中交广州航道局有限公司 510221
摘要：南非伊丽莎白港市诺哈港（Port of Ngqura）集装箱码头港池疏浚工程，由于疏浚土质含有质地坚硬的砾石滞留沉积层，岩石单轴抗压强度（UCS）超过40MPa，厚度达到3m，常规疏浚船破岩能力不足。项目调用世界最大抓斗式挖泥船“东祥”号，采用重型抓斗与“金建”号挖泥船配备的凿岩锤组合施工，成功破岩并完成顺利交付。
关键词：港池；重型抓斗；凿岩锤；钙质胶结岩；破岩效果
1.工程概况
诺哈港（Port of Ngqura）位于南非伊丽莎白港市以东20公里处的Coega工业区，业主南非国家运输集团（Transnet）将此港口定位为非洲南部集装箱和散货枢纽码头。港口建设始于2002年，第一期工程采用干法施工，已建成包括两个集装箱泊位（D100和D101）并已投入使用。该项目第二期工程要求将集装箱泊位D101、D102和D103前的港池由水深基准面以下-5m至-10m不等疏浚至港池设计底标高-16m，疏浚土石方量130万方，工期180天。疏浚废料运送至港池外东南方向约9公里处水深-30m处的外海抛泥区。
诺哈港防波提掩护已经形成，挖泥作业受防波提保护，泥驳抛泥受印度洋海况影响；由于港池内的施工区紧挨已运营的D100和D101泊位且面积较小，有集装箱货轮进出通行，工地有两艘抓斗船和四条泥驳，作业需要避让进出货轮，作业时间需要与港调协调。
港口平均潮差1.04米，常年盛行西南风，受西南风的驱动海流主要是西北方向，大风天气集中在夏季和春季。
施 工现场平面示意图见图1。
图1：施工现场平面图
2.疏浚土质情况
根据业主提供的地质勘察资料，港池内的主要疏浚土质分类、分层如下：
•填充材料：由于前期已建成的码头前沿采用干法施工，整个港池疏浚区覆盖着干式施工阶段留下的松散粉砂、泥岩碎石等填充、抛弃的废料。层厚约1m至3m；深度-3m至-10m；单轴抗压强度（UCS）为2至10MPa；
•海洋沉积物：由高密度的海洋细砂、中粗砂、淤泥、海洋生物化石组成。层厚约0.5m至2.7m；深度-3m至-14m；UCS为10至20MPa；
•砾石滞留沉积：由椭圆形砾石和鹅卵石与较粗的粘土砂基质组成同时夹杂分散的巨石，呈透镜体断续分布。层厚约0.5m至3m；深度-10m至-17m；UCS为10至43MPa；
•柯克伍德构造：一种以南非东南部的柯克伍德地区命名的地质构造，由中等硬度以下的深灰色页岩，粉砂岩和泥岩组成并夹杂海洋生物化石，硬度随着深度而增加。层厚约0.5m至3m；深度-13m至-20m；UCS为10至25MPa。
因环评限制，业主不允许爆破施工。
3.施工船舶
项目主要配备“东祥”（Tosho）（如图2）和“金建”两艘抓斗式挖泥船。
“东祥”号挖泥船用于开挖UCS强度15至40MPa的中、高硬度土质，“金建”号挖泥船用于开挖强度低于20MPa的土质；同时配备仓容量为1000和2000立方米的开体泥驳各两艘，合计仓容量6000立方米，以及拖船一艘用于辅助施工。
4.施工难点
工程的施工难点在于现场实际开挖暴露出疏浚土质和业主提供的钻探资料有出入，问题集中在砾石滞留沉积层，此沉积层主要是透镜状分布的钙质胶结砾岩，其UCS强度普遍高于40MPa，甚至达到83.5MPa，平均值为57.6MPa，现场UCS试验报告如下图3。
先期兄弟单位投入的反铲挖泥船“金泰”号（斗容25立方米）在完成67万立方米挖泥量后因无法开挖下层坚硬土质，不得已撤离施工现场。
尽管“东祥”号装备有三副抓斗，破岩能力最强的是自重480吨的136m3液压抓斗，按抓斗作业规范该抓斗不允许以下落时的冲击力破土，靠抓斗自重最大破岩能力为40Mpa，对于现场强度高于40Mpa的钙质胶结砾岩“东祥”号尚不能胜任，这给疏浚作业带来巨大挑战。
5.施工方案
由于爆破工艺受环评限制，针对上述问题，项目部采取了“凿岩锤凿岩-抓斗清除”的工法组织施工。施工方案简述为：卸除“金建”号抓斗，在起重钢丝绳上悬挂随船配备的凿岩锤，起重机将其提升到一定的高度，松开离合器，让凿岩锤自由下落，借助冲击力将水下岩石击破，提起凿岩锤，再将锤转到下一个点，然后开始另一个凿岩循环。冲击能的大小依锤重、下落高度而定。当击碎一层后安排后继“东祥”号抓斗船清挖碎岩，如此更替逐层凿岩、清挖，直至满足设计标高。
图3：岩石单轴抗压强度（UCS）试验报告
6.实施过程
6.1施工工艺
先用抓斗船挖除表层填充料及松散海洋沉积物，当遇到下层沉积砾岩抓斗无法清挖时，则采用凿岩锤分层击碎后清挖，锤击与清挖交替进行。
采用分块、分条、分层的施工方法进行破岩及清挖，“金建”号在前方凿岩，“东祥”号跟进清挖。分条宽度根据船宽、分段长度根据移船锚缆长度而定。
“金建”号凿岩锤重35吨，提升锤于作用面之上5至7米，控制好钢缆离合器确保单锤冲击深度约为0.2m～0.4m，每次锤击可以产生150MPa以上的冲击力，UCS强度在40至80MPa范围的坚硬砾岩可以开裂、破碎。锤击点位的间距控制在2至3m，“金建”号移位后，“东祥”号紧跟清挖。本项目不采用密度大的“压半锤”布点（0.5m间距）做法，这样可以充分发挥“东祥”号重型抓斗二次破岩的能力，因而提高了锤击作业效率。
每完成一层岩石清挖后，进行一次测深，对未达设计要求处作标识，并将电子测图输入控制电脑，便于下次定点清除。
6.2船舶的定位
开工展布时，先将施工船舶移至施工区，由安装在船上的GPS仪定位，该定位仪同时装有《疏浚工程电子图形控制系统》软件与计算机联接。GPS在接收卫星信号的同时，也接收陆地控制点上基准台的差分信号，从而确定准确的船位坐标；计算机以图形形式显示出船舶与岩石的相对位置，同时还能在屏幕上看到由不同颜色标示出的岩面标高。船舶移至岩石标记位置后，即可凿岩或开挖作业。
7.施工效果
凿岩效果经水深测量数据比对、现场观察，一次锤击可以破裂2m厚岩层，基本达到全断面侵透钙质胶结岩层。加上后续清挖时重型抓斗的二次破岩，岩石碎片直径不超过1.5m，且均匀分布，非常适合重型抓斗后续清挖，施工效率显著提高，同时减少了重型抓斗的耗损。
“金建”号每日破岩面积3500平方米，历时8天，共完成凿岩面积28000平方米；“东祥”号清挖碎岩，平均日产量6000方，共完成51000方岩石开挖。
从整体施工效果来看，“凿岩锤凿岩-抓斗清除”的施工方案解决了硬岩开挖难题。工程质量、进度达到了业主要求；在安全环保方面，施工没有对附近的泊位、码头前沿等建筑物造成不良影响同时保护了水下生物，安全优质地完成了施工任务，取得了预期的挖泥效果。
凿岩前后开挖效果对比见图4：
图4：（从左至右）凿岩前，观测到由“东祥”号挖出的最大块状砾岩尺寸为5m x 5m x 0.8m；凿岩后，东祥号挖出的砾岩碎块尺寸均匀，直径不超过1.5m
尽管“东祥”号的136m3重型抓斗可以抓取巨大板状砾岩，但由于受抓取位置和角度的限制，实际开挖效率大幅降低，正常情况下抓斗抓取碎石土每斗挖泥周期为3分钟，遇到这样的板状砾岩往往耗时数倍，同时斗齿及液压起重元件磨损加剧，维护保养成本加重，因此凿岩前的施工作业并不经济合算。相比凿岩后抓取的体积变小、尺寸均匀的岩石，开挖效率显著提高。
8.结束语
本次港池疏浚施工，遇到坚硬的砾石滞留沉积层，开挖难度大，同时施工区间狭窄、施工干扰多、安全风险高。受爆破施工限制，“东祥”和“金建”两条抓斗式挖泥船采用“凿岩锤凿岩-抓斗清除”的安全、环保的施工方案进行开挖，最终有效地完成疏浚任务，项目如期顺利交付。
实践证明重型抓斗与凿岩锤组合开挖作为水下爆破施工的替代方法，在小范围、浅深度、中、高硬度岩石的清除施工中使用是安全、可靠、环保、低碳的，是值得推广的施工工艺。
参考文献：
[1]Braja M Das. Soil Mechanics Laboratory Manual.6th Edition.Oxford University Press.2002
[2]中交天津航道局有限公司.疏浚工程学[K].1997
[3]中交天津航道局有限公司.疏浚技术[K].1997
作者简介：杨敬军 （1971），男，土木工程专业，助理工程师
论文作者:杨敬军
论文发表刊物:《防护工程》2018年第16期
论文发表时间:2018/10/22
标签：抓斗论文; 砾岩论文; 挖泥船论文; 作业论文; 岩石论文; 土质论文; 南非论文; 《防护工程》2018年第16期论文;