一种环保型海底礁石清理施工工艺
技术领域
本发明涉及一种海底礁石清理工艺，特别涉及一种环保型海底礁石清理施工工艺，属于海洋疏浚工程技术领域。
背景技术
航道整治或海底隧道基槽开挖过程中，为了满足航运水深和工程施工的需求，需要对海底礁石进行清除。目前最常用的方法是水下爆破清礁，在环境要求严格的区域，如周边存在危险品或海洋生态保护区等区域则不适用。
采用水下爆破清礁，爆破时不仅会产生巨大的爆破振动，还会产生水击波、涌浪，对施工人员、施工船舶及过往船只造成较大的安全威胁。因此，在爆破施工期间，必须布置较大的安全警戒范围，影响附近海域船舶的通航。另外，采用水下爆破清除礁石，爆炸产生的水下冲击波和振动较大，炸药爆炸产生的有害物质容易造成水体污染，对附近的水中鱼类和其它浮游生物产生致命伤害。
水下重锤冲击凿岩法是一种环保型清礁工艺，是将重锤提升到一定高度后自由下落，利用重锤的重力势能转化为巨大的冲击力使礁石破碎。但是，目前重锤冲击凿岩法通常根据施工人员经验设置凿岩棒提升高度、凿岩点凿击次数等凿岩参数，人为影响因素较大，对施工人员的要求较高，清除进度慢，而且，常常出现超挖、欠挖等情况，需要重复施工才可达到良好的清礁效果，工效较低。
发明内容
发明目的：针对目前水下爆破清礁方法存在的安全、环境威胁问题以及重锤冲击凿岩法存在的工效低等问题，本发明提供一种安全环保、且能够有效提高施工效率的环保型海底礁石清理施工工艺。
技术方案：本发明所述的一种环保型海底礁石清理施工工艺，包括如下步骤：
(1)将海上凿岩平台行驶至待清理礁石上方，固定其位置并对其定位；该海上凿岩平台包括凿岩棒和抓斗；
(2)进行典型区域破碎效果的工业性试验；
(3)根据试验结果，进行凿岩施工参数敏感性分析，对凿岩效果评价指标回归分析，得到计算凿岩施工参数的回归方程，据此计算清礁区域的凿岩施工参数；
(4)建立清礁区域的三维地貌图形；
(5)根据清礁区域的三维地貌图形及凿岩施工参数布置凿岩点，采用凿岩棒对各个凿岩点进行凿岩破碎，并使用抓斗清理破碎后的礁石；
(6)将海上凿岩平台驶出清礁区域，重新建立清礁区域的三维地貌图形；
(7)分析清礁后的三维地貌图形，对没有达到设计标高的欠挖区域参照步骤(5)～(6)继续施工，直至所有区域清礁达到设计标高。
上述步骤(2)中，工业性试验可采用正交试验方法，试验过程控制的凿岩施工参数包括：凿岩棒提升高度、凿岩点凿击次数、凿岩点的排距和位距；试验结果为凿岩效果，凿岩效果评价指标包括：岩石破碎平均块度、不均匀系数、破碎岩石分形维数和清礁厚度。
具体的，步骤(3)中，先对凿岩施工参数进行敏感性分析，分析各施工参数对凿岩效果评价指标的影响规律，然后采用MATLAB程序对各凿岩效果评价指标进行回归分析，建立已知凿岩效果评价指标计算凿岩施工参数的回归方程。
当海底礁石单轴压缩强度为90～150MPa时，可采用如下回归方程计算凿岩施工参数：
H＝-54.510+0.943D+27.113F+6.517N-7.073S；
T＝18.409-0.154D-9.014F-2.391N+2.859S；
C＝-14.302+0.016D+5.070F+0.537N-0.066S；
R＝21.815-0.137D-8.612F-1.535N+1.703S；
上式中，H、T、C、R分别为凿岩棒提升高度、凿岩点凿击次数、凿岩点排距和凿岩点位距，D、F、N、S分别为清礁厚度、破碎礁石分形维数、不均匀系数和岩石破碎平均块度。
优选的，步骤(4)、步骤(6)中，可通过对清礁区域进行多波束水深测量建立清礁区域的三维地貌图形。
当海底岩石的强度大于150Mpa时，步骤(5)中，可采用“钻孔-布钢锭-凿岩-抓斗”的施工方法，即先在各个凿岩点钻取凿岩孔、并在凿岩孔内布设钢锭，然后再采用凿岩棒对各个凿岩点进行凿岩破碎。其中，钢锭可为圆锥形，最好在相邻凿岩孔内间隔布设钢锭。
具体的，本发明的上述施工方法采用的海上凿岩平台包括船体，船体甲板上设有凿岩控制室，凿岩控制室上设有吊臂，吊臂包括两连接端，第一端与凿岩控制室铰接，第二端上设有缆绳、用于悬挂凿石棒或抓斗，且该第二端与牵引设备连接、用于调整吊臂的抬升角度以控制吊臂的可操作范围；凿岩控制室底部通过转盘与甲板固定连接，转盘转动，吊臂随凿岩控制室旋转，控制凿石棒及抓斗的凿击位置及清理位置。
优选的，吊臂顶端固定有GPS定位系统。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点为：本发明的环保型海底礁石清理施工工艺通过典型区域试验，建立计算凿岩施工参数的回归方程，可简单方便地确定最优凿岩施工参数，从而可精准高效地实现海底基槽的开挖，与经验判断施工参数相比，有效减小了施工误差，避免了的欠挖、超挖导致的重复施工作业、施工要求难以满足的情况，大大提高了施工效率、降低施工成本；而且，施工过程中不会对海底生物造成破坏，降低了基槽开挖和航道整治工程中对水下生态环境的影响，具有极其显著的生态效益及经济效益。
附图说明
图1为本发明的环保型海底礁石清理施工工艺使用的海上凿岩平台的结构示意图；
图2为凿岩区域平面布置俯视图；
图3为“钻孔-布钢锭-凿岩-抓斗”施工方法的钢锭结构示意图；
图4为“钻孔-布钢锭-凿岩-抓斗”施工方法的钢锭布置图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
本发明的一种环保型海底礁石清理施工工艺基于水下重锤冲击凿岩法，如图1，该施工工艺通过海上凿岩平台1实现，海上凿岩平台1基于水下重锤冲击凿岩法常用的凿岩船。
具体而言，海上凿岩平台1包括船体、可行驶至特定的清礁区域，船体的四个角落固定有锚缆7，当海上凿岩平台1行驶至待清理礁石上方时，可通过锚缆7固定其位置。船体甲板9上设有凿岩设备及生活区11。其中，凿岩设备包括凿岩控制室10、转盘2、吊臂3、凿岩棒4、抓斗5等。
凿岩控制室10设置在海上凿岩平台1船体的一侧，与吊臂3连接，通过控制吊臂3运动控制凿岩过程的进行。吊臂3包括两连接端，第一端与凿岩控制室10铰接，第二端上设有缆绳，可悬挂凿岩棒4或抓斗5；当需要进行凿岩破碎时，在该缆绳底部悬挂凿岩棒4，并将抓斗5置于甲板9上，破碎完成后，将凿岩棒4取下，悬挂抓斗5，清理破碎后的礁。抓斗5至少设有两个，分别用于淤泥与礁石的清理。吊臂3第二端还与牵引设备14连接，牵引设备14可通过牵引索牵引吊臂3的第二端调整其抬升角度，控制吊臂3的可操作范围，进而控制凿石棒4或抓斗5与船体间距离远近；牵引设备14还可包括第二根牵引索，与吊臂3上的缆绳连接，牵引凿岩棒4或抓斗5的升降。
凿岩控制室10底部通过转盘2与甲板9固定连接，转盘2转动，凿岩控制室10带动与其连接的吊臂3旋转，控制凿石棒4及抓斗5的凿击或清理位置。
吊臂3的第二端可固定有GPS定位系统8，对凿岩设备及凿岩点进行精准定位。相应的，凿岩控制室10内设有GPS控制系统。
本发明的一种环保型海底礁石清理施工工艺采用上述海上凿岩平台1，具体包括以下步骤：
(1)检修海上凿岩平台1的各类施工设备，进行清礁施工的准备工作；
(2)将海上凿岩平台1行驶至待清礁区域12上方，将绘制好的凿岩点布置图导入凿岩控制室10的GPS控制系统，通过绞锚缆7固定海上凿岩平台1，利用吊臂3顶端的GPS定位系统8对凿岩设备进行精准定位；
(3)采用正交试验法进行典型区域破碎效果的工业性试验；
典型区域一般为能够代表该区域岩性(岩石强度)的区域。正交试验控制因素设置为凿岩棒提升高度、凿岩点凿击次数、凿岩点的排距和位距；实际现场通常会布置多排凿岩点，每排多个凿岩点，如图2中，共布置了3排，每排19个凿岩点，其中，凿岩点的排距为相邻两排凿岩点之间的距离，凿岩点的位距为每排相邻两两凿岩点之间的距离。凿岩效果评价指标设置为岩石破碎平均块度、不均匀系数、破碎岩石分形维数和清礁厚度。
(4)根据正交试验结果，进行凿岩施工参数敏感性分析，分析各施工参数对凿岩效果评价指标的影响规律，然后采用MATLAB程序对各凿岩效果评价指标进行回归分析，建立已知凿岩效果评价指标计算凿岩参数的回归方程；
(5)根据凿岩参数回归方程，计算清礁区域的凿岩施工参数；
当海底礁石单轴压缩强度为90～150MPa时，可采用如下回归方程计算凿岩施工参数：
H＝-54.510+0.943D+27.113F+6.517N-7.073S；
T＝18.409-0.154D-9.014F-2.391N+2.859S；
C＝-14.302+0.016D+5.070F+0.537N-0.066S；
R＝21.815-0.137D-8.612F-1.535N+1.703S；
上式中，H、T、C、R分别为凿岩棒提升高度、凿岩点凿击次数、凿岩点排距和凿岩点位距，D、F、N、S分别为清礁厚度、破碎礁石分形维数、不均匀系数和岩石破碎平均块度。
(6)对清礁区域12进行多波束水深测量，建立清礁区域12礁石的三维地貌图形；根据清礁区域的三维地貌图形及凿岩施工参数布置凿岩点；
(7)将凿岩棒4安装在吊臂3上，对清礁区域12进行冲击破碎，凿岩过程中，通过对锚缆7的收放控制，控制海上凿岩平台1实现定向和定量的前后左右移动，通过控制转盘2的旋转角度，利用吊臂3顶端的GPS定位系统8进行凿岩点的精确定位，对凿岩点13按照顺序凿击，如图2，在吊臂3可移动控制范围内的礁石凿击完毕后，移动海上凿岩平台1到下一区域内进行凿岩施工；凿岩结束后，将凿岩棒4卸下，将抓斗5安装在吊臂3上，对冲击破碎后的礁石进行清理；
(8)将海上凿岩平台1驶出清礁区域12，对清礁区域12进行多波束水深测量，重新建立清礁区域的三维地貌图形；
(9)分析清礁后的三维地貌图形，对没有达到设计标高的欠挖区域按照步骤(7)、(8)继续施工，直至所有区域达到设计标高；
(10)将凿岩棒4和抓斗5固定在甲板上，吊臂3旋转至海上凿岩平台甲板9上方，机械设备保养维护，进行下一区域的清礁准备工作，以此循环，定向移动凿岩平台实现对礁石的全部清理。
其中，凿岩棒4凿岩采用后退式布置方式，即在一个吊臂3可操作范围区域内先凿击远离海上凿岩平台1的凿岩点，吊臂3的抬升角度由小变大，凿岩棒4逐渐靠近海上凿岩平台1，对凿岩点13由远到近分排进行凿击；礁石抓取采用前进式布置方式，即在一个吊臂3可操作范围区域内先抓取靠近海上凿岩平台1的凿岩点，吊臂3的抬升角度由大变小，抓斗5逐渐远离海上凿岩平台1，对凿岩点13由近到远分排进行清理。
清理礁石上覆淤泥和破碎礁石时，将抓斗抓取的淤泥和礁石放入泥驳船内，泥驳船装满后运输至卸泥区弃卸，在清礁前后对清礁区域进行多波束水深测量，将多波束扫频设备固定在交通船上，减少清礁过程中船舶的投入。
当海底礁石较为坚硬时，采用“钻孔-布钢锭-凿岩-抓斗”相结合的施工方法，即先在各个凿岩点钻取凿岩孔15、并在凿岩孔15内布设钢锭16，然后再采用凿岩棒对各个凿岩点进行凿岩破碎。可将钢锭16设计为圆锥形，如图3，有利于锤击时将竖向力转化为对岩石的水平力；钢锭16可按照间隔布设的原则布置，简单示意如图4，未布钢锭的凿岩孔15为礁石的破裂留下空间，有利于礁石破裂。
实施例1
某跨江沉管隧道施工过程中，沉管隧道基槽设计标高范围内存在大量微风化花岗岩，其饱和单轴抗压强度在90～150MPa之间，清礁工程处于有禁爆要求的濒危动物保护区，因此采用凿岩工艺对坚硬礁石进行动力破碎处理。
为确定凿岩施工参数，采用正交试验法进行典型区域的工业性试验。
设计4因素4水平的正交试验，4个影响因素分别为：因素A，凿岩棒提升高度；因素B，凿岩点凿击次数；因素C，凿岩点的排距；因素D，凿岩点的位距；各因素设置3个水平，具体设置见表1。
表1正交试验各因素水平值
根据正交试验结果，采用MATLAB程序对凿岩效果评价指标(清礁厚度、破碎礁石分形维数、不均匀系数和岩石破碎平均块度)进行回归分析，得到利用凿岩效果评价指标计算凿岩施工参数的回归方程：
H＝-54.510+0.943D+27.113F+6.517N-7.073S；
T＝18.409-0.154D-9.014F-2.391N+2.859S；
C＝-14.302+0.016D+5.070F+0.537N-0.066S；
R＝21.815-0.137D-8.612F-1.535N+1.703S；
式中：H、T、C、R分别表示为凿岩棒提升高度、凿岩点凿击次数、凿岩点排距和凿岩点位距，D、F、N、S分别表示为清礁厚度、破碎礁石分形维数、不均匀系数和岩石破碎平均块度。
根据清礁区域的岩性特征，考虑装运效率，设定清礁厚度35cm，礁石破碎平均块度13cm、不均匀系数13、分形维数2.0，带入回归方程，计算可得凿岩施工参数为凿岩棒提升高度17.3m，凿岩点凿击次数1次，凿岩点排距2.5m，位距2.0m。
采用该凿岩施工参数进行目标区域的清礁施工，2次施工后，分析清礁后的三维地貌图形，所有区域已达到设计标高；不存在超挖、欠挖区域，满足凿岩施工要求，无需重复施工。
