液压破碎法及凿岩法在榕江航道整治工程清礁施工中的综合应用及效果

丁有鹏

摘 要：榕江航道整治工程被省政府列入重点工程项目，也是省航道事务中心重点推进、要求2017年底必须完成的项目之一。如何按期完成清理这两处碍航礁石，是对施工单位技术能力的考验，也是对建管办综合组织能力的考验。

关键词：液压 榕江 航道 整治

榕江航道整治工程共整治航道73km，其中榕江北河梅东大桥～榕东大桥10 km按单向通航1000吨级海轮标准进行建设，航道设计尺度为6m×60m×300m（设计水深×航宽×最小弯曲半径，下同）；榕江北河榕东大桥～双溪咀4 km按双向通航3000吨级海轮标准进行建设，航道设计尺度为6m×100m×400m；榕江干流双溪咀～礐石大桥39 km按全潮双向通航5 0 0 0吨级海轮标准进行建设，航道设计尺度为8.1m×145m×750m。原设计主要工程内容为疏浚、航标和配套的码头、船舶、航标保养仓库等。其中航道疏浚工程在卸区落实后推进顺利，于2017年初便进入扫浅阶段。但是，在扫浅的过程中却发现并经核实榕江干流的榕江特大桥附近及榕江北河曲溪海事码头附近的设计航槽内存在碍航礁石，必需进行清除。这是原来设计没有考虑到而出现的新问题，需进行专题论证确定施工标准和合理施工方案，不但施工难度大，而且调遣施工机械设备及办理施工手续都比较难的问题。况且榕江航道整治工程被省政府列入重点工程项目，也是省航道事务中心重点推进、要求2017年底必须完成的项目之一。时间之紧，任务之重可想而知。如何按期完成清理这两处碍航礁石，是对施工单位技术能力的考验，也是对建管办综合组织能力的考验，同时也是对我---建管办总工程师的专业技术能力的严格考验。现将清礁具体工作介绍如下。

1.碍航礁石情况

1.1工程地点

新发现礁石地点有两处，一是在榕江干流双溪咀附近K1+200～K1+300河段新发现礁石（下称：双溪咀礁石），该礁石位于榕江大桥上游约200m，见图1；二是在榕江北河K3+840～K3+940河段新发现礁石（下称：曲溪礁石），该礁石位于榕江北河梅东大桥下游约3.8km曲溪镇河段，见图2。

1.2碍航礁石分布及碍航情况

（1）碍航的礁石分布及碍航特性。双溪咀礁石位于榕江干流K1+200～K1+300河段设计航槽内，最小水深为2.9m；曲溪礁石位于榕江北河K3+840～K3+940河段设计航槽内，最小水深为3.6m。碍航特性主要表现为水深不足。

（2）礁石岩性。根据《榕江航道整治工程（北河梅东大桥～地都水利下河段）RJ3合同段清礁工程补充岩土工程勘察报告》，双溪咀礁石覆盖层主要为淤泥、局部有粗砂，礁石为微风化花岗岩；曲溪礁石覆蓋层为淤泥，礁石为微风化花岗岩。

2.施工方案选定

2.1工程内容及设计要求

2.1.1工程内容

根据设计要求，在榕江干流K 1+2 0 0～K 1+3 0 0及榕江北河K3+840～K3+940河段在设计航槽设计底标高内存在礁石。为保障航道整治后过往船舶的航行安全，对上述河段已发现礁石进行清除，主要的施工内容包括：覆盖层清除及礁石清除。

为了尽量减少清礁施工震动对大桥及城镇堤围的影响，确保清礁施工过程桥梁及堤围的安全，本次清礁工程严禁使用爆破手段进行清礁。

2.1.2设计要求

结合榕江航道整治工程初步设计批复，确定双溪咀礁石设计水深为8.4m，覆盖层边坡取1：6，礁石航槽边坡取1：0.75；曲溪礁石设计水深为6.0m，覆盖层边坡取1：4，礁石航槽边坡取1：0.75。弃渣区位于榕江干流双溪咀河段深槽，该水域水深达18m以上。

2.2工程地质及施工环境

2.2.1工程地质

根据《榕江航道整治工程岩土工程补充勘察报告》，在榕江干流K1+200～K1+300段礁石区内，在标高-11.8m以上钻遇微风化岩石，覆盖层主要为淤泥、局部有粗砂，礁石为微风化花岗岩，在榕江北河 K3+840～K1+940段礁石区内，在标高-9.6m以上钻遇岩石，覆盖层为淤泥，礁石主要为微风化花岗岩，属硬质岩石，抗压强度达到78.9～94.8MPa。2.2.2施工环境

双溪咀礁石距离新建的榕江大桥约200m，曲溪礁石位于曲溪镇河段，距离左岸城镇堤围约60m，且两岸的构筑物较多；同时，榕江是潮汕地区重要的水路交通要道，过往船舶较多，水上交通频繁。

2.3清礁施工方案

现场的礁石主要位于两个区域，双溪咀礁石位于榕江大桥上游约200米的位置，曲溪礁石位于曲溪镇河段，距离左岸城镇堤围约60m，且两岸的构筑物较多。而目前于水下岩石处理运用比较成熟的方法有爆破法、液压破碎法、凿岩法、绞吸法等。

位于榕江的两个礁石的覆盖层为淤泥，礁石主要为微风化花岗岩，属硬质岩石，抗压强度达到78.9～94.8MPa，对于此种底质不适合采用绞吸法。同时，两个礁石要么位于新建大桥附近，要么距离堤围很近，为了尽量减少清礁施工震动对大桥及城镇堤围的影响，确保清礁施工过程桥梁及堤围和周边建筑物的安全稳定，因此爆破法不适合本项目的清礁。考虑该项目的工程量小，礁石的分化程度极低，水下施工困难，且工期紧张，单纯的使用凿岩或水下液压破解来施工，综合成本太大，且并不能满足工期要求。

其中水下液压破碎法只需将原铲斗挖泥船的挖斗换下，换上相应匹配的破碎锤即可。优点是使用方便灵活，而且破碎锤破碎效果较好，利于开挖和抛卸；施工时的噪音小，无振动影响到周边的居民，有利于环保。缺点是水下处理，看不见河底情况，施工难度较陆上困难，功效降低，使得综合成本增加。

凿岩法是由抓斗挖泥船换下抓斗，换上凿岩棒即可使用，施工时将其提升到一定高度后自由落下，依靠自身的重量加速度撞击河底岩石，以纵向冲击载荷破碎岩石。优点是使用方便灵活，对周边水体污染较小，而且由于其产生的冲击波和振动波较小，对河道生物和周边建筑物的影响都很小，具有环保意义。缺点是水下处理，看不见河底情况，施工难度较大；对覆盖层的清挖有较高要求，清挖不干净将影响凿岩效果，使得工效下降；对岩质很硬的岩石凿岩效果较差，所需工期长，综合成本增加；需要分层凿岩，分层厚度较小，不利于清碴。

根据桥梁和堤围保护的有关规定，结合现场礁石的实际情况，综合凿岩和液压破碎施工工艺的优点，我办决定先利用钻机进行钻孔，钻孔间距定为1.0m，并根据现场施工进展进行加密处理，然后通过潜水员下水，利用液压劈裂机进行破石，然后利用凿岩棒进行凿岩。

2.3.1凿岩施工方法

在进行凿岩施工前，先将所需施工区域按照孔距1.0m×排距1.0m，钻孔破坏岩石结构，提高破岩工效，然后通过潜水员下水利用液压劈裂机进行破石，方便凿岩棒顺利将该区域完成破碎，再以抓斗挖泥船进行反复开挖至设计标高。

根据施工工艺特点和工程实际情况，将施工区域分成20m×20m的网格，并对每个网格进行编号，总体施工顺序，由左往右，由上至下逐格施工。施工过程中再配以挖泥船进行清礁。

2.3.1.1凿岩施工原理

凿岩的原理是当河底的岩石表面受到冲击力的作用时，先在接触处产生弹性变形，随后出现微裂纹，然后逐渐形成放射裂纹，岩石表面突然破裂，最后出现体积破碎。该方法是在挖泥船的抓斗吊机上装上铸钢制造的凿岩棒，施工时将其提升到一定高度后自由落下，依靠自身的重量加速度撞击海底岩石，以纵向冲击载荷破碎岩石。这种方法的特点是接触应力瞬间可达极高值，应力比较集中，所以尽管岩石的动硬度要比静硬度大，但仍易产生裂纹，而且冲击速度愈大，岩石脆性愈大，有利于裂隙发育。因此，用不大的冲击能，就可以破碎极坚硬的岩石。

凿岩棒是铸钢制造的，常见的凿岩棒有笔状、带齿及斧头（楔）状，重量为8～40t、长3～5m、直径0.6～1.2m等，凿岩棒的重量：主要根据礁石形态、岩层的厚度、船舶设备的起重能力以及兼顾施工成本等因素进行选择。结合现场礁石的实际情况，岩块硬度较大，岩层较厚时应采用重量较大的凿岩棒进行施工；按照以往其他项目的凿岩施工情况，本项目需较大的凿岩棒（15吨）凿3-5次就可以达到设计深度，部份区域漏点、浅点需要7次凿岩。

2.3.1.2工作流程

根据本工程的情况（施工水域、调遣等因素），可采用4方的抓斗挖泥船安装15t的笔形凿岩棒进行施工。改造后的凿岩施工方法与抓斗挖泥船的常规施工方法基本一样。施工前，根据地质情况确定凿岩布点的间距，一般是按凿岩棒直径的1.5～2倍取值（1～1.5米），梅花形布点。确定参数后，即可开始凿岩施工，按“凿岩—清碴—凿岩—清碴”的步骤循环施工（清碴用抓斗挖泥船施工）。施工一定的区域后，根据凿岩、开挖的效果适当的调整布点的参数（点距、提升高度），以提高工效。

2.3.1.3凿岩棒施工的优缺点

（1）凿岩棒破碎与水下爆破施工对比，具有以下优点：

凿岩棒是利用自身的重量进行工作，锤击时产生一定的震动，但不会像爆破那样产生较强烈的震动和水冲击波、噪声对周边造成一定影响，安全性较高。

（2）凿岩棒破碎与水下爆破施工对比，具有以下缺点：

凿岩棒破碎岩石的方法工效低，抓斗清碴效果较差，所需工期长，综合费用较高。

2.3.2液压劈裂机施工方法

2.3.2.1工作原理

液压劈裂机抓住岩石与混凝土呈脆性特点，利用楔块原理来设计的，即在最狭窄的孔中向外能够释放出极大的分裂力。液压劈裂机由泵站和分裂器两大部分组成，工作时由泵站输出的高压油驱动油缸，产生巨大推力，驱动楔块组中的中间楔块向前伸出，将反向楔块向两边撑开，即可使被分裂物体分裂。

2.3.2.2选择液压劈裂机的理由

当楔形压头受压而侵入岩石时，岩石局部发生粉碎或呈塑性变形而形成袋状或球状核，通常称之为密实核。压头在压入岩石过程中，侵入深度不会随载荷增加而均衡增加，只是当其达到某一临界值时，便发生跃进式破碎现象。这时，密实核旁侧的岩石出现崩碎，载荷暂时下跌，压头继续侵入到一个新的深度，载荷再度上升，侵入和载荷又恢复到某种比例关系。如此循环，直至岩石破裂。整个过程的载荷——侵深曲线呈波浪形。越是脆性岩石，跃进式侵入特点越明显，塑性材料则较缓和。

根据地质勘查报告，双溪咀礁石和曲溪礁石属于微风化花岗岩，礁石硬度较大，属于脆性岩石，采用液压劈裂机能更好的加快分裂效率。

2.3.2.3工作流程

首先，在礁石上在预定的礁石分裂线上事先钻一些特定直径和深度的孔，将液压劈裂机的楔块组（一个中间楔块和两个反向楔块）插入孔中，中间楔块通过液压压力的作用在两个反向楔块之间向前运动，由内向外释放出极大的能量，将被礁石在几秒鐘之内按预定方向裂开。

2.3.2.4 液压劈裂机的优点

（1）安全性。液压劈裂机利用液压油不可压缩及可流动性的物理特性，加以静态推力，实现静态可控性的工作。施工期间无需采取复杂的安全措施，不会像爆破和其他冲击性拆除、凿岩设备那样，产生一些危险隐患。

（2）环保性。绿色环保拆除专家—液压劈裂机工作时，不会产生震动、冲击、噪音、粉尘飞屑等，周围环境不会受到影响。即使在人口稠密地区或室内，城市建设中，以及紧密设备旁，都可以无干扰地进行工作。

（3）经济性。液压劈裂机分裂力大（最大分裂力可达600T）因此一次工作时间只需要几秒钟，并且可以连续无间断地工作，效率高；其运行及维护保养成本很低；无需像爆破作业那样采取隔离或其它耗时和昂贵的安全措施。

（4）使用灵活性。液压劈裂机的人性化使用设计，具有体积小、重量轻、结构紧凑。确保了其使用方法简单易学，仅需单人操作；在室内或狭窄的场地都可以十分方便地进行拆除分裂；同时还可以在水下作业。维护保养便捷，使用寿命长。

（5）精确性。与大多数传统的拆除方法和设备不同，液压劈裂机可以预先精确的确定分裂方向，可以按所需分裂形状以及需要取出部分的尺寸做到精确拆除分裂。

2.4施工设备选择

（1）凿岩前在抓斗船的船中部甲板边缘位置搭设安装钻机的平台，然后通过移锚利用潜孔钻机进行钻孔，然后利用潜水员下水利用液压劈裂机破石，再用15t凿岩棒进行凿岩破碎，最后利用4m3抓斗挖泥船进行清碴挖除。

（2）覆盖层清除采用抓斗挖泥船进行开挖。

投入的主要设备及参数具体如表2。

2.5施工技术要求及质量控制

2.5.1施工技术要求

2.5.1.1施工前要求

（1）必须勘察现场，选定符合精度要求的定位控制点，设立施工水尺、标志，并布设好施工期通航船舶安全航行的导航标志。

（2）根据施工现场实际情况，结合自身的船机设备，制定合理的施工组织设计报监理工程师审批。

（3）取得航道、海事部门水上水下施工作业许可证。

2.5.1.2施工中要求

（1）施工现场应设立水尺，随时掌握水位变化情况，并做好记录。

（2）清礁放样要准确，若发现礁石的平面位置等实际情况与设计不符，应及时通知监理工程师、建设单位及设计单位。

（3）根据需要记录水位、气象情况、水情预报及各项施工记录。

（4）清礁施工前宜拍录清礁范围近岸堤段现状及有关建筑物结构状况，以作为清礁施工前的第一手资料存档，便于清礁施工后对照。

（5）施工单位对礁石平面位置测量定位后，现场监理工程师应采用测量仪器检查复核，以确保需清除的礁石位置定位准确。

（6）石渣不得随意抛卸，必须抛卸到设计文件指定的地点。同时，在实际施工过程中应根据水情合理使用卸土、卸渣区。

（7）应对每天的施工情况、施工进度等做好记录，并按要求定时上报施工进度。

（8）清礁范围底边线以内水域严禁存在浅点。

（9）清礁完成后应进行硬式扫床，清礁水深应满足设计要求。

2.5.2质量控制

我办按有关要求落实，建立和健全工程质量检查组织机构，配备专职质检工程师，严格执行工程质量的自检、互检和专职检查的“三检”制度。施工质量应满足《航道整治工程技术规范》（JTJ312-2003）、《水运工程爆破技术规范》（JTS204-2008）、《水运工程质量驗收评定标准》（JTS257-2008）等规范相关规定。

（1）凿岩清礁应满足设计要求，开挖区内不得存在浅点，平均超深不得大于1m，平均超宽不得大于4m，边坡不得陡于设计边坡。

（2）凿岩清礁水域在施工完成以后交工前必须通过硬式扫床检验，硬式扫床范围按图纸设计要求。

（3）清礁边坡不得陡于设计边坡。

（4）清礁范围底高程应满足设计要求，严禁存在浅点。

（5）礁石覆盖层及岩渣不得随意抛卸，必须抛卸到图纸指定的地点或经监理工程师批准的地点。弃渣堆填的位置、范围和高程应满足设计要求，不得影响航道尺度及船舶安全通航。

（6）清礁施工过程中要注意环境保护，不得发生污染环境的行为，不得破坏水生生态，尤其是渔业生态。

（7）水下弃渣的允许偏差、检验数量和方法应符合表3。

注：航行区域应采用硬式扫床，当硬式扫床确有困难时，可采用多波束扫测。非航行区域可采用多波束扫测或不小于1：500图比进行测量。

3.工程效果

该清礁单位工程实际开工日期2017年9月13日，完工时间2017年11月24日，于2017年12月5日交工预验收，并于2017年12月29日完成交工验收。清礁工程的工程量包括：疏浚方量为15266.7m3，礁石钻孔1084.9延米，清礁石覆盖层716m3，重锤凿岩清礁1138.2m3。由于施工方法选择合理及质量控制严格，所以施工过程比较顺利，使工程整体能按期交工验收。