鑿巖棒施工在疏浚工程中的應用

武鵬，李祥，張潤發，曹志遠

（長江南京航道工程局，江蘇 南京 524002）

相對于內河整治工程中常見爆破炸礁方式清除航道硬點，近年來，中國水運事業蓬勃發展，船舶規模趨于大型化，為適應大型船舶進出港的相關要求，沿海港口進出港航道尺寸需進一步加寬加深。由于航道尺度的增加，在深層土質中遇到硬點或硬質巖層的可能性也大大增加，嚴重影響航道在后期掃淺施工階段的效率，因此，如何清除硬點成為后期施工成本、進度管控的重點。本文根據湛江港30 萬噸級航道改擴建工程Ⅱ標段項目在后期施工階段清除鐵質膠結巖的實例，對鑿巖施工進行相關介紹。

1 工程案例

1.1 工程背景

湛江港30 萬噸級航道改擴建工程Ⅱ標段施工范圍為龍騰航道外段K36+200～南三島西航道K53+000 區段的航道疏浚工程，設計通航寬度為340m（其中會船區設計通航寬度為510m），設計底標高分施工區段為-23.0m～-23.9m，設計邊坡1:5～1:6。在施工期間通過現場反饋在航道外段存在一處疑似礁石區域，投入施工的各施工船舶均無法進行清除。

1.2 地勘結果

根據湛江港30 萬噸級航道改擴建工程Ⅱ標段施工過程中針對疑似礁石區域的鉆探取樣結果顯示，斷面K39+200(區域1：29 號浮標西南方向0.45km、航道內北側)存在鐵質膠結巖及類似鐵板砂狀土質；區域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

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，對通航影響程度小；本工程最初采用耙頭重量為30 噸大型耙吸船對硬質土層進行試挖，根據工后測圖顯示，耙吸船對該土質施工效果較差，高額的成本與施工進度不相匹配。

（2）爆破炸礁：采用爆破炸礁的方式進行清除巖石施工效率高、同時對礁巖的預處理效果好；但本工程施工航道船舶通航密度較大，海洋生物多樣性高（為我國一級保護動物“白海豚”棲息地），同時該礁石所在區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生極大影響，也在一定程度上會增加邊坡坍塌的風險；同時爆破前所需的防護措施以及爆破所需的船機投入，也會導致施工成本增加、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”進行施工，施工效率較低，巖石預處理效果相對較差；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，符合國家可持續發展的理念。

2.2 方案確定

我國大部分沿海地區疏浚項目中進行礁石預處理時大多采用爆破炸礁的方式進行處理，隨后使用挖泥船或絞吸船等疏浚設備對預處理后的殘骸進行清除。但是本項目所在的施工區域附近通航環境復雜，且需要進行礁石預處理的區域處在航道內，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境造成極大的影響。而利用施工現場已有抓斗船換裝沖擊錘開展沖擊錘鑿巖施工操作簡便，可減少設備投入成本，更符合國家對環境保護的相關要求，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確，進行鑿巖作業的抓斗船在作業時必須進行錨固同時不產生水面漂移情況。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*字型進行布錨，船側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定性。當其中一側的船錨由于洋流方向的改變而出現輕微地走錨現象時，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行增補，以提高抓斗船施工作業時的抗漂移能力(在此期間需同時考慮到大風與流速產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助抓斗船開展拋錨和起錨的工作。

施工船舶在鑿巖作業過程中采用GPS 實時差分系統進行定位，根據施工圖紙中的設計坐標、船舶配備的錨繩長度、施工點位水深及預拋方向，首先計算出布錨時的錨位坐標，并由輔助錨艇降左前錨或右前錨送至預定錨位拋錨，然后順著水流方向航行至施工區域附近，然后再有輔助錨艇送出右前主錨或左前主錨進行拋錨。在完成所有錨的拋錨任務后，在GPS 定位系統的監測下進行絞錨，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，保證錨浮標有足夠的浮力保持在水面上漂浮，并具有醒目的標志提醒過往船舶錨浮標位置。再就是要保證錨浮標的系纜繩有足夠的抗拉強度及長度。錨位標識在白天使用醒目顏色的彩旗標志，夜間使用燈浮標，指示過往船只注意纜繩位置進行避讓。

3.2 鑿巖錘的連接

鑿巖錘因其特殊的作業方式須采用具備足夠強度的連接方式進行牢固連接。首先用帶有可旋轉接頭的錨鏈將副吊和鑿巖錘主鋼絲繩進行連接，隨后主鋼絲繩從鑿巖錘的主孔穿過并與錨鏈的另一端進行連接，主鋼絲繩和錨鏈之間采用卸扣進行對接。為了保證鑿巖錘在作業過程中的安全，另使用一根鋼絲繩進行輔助保險，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行連接，以確保鑿巖錘作業時的安全。

注：①連接鑿巖錘的鋼絲繩、卸扣等部件對材料質量的要求極高，選用時需要充分考慮其材料的抗拉強度，避免在作業期間因部件損壞導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前須全部進行滿焊焊接，防止螺栓在鑿巖錘沖擊作業時中因沖擊產生的震動導致松動掉落，影響安全生產施工。

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；⑥再清渣；

在完成一個完整的施工程序后按流程進行循環施工，直至完成全部施工作業任務。

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時的定位方式一樣，結合錨位布置圖與GPS 設備將船錨拋至指定位置，利用定位系統進行船位的精確定位；

（2）根據施工區域地質資料結合施工船工作能力，制定鑿巖布點，根據鑿巖區域長度按6m 的長度進行分排，每排按照鑿巖區域寬度每5m 確定一個鑿巖點。每個鑿巖點鑿擊至設計深度（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方式進行布置；

圖2 鑿擊點布點示意圖

3.4 鑿巖

3.4.1 鑿巖操作

（1）所有組裝工作完成后，吊機手操作吊機將沖擊錘緩緩起吊，待鋼絲繩全部拉緊檢查無誤后，吊機臂趴至70°左右，將沖擊錘放置在水面調零；

（2）利用抓斗吊機的沉挖系統配合制動裝置控制鑿巖棒進行自由落體，該部分操作由吊機操作人員自行控制，并在施工期間進行多次從不同高度往下的沖擊。經過研究從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，并且能使設備的損耗程度降至最低。

3.4.2 鑿巖沖擊能計算

假設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 萬焦耳能量可以產生6.86MPa 的壓力，即沖擊錘從20m 落下撞擊巖石產生的壓力為6.86MPa。

3.4.3 鑿巖和爆破的能量關系

1kgTNT 炸藥爆破產生的能量為419 萬焦耳，35 噸重沖擊錘從20m 處落下撞擊巖石產生的能量為686 萬焦耳相當于1.64kgTNT 炸藥爆破產生的能量。

所以本項目鑿巖作業使用的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

因鑿巖區域施工條件較差，耙吸船無法進行清渣。因此在本項目作業期間由抓斗船將吊機上的沖擊錘更換成挖泥抓斗后對已完成鑿巖作業的區域按照航道設計要求進行清渣工作。在清渣的過程中同時觀察挖起的破碎礁石的狀況判斷當前鑿巖效果，并結合清渣完成后的測量結果及時安排下一階段的鑿巖施工任務并對鑿巖期間的各項設備參數做出相應的調整；清渣完成后清理掉的石渣由泥駁運輸并拋至項目指定的拋泥區域。

4 施工效果

根據現場多波束掃測結果顯示，利用鑿巖錘配合抓斗船清礁效果較好，水深也達到了設計要求，進度和質量均滿足各方要求；同時設備投入的減少，也使成本得到較好得控制；環境保護方面，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境的影響，獲得了良好的社會效益。

5 結語

航道疏浚施工過程中的硬點和硬質土層等問題，不能單一、機械地套用某種施工工法，環境因素、現場條件、進度要求等均需統籌考慮，將多種施工方案進行比對，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、安全環保等特點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行采用并推廣。