淺談高頻破碎錘清除水下礁石在航道整治工程中的應用

◎ 區國柱 廣東正方圓工程咨詢有限公司

現階段，內河航道清礁多采用爆破施工技術，容易給周圍建筑物帶來較大擾動，并給船舶行駛帶來安全威脅。在特殊航道環境下，將限制使用強破壞性施工技術，要求引進環保、高效的工藝技術，保證航道達到竣工驗收設計水深要求。而利用鑿石船搭載高頻破碎錘，使破碎錘通過垂直下落方式鑿入礁石，并通過高頻振動方式將礁石破壞，能夠體現環保特點的同時，達到高效清礁目的。但目前高頻破碎錘主要在陸地使用，因此應結合水下礁石破除工況探尋科學施工工藝，確保航道清礁作業取得理想成效。

1.工程概況

西江航道擴能升級工程全長171km，由界首至肇慶大橋航道的疏浚工程、筑壩工程、護岸工程和清礁工程組成。工程按照通航3000t級內河船舶航道標準建設，采用20年一遇洪水水位標準，設計最低通航水位達到98%水位保證率，要求單向通航凈寬至少達到110m，雙向通道凈寬不小于220m，凈高至少18m。在設計水深達6m情況下，需做好航道清礁施工，總長159km，包含三灘段15處和肇慶段各15處礁石，清礁邊坡為1:0.75，清覆蓋層邊坡為1:3。

2.水下礁石破除難題

工程具有點多線長、工程量大的特點，施工區域靠近航道中，而航道一年四季均有船舶航行，容易與施工船舶發生相互干擾。為保證工程順利開展，同時避免給航道運輸帶來過大干擾，決定開展水下礁石破除作業。通過地質勘察可知，需破除礁石主要為強風化粉砂巖、中風化砂礫巖、強風化花崗巖、中風化花崗巖、微風化花崗巖，多數巖石質地堅硬，錘擊發出清脆響聲，對清礁施工提出了較強專業性要求。此外，工程河段多數位于漁業保護區，禁止大范圍開展水下爆破清礁作業，需通過鑿巖施工方式破除礁石。相較于傳統水下鉆爆施工技術，傳統鑿巖施工技術效率較低，因此如何提高鑿巖工效成為工程施工難題。

3.高頻破碎錘施工技術

3.1 施工方案

結合工程施工要求，決定采用高頻破碎錘施工工藝，通過高頻重壓振搗方式對堅硬巖石實施局部破碎，促使巖石結構松動、破裂。高頻破碎錘技術相對成熟，可以在不改裝的情況下通過調整加長臂直接開展水下破碎作業，產生的沖擊波較小，能降低礁石破碎施工風險，避免給周圍建筑物或水質帶來過多負面影響[1]。經過巖心單軸抗壓測試，確定巖石平均抗壓強度達到45MPa，最大不超70MPa，而高頻破碎錘能用于100MPa以下巖石破碎。工程礁石區巖層厚在0.5～2m之間，平均厚達到1.5m，可通過斧型破碎錘快速鑿巖，完成淺點巖石的一次性掃除，有效提升清礁功效的同時，避免給周圍環境帶來過多影響。針對局部中風化花崗巖礁石，先由鉆爆船鉆機鉆孔，然后由鑿巖船開展清礁作業，如圖1所示。在工程施工前，結合設計圖做好施工區域劃分，通過詳細勘察制定科學施工方案，根據清礁需求配備2艘鑿巖船，通過4m3挖泥船改裝獲得，船上搭載吊機，直接使用鋼絲繩在吊機吊臂上固定斧型重錘，可以將重錘提升至一定高度后使其自由下落，依靠產生的動能瞬間沖擊礁石。鑿巖船配有專用定位絞錨等設施，可自動實現船舶定位，方便船舶移動，幫助船舶抵抗較大風浪，保證船舶平穩作業。通過合理布置清礁設備，平行、交叉開展清礁、挖泥作業，能夠有效加快工程進度。經過航道、公安等部門審批后發布航道通告，在施工水域設置標識，并對航道影響大的水域實施交通管制，保證工程順利落地。

圖1 水下礁石破除施工方案

3.2 工藝流程

對使用高頻破碎錘破除水下礁石的工藝流程展開分析，可知需按照“鑿巖→清渣→鑿淺點→再清渣”的步驟循環作業。在首次鑿巖時，先通過鉆爆船進行密集鉆孔，然后使載有破碎錘的鑿巖船進場，對水下礁石實施分層破碎，清渣后測量掃床，發現淺點巖石再次破碎和清渣，直至符合驗收要求。根據礁石厚度和巖面高低選擇工作面，優先在有自由面的位置施工，然后逐步向高推進，每鑿一層完成一層礁石挖掘[2]。破碎的碎渣通過駁船運輸至指定位置拋卸，每層清理結束后測量施工區，判斷水深是否符合要求。

3.3 施工參數

立足實際確定清礁作業參數，各層平均挖巖不超1m。使用破碎錘在鉆孔區域反復錘擊，為取得理想破碎效果，開展現場試驗確定錘擊參數。在表面平整位置布置設備，鉆孔后使用固定器固定破碎錘，通過多次鑿眼沿著破碎中心創造2～6個臨空面。結合地質資料和試驗結果，將礁石區劃分為15m×0.3m網格，網格間搭接寬為1m，鉆孔深度為設計底高程、超深值和富余值之和，通過前期勘察后設定為0.5m，每隔1.25m設置一處鉆孔，孔徑為0.1m，保持1.5m排間距，如圖2所示。按照從左向右的順序施工，每隔0.3m使用高頻鉆頭振搗，長度控制在0.2～0.3m之間。完成整個網格破碎施工后，將船舶移動至下個網格作業。在清渣階段，將作業區劃分為11m×1m網格，搭接寬度達到0.3m，按照網格順序清除碎渣。在破碎錘施工期間，分別配備16t和30t的破碎錘，滿足不同厚度和硬度巖石的破碎需求。針對厚巖石和硬巖塊，使用30t破碎錘作業，針對厚度薄或強度小的巖石使用16t破碎錘施工。結合以往施工經驗，強風化巖石按照2～2.5m間距布點，中風化巖按照1.5～2m間距布點，微風化巖按照1～1.5m間距布點。在接近航道底部標高和鑿擊淺點的位置，按照1m間距設置加密點。使用吊臂將破碎錘吊起時，將提升高度設定為15m，每個點使用破碎錘鑿砸3遍，錘擊頻率設定為10下/min，具體結合實際情況調整夯擊數。

圖2 巖面鉆孔排布示意圖

3.4 操作要點

3.4.1 設備準備

在高頻破碎錘施工階段，可知設備由緩沖裝置、激振裝置、拉桿支架等構成，為半封閉式結構，需搭配液壓挖掘機使用，通過將挖掘機液壓能促使振動箱齒輪轉動，將振動傳遞至破碎錘作業[3]。提前做好設備錘頭、液壓油管接頭等關鍵部位檢查，并更換振動箱的齒輪油，確保設備維持良好工作狀態。使用測溫儀檢查軸承、馬達等位置，確認工作溫度不超85℃，且振動箱的空氣彈簧氣壓在5～8kg范圍內，支架和振動箱的限位塊保持50～100mm距離。

3.4.2 測量定位

在水下破碎礁石，需提前做好測量定位工作。結合航道地形特點、水域條件等，通過DGPS系統在施工區域最外圍實現船頭定位，對照施工圖完成施工區控制點、水準點復核，建立平面和高程控制系統。利用水下攝像儀、RTK測量設備等，能夠確定現場地形和巖石破碎情況，綜合考量巖石特性、水流方向等調整施工計劃，然后通過高頻振動方式使破碎錘沖擊礁石[4]。使用全球衛星定位系統RTK-DGPS 1+2實時定位鑿巖船，通過計算機動態監控船位和水位變化，可以提高鑿擊位置精度。開展多波束測量作業，發射多個相鄰窄波束設置條帶覆蓋區，測量航道底部多點深度值，并通過RTK技術求差結算坐標，分析得到潮位數據，使測得的錘擊深度達到厘米級測量精度。在掃淺施工中提高測量頻次，可精準控制破礁深度，避免出現超欠挖等情況，有效節約施工成本，提高施工效率。在船舶航行至指定位置后，使用六纜定位法完成施工展布，設置兩根主纜，并在船舶兩側各設置兩根邊纜，通航側設置沉鏈，依靠重量在船舶穿過航道時深入水底，確保船舶順利通過施工區域。

3.4.3 水下作業

在正式破碎礁石時，從易破碎斷面開始，由上向下開展破碎作業，并操作挖機在旁完成碎渣清運。人員在操作破碎錘時，應根據計算機顯示鑿擊位置將錘提升至指定高度，然后松開制動器使錘從高處自由落下。為保證巖石破碎效果，應使破碎錘斗齒與巖面保持垂直狀態，并將液壓挖掘機前端抬高30cm，確保斗齒緊壓巖面。持續錘砸一個點，首次深度控制在60～70cm之間，重新提錘后，與原沖擊點保持30～40cm距離。按照從邊緣到中心順序破碎礁石，完成各層礁石破碎后應及時清理破碎塊，并測量破碎面高程，有效控制下層開挖高程。破碎錘連續擊打1min依然未能將巖石破碎，需更換打擊面沖洗擊打，并確認斗齒內角不超90°。但在設備高頻振動期間，禁止調整挖掘機內角。針對厚巖石區域，應實施多次鑿擊，但每擊打5min應將破碎錘提至空中穩定，直至內部水分全部排出。

長時間使用高頻破碎錘開展水下作業，每隔2h應向設備注入一次齒輪油，確保破碎錘維持良好運轉狀態。在施工期間，禁止在挖掘機伸縮臂全部伸出狀態下破碎巖石，應至少保持50cm伸縮余地，以免引發液壓缸故障。錘頭的斗齒進入破碎巖石后，禁止操作挖掘機，以免因搖動斗齒導致破碎錘零部件受損。操作破碎錘禁止空打，避免空氣彈簧等零部件受損，同時應避免破碎錘和曲臂等結構發生碰撞。各層巖石破碎后，禁止使用破碎錘移動碎渣，防止設備損壞。在破碎作業結束后，將破碎錘提升至水面以上，維持低速運行10min，將內部水分排出。從挖掘機上拆下破碎錘后，應拆除鋼釬和連接管道等，向缸體內注入防銹油，防止設備生銹腐爛。

3.4.4 質量控制

在施工質量控制上，應提前分析工程地質等資料，完成巖石抗剪和抗壓試驗，確保采取科學破碎錘操作方法，嚴格按照設定布點間距作業，防止因點位偏差影響清礁效果或造成設備損壞。分條分塊開展施工活動，現場應結合巖石硬度、厚度等變化調整破碎區域搭接距離，并及時通過水深測量等途徑掌握巖石破碎情況，做好相關施工參數調整。為保證水下礁石破碎作業質量合格，在使用高頻破碎錘施工后應對開挖輪廓點進行重復測量，確認偏差在±50～100mm范圍內。在基礎面開挖期間，確認超挖不超20cm，欠挖不超10cm，且邊坡坡度等參數符合要求，各級臺階偏差不超設計高程的±20%。

3.5 施工成效

從工程驗收情況來看，按照施工計劃破除水下礁石后，掃測確認不存在淺點，開挖輪廓尺寸符合設計規范要求。通過多臺設備同時作業，工程得以在規定工期內完工，且一次性通過質量驗收，驗證了高頻破碎錘施工方案的有效性。相較于傳統炸礁技術，采用破碎錘鑿石清礁約節約30%的施工成本，不僅給工程帶來了可觀經濟效益，也能通過減小周圍環境受到的影響創造理想社會效益，為樹立良好工程形象提供有力技術支撐。

4.結論

在航道清礁施工中，應用高頻破碎錘可解決水下硬巖石破碎難題，通過減小水下沖擊波提高工程施工安全性、環保性。在清礁實踐中，應結合地質、水域等條件制定科學施工方案，明確巖石破碎和碎渣清理作業順序，并通過提前開展試驗合理設定各項施工參數。通過提前做好破碎錘、挖掘機等設備準備，完成施工區測量和作業面定位，規范操作破碎錘依次錘砸布點，能夠取得理想施工效果。通過科學應用高頻破碎錘施工技術，能有效控制工期和成本，促進航道清礁技術水平提升。