韦昌方

(广西八桂工程监理咨询有限公司，广西 南宁 530021)

0 引言

世界上首台液压破碎锤出现在法国，此后该施工机械便开始在世界范围内得到推广应用。液压挖掘机前端可以搭载多种机具，实现一机多能，随着挖掘机技术的发展，破碎锤和挖掘机系统匹配应用越来越好，能优化系统并提升各个部件运行的可靠性。近年来，国家明确提出绿色环保的建设开发思路，各有关职能部门也加强了对环境保护的督查力度，严格控制工程炸药使用。在此背景下，挖掘机搭载破碎锤在工程建设及航道整治开挖中得到越来越广泛的使用，但是当前国内有关液压破碎锤的研究及工程应用并不充分，生产厂家及产品质量也参差不齐，导致液压破碎锤技术发展缓慢。

1 液压破碎法技术原理

液压破碎主要以液压能为动力源，通过将液压能转化为机械动能，使钎杆在活塞的推动下实施破碎，破碎效果好，噪声及扰动小，性能优越。液压破碎锤借助自身换向阀切换高压油路，使破碎锤活塞循环往复运动，持续将打击能传递至钎杆，钎杆在获取能量后实施破碎。

液压挖掘机破碎系统主要包括破碎锤、控制阀组、动力系统、液压管路等部分，出于破碎锤更换效率考虑，挖掘机前端也经常使用机具切换效率较高的快换装置。破碎锤在使用期间可能面临频繁更换的情况，更换过程频繁会加大液压管路接头污染概率，同时，破碎锤破碎施工时也存在较大磨损，易引发液压元件损坏。为此，通常在破碎管路上增设辅助元件，如回油过滤器等，以保证液压系统性能稳定。根据当前国内所用挖掘机主要型号及性能，其机械端口溢流压力通常较高，为避免液压破碎锤因溢流压力的作用而损坏，必须将安全阀增设在破碎锤工作管路上，依据破碎锤工作参数进行溢流压力调整[1]。

液压破碎锤活塞顶部通常设置有氮气室，其余构件主要为活塞杆、缸体、油封、钎杆和蓄能器，具体如图1所示。在氮气室内填充氮气后蓄能，在液压作用下带动破碎锤活塞回程运动，并在液压力和氮气膨胀力的共同作用下带动活塞冲程。

图1 液压破碎锤作用结构示意图

2 工程应用

2.1 工程概况

右江航道整治工程(两省界—百色)水下炸礁工程起于右江滇桂两省(罗村口)，终于百色澄碧河河口，按Ⅲ级航道通航1 000吨级船舶标准建设。航道里程全长71 km，其中两省界(罗村口)至百色枢纽坝上段长度为50 km，百色枢纽坝下至百色澄碧河河口段长度为21 km。百色水利枢纽通航建筑物下引航道出口—上宋右江大桥(K47+840～K54+600)，即东笋水电站至上宋右江大桥(贵百高速公路)段河道窄，水深不满足设计船型通航要求。尤其是上段大石滩及横滩最浅水深不足2.0 m，局部孤礁立于江中。该段主要以水下炸礁施工为主，但该段部分区域靠近文物保护区、桥梁保护区及敏感性区域，根据《中华人民共和国公路法》《铁路安全管理条例》、敏感性房屋爆破振动安全允许距离要求、环评要求等规定，结合本工程规模、属性及地质条件，出于安全、工期、成本等方面的综合考虑，对大石滩、横滩、那达滩、百林滩及鲩鱼滩等五个滩点局部位置采用液压破碎施工工艺进行施工。液压破碎主要施工设备为挖泥船、液压破碎岩石施工作业船、钻孔炸礁船等。施工区域主要为河中疏浚、岩石破碎分裂、清碴。大石滩、横滩、那达滩、百林滩、鲩鱼滩液压破碎清礁工程量分别为8 162.0 m3、5 176.0 m3、5 292.1 m3、16 094.6 m3、35 006.0 m3，液压破碎清礁工程量共为69 730.6 m3。

根据地质测绘及钻孔揭露，工程区出露地层主要有局部存在的第四系人工堆积层(Q4ml)、第四系全新统冲积(Q4al)粉质黏土层、砂土层及卵石层、第四系全新统残坡积(Q4el+dl)粉质黏土层和碎石层，出露基岩主要为第三系(E)泥质砂岩和三叠系百逢组(T2b)炭质页岩和灰岩等。该河段河床表层均被卵石层覆盖，部分基岩出露，钻孔内卵石层密实度从上至下呈增大趋势，部分地层表层主要为黏性土或砂层，下层则为卵石层。

2.2 施工工艺特点

右江航道整治工程中东笋水电站至上宋右江大桥(贵百高速公路)段基岩主要为中-强风化灰岩以及强风化炭质页岩。此类岩石抗压应力远比拉应力大，若进行外部打碎，则在较大抗压应力的作用下，施工难度大、功效低、能耗高，并受到水下能见度低的影响，施工质量难控制。考虑到此类岩石内部向外的抗拉强度较小，可以采用挖掘机液压破碎锤技术，通过换向阀控制高压油流向，进而使活塞做出循环往复运动，使缸体、蓄能器内充入高压氮气后，活塞向下运动的过程中发出高强爆发力带动钎杆，钎杆将这种动能传送至待破碎岩石上，达到从内向外破坏岩石结构的目的[2]。

2.3 操作要点及质量控制

2.3.1 破碎锤改装

液压破碎锤在标准配备下无法实现水下作业，因为水进入钎杆座后会引发水压波，进而破坏液压系统密封件，甚至造成液压系统故障。为此，必须对液压破碎锤进行简易改装，将高压空气注入破碎锤下缸体内，避免水流入液压破碎锤结构中，使液压破碎锤具备水下作业的功能，同时将带破碎锤的挖掘机固定于船体。不同形式的钎杆适用于不同工况，具体如表1所示，综合考虑该航道整治工程地质条件及主要为水下施工后选择杵形钎杆。

表1 不同形式钎杆的适用工况表

液压破碎锤上缸体中本身充填有压缩氮气，氮气和高油压联合作用使活塞向下运动，在破碎施工开始前必须检测破碎锤内氮气压力。操作挖掘机以使破碎锤与地面平行，且离地面50 cm，将挖掘机发动机关停后拆下破碎锤缸体氮气阀盖，并将氮气压力表接入氮气阀上，进行氮气压力检测。若压力不足，还应连接气管后进行氮气充填。打开氮气瓶开关转动压力手柄，待氮气压力达到标准值后停止手柄转动，保持8～10 s后关闭开关，将充气接头取下。将压力表接在氮气阀上进行氮气压力测定，若所充填的氮气压力值比标准值高，则应通过压力表进行调整。水下破碎施工由于环境的特殊性，在调整氮气压力时必须充分考虑到水压力和阻力的影响[3]，结合工程实际，液压破碎锤缸体氮气压力应为厂家所提供的地面施工氮气压力+(0.03～0.04)MPa。

将装载液压破碎锤的船只拖运至待破碎开挖位置后通过“定位桩”抛锚定位，由技术人员通过GPS测量仪将船只定位引导至设计位置后下沉定位桩，进行岩石破碎。施工全过程中技术人员应借助GPS测量仪进行船只位置跟踪定位，确保破碎分裂施工的准确性和连续性。

2.3.2 水下作业质量控制

在施工定位的基础上，水下破碎施工前还应进行测量放样，即以开挖设计边线为依据测放出开挖轮廓，并通过标尺将所测高程在地形图中标出，以加强开挖高程控制。开始开挖后，先将表面覆盖层及松动岩石清除，再通过大功率挖掘机强挖。对于无法开挖的破碎分裂区，将液压锤安装在挖掘机上，以破碎程度较容易的端面为起点，从上至下按照40～50 cm的厚度分段、分层破碎，为保证破碎效果，应待破碎锤钎杆垂直作用于岩石打击面后开启破碎锤，借助其冲击力达到岩石破碎的目的，且整个破碎过程中，破碎锤打入岩石的角度始终控制在45°。本航道整治工程中破碎分裂区按照0.8～1.2 m的间隔设置，待按设计尺寸形成破碎分裂区后，再通过大功率反铲挖机以已破碎岩石分裂区为突破口强挖岩石。挖掘机强挖布展情况具体如图2所示。

图2 挖掘机强挖布展示意图(m)

每层破碎完成后应配合挖机进行破碎岩体清除，并重新测量高程，结合测量结果进行下一层开挖高程控制。为保证破碎锤效果的顺利发挥，应随着破碎进程及时清除碎石，如遇破碎锤空打，则应立即调整打击位置和方向。破碎施工过程中，每间隔5 min应将破碎锤完全提出水面并保持5～10 s，以排出破碎锤内水分。施工期间将钢钎压入缸体到位后加注黄油。

2.3.3 破碎结束

水下破碎施工结束后提起破碎锤，在陆地上继续以中低速运转10 min，直至破碎锤打击腔内水分完全排除。从挖掘机上将破碎锤拆下，将钢钎、进气管等拆除，堵住堵头，排出氮气，并将缸体内氮气压力重新调整至0.4～0.5 MPa，将机械部件上水分和污泥擦除后涂抹防锈油防腐。

破碎锤施工对整机工作装置及其余构件有较大影响，很容易因自身做功和振动而引发构件开裂，为此在破礁过程中必须定期检查结构开裂情况，每半年进行一次液压破碎锤供油泵调整，以延长主泵使用寿命。

3 结语

右江航道整治工程中东笋水电站至上宋右江大桥(贵百高速公路)段水下障碍物清理采用液压破碎锤水下破碎施工。结果表明，该施工技术能有效防止水下爆破开挖施工所产生的冲击波、地震波、脉动水压力破坏以及对周围构筑物的不利扰动，还能避免直接开挖清障效果差、施工过程繁琐等弊端。通过改装液压破碎锤可实现破碎锤在陆地和水下破碎施工过程的转换，破碎清障操作过程更加简便，投入成本节省，结合挖掘机及时清理破碎石块，经济效益、社会效益和环境效益十分显著。