàn)象，通過該理論計(jì)算及相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，一般巖石的單軸抗拉強(qiáng)度只是其抗壓強(qiáng)度的1/8～1/12，“拉”斷巖石比“壓”斷巖石更容易，所需的外部荷載也小很多。

針對(duì)巖石抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于抗壓強(qiáng)度特性，形成通過鉆機(jī)船鉆孔施工，安裝液壓柱，液壓推動(dòng)活塞組由巖石內(nèi)部向外膨脹做功，由內(nèi)部破壞巖石結(jié)構(gòu)的研究思路。

3 液壓柱系統(tǒng)選擇與設(shè)計(jì)

3.1 液壓泵最大工作壓力選擇

參考徐灝《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》[9]并根據(jù)鉆機(jī)船鉆孔設(shè)備，液壓柱系統(tǒng)液壓泵最大工作壓力選擇，液壓泵主要參數(shù)有最大工作壓力、流量。最大工作壓力依據(jù)巖石的極限抗拉強(qiáng)度σ 抗拉乘上2 倍安全系數(shù)選擇，液壓泵最大工作壓力P 與液壓泵執(zhí)行元件最大工作壓力P1、液壓泵至執(zhí)行元件間總的管路損失P2及巖石的極限抗拉強(qiáng)度關(guān)系如公式（1）所示：

式中：

P-液壓泵最大工作壓力，MPa；

P1-液壓泵執(zhí)行元件最大工作壓力，MPa；

P2-液壓泵至執(zhí)行元件間總的管路損失，MPa；

σ抗拉-巖石的極限抗拉強(qiáng)度，MPa。

3.2 液壓泵的流量選擇

液壓柱伸縮破裂巖石的時(shí)間為T，液壓缸工作時(shí)從活塞全部伸出至活塞全部收回所變化的總體積V，即破裂巖石工作時(shí)間中的總耗油量，系統(tǒng)損耗系數(shù)K，液壓泵的流量Q，關(guān)系式如公式（2）所示：

式中：

Q-液壓泵的流量，L/min；

V-液壓柱活塞全部伸出至活塞全部收回所變化的總體積，L；

K-系統(tǒng)損耗系數(shù)，一般取1.2；

T-破裂巖石的時(shí)間，min；

根據(jù)P 和Q 值，結(jié)合液壓泵產(chǎn)品的特性，選用相應(yīng)液壓油泵為液壓柱提供動(dòng)力。

3.3 液壓柱油缸設(shè)計(jì)

液壓油缸是液壓柱的執(zhí)行部件，將液壓能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)活塞桿塊組件做功，液壓油缸缸筒厚度設(shè)計(jì)應(yīng)在確保強(qiáng)度要求的前提下，要求重量輕，操作簡(jiǎn)單，易于組裝。液壓油缸缸筒厚度公式如公式（3）所示：

式中：

δ—液壓缸缸筒厚度，m；

PY—試驗(yàn)壓力，MPa；

d—液壓缸內(nèi)徑，m；

[σ]—缸體材料的允許應(yīng)力，[σ]=σb/n，σb—缸體材料抗拉強(qiáng)度，n —安全系數(shù)，一般取 n=4。

3.4 液壓柱結(jié)構(gòu)

水下液壓柱系統(tǒng)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)（電動(dòng)機(jī)）、液壓泵、高壓油管、液壓柱組成，液壓柱由模塊化液壓缸及活塞構(gòu)成。以三向液壓柱為例，其結(jié)構(gòu)組成如圖2 所示。

圖2 液壓柱結(jié)構(gòu)原理示意圖

3.5 液壓柱系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

依據(jù)鉆機(jī)鉆孔直徑及工況，液壓柱系統(tǒng)主要參數(shù)如表1 所示：

表1 液壓柱系統(tǒng)主要參數(shù)表

采購電動(dòng)機(jī)、液壓泵、閥件、管路配件與液壓柱組成液壓柱破碎系統(tǒng)。研發(fā)的一向、二向、三向、四向、六向液壓柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖，與液壓件生產(chǎn)廠家合作生產(chǎn)了液壓柱，經(jīng)過試驗(yàn)不斷改進(jìn)，使之滿足施工的要求。

4 施工工藝流程

綜上所述，水下液壓破裂礁石施工工藝流程圖如圖3。

圖3 施工工藝流程圖

5 主要技術(shù)參數(shù)

5.1 孔徑及液壓柱直徑

由鉆孔設(shè)備的性能確定孔徑，水下鉆孔設(shè)備主要是 100 型及 150 型鉆機(jī)，一般配備 115 mm 和165 mm 鉆頭，鉆孔孔徑為 120 mm 或170 mm，則液壓柱直徑為110 mm 或160 mm。

5.2 孔距

孔距由清碴設(shè)備、巖石性質(zhì)、鉆孔等參數(shù)確定。孔距與孔徑關(guān)系如經(jīng)驗(yàn)公式（4）[10]所示：

式中:

a——孔距，mm；

d——孔徑，mm；

k——破碎系數(shù)，參考靜態(tài)破裂技術(shù)[10]，試驗(yàn)后根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整使用，標(biāo)準(zhǔn)值見表2。

表2 巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度

5.3 排距

排距是兩排孔之間的距離b，排距與孔距的關(guān)系如公式（5）所示：

式中：

b——排距，mm；

a——孔距，mm；

孔距、排距越小，巖石越容易開裂，破碎所需要的時(shí)間也越短。但孔距、排距過小，孔數(shù)多，鉆孔工作量大，施工效率低，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定最佳孔距、排距，當(dāng)孔距固定時(shí)，通過試驗(yàn)調(diào)整排距以獲得滿意的破碎效果。

5.4 液壓柱類型

依挖泥船斗容、斗重以及鉆機(jī)船鉆孔孔徑、礁石硬度制作或選擇液壓柱，一般選擇一向液壓柱或兩向液壓柱進(jìn)行破裂施工，但在邊坡段用三向液壓柱，其效果較好。

5.5 鉆孔深度與液壓柱長度

鉆孔深度由被破碎體的厚度決定，礁石較厚時(shí)分層破碎，一般2～3 m 為一層，鉆孔超深一般為0～20 cm，液壓柱長度一般占孔深的 70～90 %，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)確定。

5.6 液壓柱安裝

孔深、孔壁檢驗(yàn)合格后，操作鉆架上的電動(dòng)卷揚(yáng)機(jī)，吊起液壓柱，推送液壓柱至套管口，沿著套管緩慢放下，同時(shí)理順兩根液壓油管，使液壓柱按既定方向緩慢裝入孔內(nèi)。根據(jù)卷揚(yáng)機(jī)纜繩上的刻度標(biāo)記，確定液壓柱安裝的標(biāo)高，確保液壓柱安裝到位。

5.7 清碴

液壓破碎施工完成一定工作量后，安排挖泥船進(jìn)場(chǎng)開挖，檢驗(yàn)破碎效果。根據(jù)開挖情況調(diào)整破碎參數(shù)。清碴設(shè)備一般采用反鏟挖泥船或抓斗挖泥船開挖。當(dāng)挖泥船開挖比較困難、塊度較大時(shí)，應(yīng)適當(dāng)縮小鉆機(jī)船的鉆孔排距；當(dāng)挖泥船開挖比較容易、塊度較小時(shí)，可適當(dāng)加大鉆機(jī)船的鉆孔排距，以便提高挖泥船、鉆機(jī)船的施工效率。

6 技術(shù)特點(diǎn)

1）施工時(shí)對(duì)周圍建筑物、水中魚類無影響。液壓柱破碎是在液壓靜力作用下的施工方法，即使毗鄰橋墩施工，都不會(huì)影響橋墩安全。

2）該技術(shù)安全環(huán)保、節(jié)能降耗。破碎礁石時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生震動(dòng)、沖擊、廢氣、粉塵飛屑等影響周圍環(huán)境的有害效應(yīng)，施工對(duì)水中生物、建筑物無影響，不存在使用爆炸物品所具有的安全風(fēng)險(xiǎn)，液壓柱及系統(tǒng)體重復(fù)使用，消耗的液壓油很少。

3）該技術(shù)具有操作簡(jiǎn)便、工效高、效果好等特點(diǎn)。液壓柱具有體積小、重量適中、操作方便、破碎力巨大、破碎礁石時(shí)間短、破碎速度快、破碎的石塊可事先預(yù)設(shè)、清挖效率高等特點(diǎn)。在環(huán)境復(fù)雜條件下使用該技術(shù)對(duì)項(xiàng)目的推進(jìn)具有建設(shè)性的意義。

4）該技術(shù)可以預(yù)先精確的控制破碎方向、破碎范圍、破碎塊體形狀、尺寸大小，精確的控制保護(hù)部分輪廓、形狀，并使輪廓坡面、底面平整、穩(wěn)定，其他施工方法無法比擬。

7 結(jié)語

與其他施工工藝相比，該技術(shù)安全性高，沒有運(yùn)輸、儲(chǔ)存、使用爆炸物品的安全風(fēng)險(xiǎn)，沒有起吊十幾至幾十噸鑿巖棒存在的安全風(fēng)險(xiǎn)，施工安全具有本質(zhì)性的提升，社會(huì)效益顯著。采用該技術(shù)杜絕了振動(dòng)、沖擊波等有害效應(yīng)，施工不會(huì)對(duì)周邊人群、建筑物造成不良反應(yīng)。具體施工過程中還應(yīng)注意如下問題：

1）液壓柱重復(fù)使用的頻次，取決于所用材質(zhì)，需采用進(jìn)口優(yōu)質(zhì)材料加工制作液壓柱。

2）自由面、密集空孔對(duì)破碎效果影響較大，應(yīng)選擇好自由面的方向和制作好密集空孔。

3）鉆孔質(zhì)量對(duì)液壓柱安裝影響較大，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)鉆孔質(zhì)量的檢查。