肖建国

（广西新港湾工程有限公司，广西南宁，580200）

引言

很多航道与港口项目在毗邻建筑物附近施工时，如何安全、高效、经济地清除毗邻建筑物附近的礁石，成为项目施工技术的难题。水下爆破[1]不可避免的产生水中冲击波、水下爆破地震、其他效应，对毗邻建（构）筑物及附近设施安全造成影响；凿岩棒[2]、液压破碎锤[3]工艺从外部对礁石施加超过岩石抗压强度的冲击荷载使岩石破碎，需要大量能耗，在流速大、水位陡涨陡落的施工区，凿岩棒下落时易走位，锤体容易碰撞、冲击毗邻建筑；液压破碎锤在水中凿岩时也容易突然滑动走位，安全不可控，因此，需要研究一种新的施工技术。

本文受高路堑机械劈裂和破碎硬质岩石技术研究[4]的启发，结合西南水运出海通道工程（曹渡河口至桥巩段）的情况，研发一种没有振动或振动很小、能够与钻机船配合完成水下破碎礁石的技术。

1 项目概述

西南水运出海通道工程（曹渡河口至桥巩段），上起贵州曹渡河口下至广西来宾桥巩电站，航道全长450.2 km，IV 级航道标准，通航500 t 级船舶，设计航道尺度为2.5 m×50 m×330 m（水深×宽度×弯曲半径），其中有龙滩大桥、六排一桥等十余座桥区航道整治，航道边线几乎是贴着桥墩而过，桥区航道受电站影响水位陡涨陡落，流速较大，施工难度大，前期采用爆破、凿岩棒、液压冲击锤进行试验施工，桥梁管理单位认为这些方法振动较大、碰撞桥墩，安全隐患大，不容许施工。桥墩破碎区平面布置如图1。

图1 工程布置示意图

根据现有设备，研究了项目地质，岩石的抗压强度[5]很高,一般在10～360 MPa，而单轴抗拉强度只是其抗压强度的1/8～1/12，一般在0.6～11.8 MPa，因此提出了在钻机船钻孔内安装液压装置代替炸药药柱的办法。分析陆上液压破碎系统结构[6-7]，设计适合水下钻机船的液压柱结构[8-9]。

2 液压柱破碎礁石技术原理

格里菲斯（A.A.Griffith）在研究脆性材料过程中发现，在该类材料内部存在着许多微裂纹。在外力作用下，正是这些微裂纹的存在，改变了材料内部的应力状态，产生裂纹的扩展、连接、贯通等现象，最终导致了材料的破坏。格里菲斯强度理论从理论上解释了岩石内部裂纹扩展等现象，通过该理论计算及相关实验数据表明，一般岩石的单轴抗拉强度只是其抗压强度的1/8～1/12，“拉”断岩石比“压”断岩石更容易，所需的外部荷载也小很多。

针对岩石抗拉强度远低于抗压强度特性，形成通过钻机船钻孔施工，安装液压柱，液压推动活塞组由岩石内部向外膨胀做功，由内部破坏岩石结构的研究思路。

3 液压柱系统选择与设计

3.1 液压泵最大工作压力选择

参考徐灏《机械设计手册》[9]并根据钻机船钻孔设备，液压柱系统液压泵最大工作压力选择，液压泵主要参数有最大工作压力、流量。最大工作压力依据岩石的极限抗拉强度σ 抗拉乘上2 倍安全系数选择，液压泵最大工作压力P 与液压泵执行元件最大工作压力P1、液压泵至执行元件间总的管路损失P2及岩石的极限抗拉强度关系如公式（1）所示：

式中：

P-液压泵最大工作压力，MPa；

P1-液压泵执行元件最大工作压力，MPa；

P2-液压泵至执行元件间总的管路损失，MPa；

σ抗拉-岩石的极限抗拉强度，MPa。

3.2 液压泵的流量选择

液压柱伸缩破裂岩石的时间为T，液压缸工作时从活塞全部伸出至活塞全部收回所变化的总体积V，即破裂岩石工作时间中的总耗油量，系统损耗系数K，液压泵的流量Q，关系式如公式（2）所示：

式中：

Q-液压泵的流量，L/min；

V-液压柱活塞全部伸出至活塞全部收回所变化的总体积，L；

K-系统损耗系数，一般取1.2；

T-破裂岩石的时间，min；

根据P 和Q 值，结合液压泵产品的特性，选用相应液压油泵为液压柱提供动力。

3.3 液压柱油缸设计

液压油缸是液压柱的执行部件，将液压能转换成机械能，驱动活塞杆块组件做功，液压油缸缸筒厚度设计应在确保强度要求的前提下，要求重量轻，操作简单，易于组装。液压油缸缸筒厚度公式如公式（3）所示：

式中：

δ—液压缸缸筒厚度，m；

PY—试验压力，MPa；

d—液压缸内径，m；

[σ]—缸体材料的允许应力，[σ]=σb/n，σb—缸体材料抗拉强度，n —安全系数，一般取 n=4。

3.4 液压柱结构

水下液压柱系统主要由发动机（电动机）、液压泵、高压油管、液压柱组成，液压柱由模块化液压缸及活塞构成。以三向液压柱为例，其结构组成如图2 所示。

图2 液压柱结构原理示意图

3.5 液压柱系统主要技术参数

依据钻机钻孔直径及工况，液压柱系统主要参数如表1 所示：

表1 液压柱系统主要参数表

采购电动机、液压泵、阀件、管路配件与液压柱组成液压柱破碎系统。研发的一向、二向、三向、四向、六向液压柱结构设计图，与液压件生产厂家合作生产了液压柱，经过试验不断改进，使之满足施工的要求。

4 施工工艺流程

综上所述，水下液压破裂礁石施工工艺流程图如图3。

图3 施工工艺流程图

5 主要技术参数

5.1 孔径及液压柱直径

由钻孔设备的性能确定孔径，水下钻孔设备主要是 100 型及 150 型钻机，一般配备 115 mm 和165 mm 钻头，钻孔孔径为 120 mm 或170 mm，则液压柱直径为110 mm 或160 mm。

5.2 孔距

孔距由清碴设备、岩石性质、钻孔等参数确定。孔距与孔径关系如经验公式（4）[10]所示：

式中:

a——孔距，mm；

d——孔径，mm；

k——破碎系数，参考静态破裂技术[10]，试验后根据实际情况调整使用，标准值见表2。

表2 岩石饱和单轴抗压强度

5.3 排距

排距是两排孔之间的距离b，排距与孔距的关系如公式（5）所示：

式中：

b——排距，mm；

a——孔距，mm；

孔距、排距越小，岩石越容易开裂，破碎所需要的时间也越短。但孔距、排距过小，孔数多，钻孔工作量大，施工效率低，通过现场试验确定最佳孔距、排距，当孔距固定时，通过试验调整排距以获得满意的破碎效果。

5.4 液压柱类型

依挖泥船斗容、斗重以及钻机船钻孔孔径、礁石硬度制作或选择液压柱，一般选择一向液压柱或两向液压柱进行破裂施工，但在边坡段用三向液压柱，其效果较好。

5.5 钻孔深度与液压柱长度

钻孔深度由被破碎体的厚度决定，礁石较厚时分层破碎，一般2～3 m 为一层，钻孔超深一般为0～20 cm，液压柱长度一般占孔深的 70～90 %，现场实验确定。

5.6 液压柱安装

孔深、孔壁检验合格后，操作钻架上的电动卷扬机，吊起液压柱，推送液压柱至套管口，沿着套管缓慢放下，同时理顺两根液压油管，使液压柱按既定方向缓慢装入孔内。根据卷扬机缆绳上的刻度标记，确定液压柱安装的标高，确保液压柱安装到位。

5.7 清碴

液压破碎施工完成一定工作量后，安排挖泥船进场开挖，检验破碎效果。根据开挖情况调整破碎参数。清碴设备一般采用反铲挖泥船或抓斗挖泥船开挖。当挖泥船开挖比较困难、块度较大时，应适当缩小钻机船的钻孔排距；当挖泥船开挖比较容易、块度较小时，可适当加大钻机船的钻孔排距，以便提高挖泥船、钻机船的施工效率。

6 技术特点

1）施工时对周围建筑物、水中鱼类无影响。液压柱破碎是在液压静力作用下的施工方法，即使毗邻桥墩施工，都不会影响桥墩安全。

2）该技术安全环保、节能降耗。破碎礁石时，不会产生震动、冲击、废气、粉尘飞屑等影响周围环境的有害效应，施工对水中生物、建筑物无影响，不存在使用爆炸物品所具有的安全风险，液压柱及系统体重复使用，消耗的液压油很少。

3）该技术具有操作简便、工效高、效果好等特点。液压柱具有体积小、重量适中、操作方便、破碎力巨大、破碎礁石时间短、破碎速度快、破碎的石块可事先预设、清挖效率高等特点。在环境复杂条件下使用该技术对项目的推进具有建设性的意义。

4）该技术可以预先精确的控制破碎方向、破碎范围、破碎块体形状、尺寸大小，精确的控制保护部分轮廓、形状，并使轮廓坡面、底面平整、稳定，其他施工方法无法比拟。

7 结语

与其他施工工艺相比，该技术安全性高，没有运输、储存、使用爆炸物品的安全风险，没有起吊十几至几十吨凿岩棒存在的安全风险，施工安全具有本质性的提升，社会效益显著。采用该技术杜绝了振动、冲击波等有害效应，施工不会对周边人群、建筑物造成不良反应。具体施工过程中还应注意如下问题：

1）液压柱重复使用的频次，取决于所用材质，需采用进口优质材料加工制作液压柱。

2）自由面、密集空孔对破碎效果影响较大，应选择好自由面的方向和制作好密集空孔。

3）钻孔质量对液压柱安装影响较大，应加强对钻孔质量的检查。