疏浚工程鑿巖棒破巖特性及施工技術(shù)研究

詹銳彪，馬定強，廖曾平

（中交廣州航道局有限公司，廣東 廣州 510290）

0 引言

鑿巖工藝作為一種環(huán)保型清礁工藝，通過將鑿巖棒提升一定高度后自由下落，將巖石鑿裂破碎，達到順利清礁的目的。鑿巖工藝改“炸”為“鑿”，不受施工條件限制，無需增加船機設備，在實施過程中不影響船舶正常航行以及碼頭生產(chǎn)，對周圍環(huán)境沒有影響，安全便捷，組織靈活，在爆破工藝無法應用的清礁工程中表現(xiàn)出巨大的前景和應用價值。

目前，鑿巖工藝已經(jīng)廣泛應用于國內(nèi)外鑿巖施工中，并取得較好施工效果。深圳港鹽田港區(qū)的疏浚工程[1]綜合考慮了碼頭運營、環(huán)境保護以及施工安全，使用鑿巖工藝對堅硬礁石進行了清理，取得了較好效果。福州港三都澳港區(qū)漳灣作業(yè)區(qū)10 號泊位的施工工程[2]中，為了避免破壞附近區(qū)域的養(yǎng)殖區(qū)并保證已建泊位的安全，現(xiàn)場采用鑿巖工藝進行分層鑿巖施工，保質(zhì)保量完成了施工任務。阿爾及利亞奧蘭港Conakry 和Senegal 碼頭加固工程[3]中為了保證施工區(qū)內(nèi)舊碼頭和郵輪大廳的安全和正常運營，使用鑿巖棒和抓斗船相結(jié)合的施工方式進行了施工，高質(zhì)量地完成了施工任務。幾內(nèi)亞科納克里集裝箱碼頭擴建工程[4]中，由于礁石位置距離原碼頭較近，施工區(qū)域較為封閉，交叉作業(yè)船只繁多，炸礁方案無法保證原碼頭及施工水域船只的安全，現(xiàn)場使用水下鑿巖工藝進行施工，既滿足施工進度要求，一定程度上也降低了施工成本。此外，在榕江航道整治工程[5]、西江（界首至肇慶）航道擴能升級工程[6]、廈門嵩嶼港區(qū)二期工程[7]、安哥拉羅安達SONILS 石油服務基地項目[8]、沙特扎瓦爾疏浚吹填項目[9]以及友誼港3 號泊位工程[10]均有使用鑿巖工藝進行施工的案例。因此，鑿巖工藝為特殊條件下清礁的順利進行提供了有效途徑。

雖然鑿巖工藝的應用越來越廣泛，但關(guān)于鑿巖工藝的系統(tǒng)研究相對較少，對不同形狀鑿巖棒破巖特點的研究較少。根據(jù)目前存在的問題，本文總結(jié)現(xiàn)行鑿巖工藝主要流程，使用LS-DYNA軟件研究了斧式、三向刀面圓柱式、單尖圓柱式、四角樁式及梅花樁式鑿巖棒的破巖特點，探討不同形狀鑿巖棒的優(yōu)缺點和適用條件。結(jié)合深中通道鑿巖施工現(xiàn)場，對鑿巖工藝進行了應用，明確了斧式鑿巖棒處理堅硬巖層的施工參數(shù)，巖石破碎效果較好，為鑿巖工藝的應用提供參考。

1 鑿巖工藝基本流程

根據(jù)國內(nèi)外鑿巖工藝的應用情況，對鑿巖工藝的基本流程總結(jié)如下。

1.1 施工準備

在鑿巖施工正式啟動前，需要進行一系列的準備措施，確保施工正式啟動后可以平穩(wěn)有序進行。施工準備的主要內(nèi)容包括船只和施工設備的準備和調(diào)度、人員的組織和培訓、施工安全方案的制定、技術(shù)文件的交底、各單位間的協(xié)調(diào)、工程地質(zhì)勘察等。

1.2 清理巖面淤泥

清理巖面淤泥是鑿巖施工前的重要工序，該工序可提高水深探測的準確性，從而準確制定鑿巖施工參數(shù)，減少無效施工，提高施工效率，保證施工質(zhì)量。清淤設備可使用絞吸船，將大功率潛水泵配合抽淤管下放至巖面進行淤泥清理，結(jié)束后使用泥漿密度檢測，檢驗清淤效果。

1.3 水深探測確定施工條件

清淤后可根據(jù)現(xiàn)場情況需要使用多波束水深探測或單波束水深探測進行水下地形掃測，確定施工區(qū)的實際地形地貌特征以及巖面標高。

1.4 輔助工序

當巖石強度較高，僅使用鑿巖棒破巖難以對巖石有效破碎時，可以增加一些輔助工序協(xié)助破巖。常用的輔助工序有：預先鉆孔、布設鋼錠、改裝鑿巖棒以及使用機械設備輔助鑿巖等。

1.5 確定鑿巖參數(shù)

鑿巖施工參數(shù)決定了施工的質(zhì)量和準確性，制定合理的施工參數(shù)對提高施工效果意義重大。目前施工參數(shù)主要包括：鑿巖棒的選擇，鑿巖點布設方式，單點鑿擊次數(shù)，提升高度等。本文主要針對不同鑿巖棒對破巖特點進行了研究。

1.6 鑿巖施工

在各準備工作就緒后，開始進行鑿巖施工。鑿巖過程中，施工現(xiàn)場通常使用分條、分塊和分層的施工方法，按照預定參數(shù)進行鑿巖作業(yè)。當施工過程中遇到堅硬巖石，預定施工參數(shù)下巖石破碎效果不佳時，可以適當對鑿巖點布設方式、單點鑿擊次數(shù)、提升高度進行調(diào)整，確保巖石的破碎程度滿足要求。

1.7 清礁作業(yè)

清礁作業(yè)通常使用抓斗船配合泥駁的方式進行，清挖過程應遵循分條、分塊和分層的施工方法，防止局部超挖和欠挖，提高清挖質(zhì)量。

1.8 水深檢測確定鑿巖效果

在清礁結(jié)束后，再次進行水深探測確定鑿巖效果，水深探測方法與前述相同。

當鑿巖效果滿足施工要求時，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，結(jié)束鑿巖或進行下一層鑿巖。在進行下一層鑿巖施工時，施工參數(shù)可根據(jù)本次施工效果適當調(diào)整，進一步提高施工質(zhì)量和施工效率。

2 不同形狀鑿巖棒破巖特性

常用的鑿巖棒有斧式、三向刀面圓柱式、單尖圓柱式、四角樁式、梅花樁式等，見圖1，不同形狀鑿巖棒對巖石的破壞特點有較大區(qū)別。為此使用LS-DYNA 軟件對不同形狀鑿巖棒的破巖特點進行了研究。

圖1 鑿巖棒形式Fig.1 The types of rock drilling rod

根據(jù)不同形狀鑿巖棒的特點建立了相應的鑿巖棒數(shù)值模型。各模型中，巖石尺寸為4 m×4 m×2 m，對巖石模型的底面及4個側(cè)面進行法向位移的約束，并設置為無反射邊界以模擬無限空間。鑿巖棒緊靠巖石上表面，施加14 m/s 的初始速度，自由下落沖擊巖石。斧式鑿巖棒使用密度為7 850 kg/m3的剛體材料，巖石使用JH-2 模型[11]進行表征，巖石材料的參數(shù)如表1 所示。

表1 典型中風化花崗巖參數(shù)表Table 1 Parameters of typical moderately weathered granite

2.1 斧式鑿巖棒破巖特性

2.1.1 模型建立

斧式鑿巖棒的形狀見圖1（a），該種鑿巖棒棒尖呈楔形，棒中部較厚，更易鑿入巖石，并避免陷入巖石難以提升。根據(jù)其形狀特點，建立相應的數(shù)值模型如圖2 所示。

圖2 斧式鑿巖棒數(shù)值模型Fig.2 Numerical model of axe rock drilling rod

2.1.2 沖擊破巖特點

斧式鑿巖棒鑿擊下巖石的損傷等值面圖見圖3，圖例為無量綱數(shù)，0 代表沒有破壞，1 代表完全破壞。鑿巖棒與巖石為線接觸，壓強較小，巖石破壞深度較大，損傷區(qū)分布沿鑿擊線走向方向長而兩側(cè)略窄，形狀類似半橢球狀，破壞范圍較大。

圖3 斧式鑿巖棒破巖損傷等值面圖Fig.3 Isosurface for rock breaking damage of axe rock drilling rod

2.1.3 優(yōu)缺點及適用范圍

斧式鑿巖棒破壞深度和破壞范圍均較大，適用范圍較廣，楔形的棒尖對巖石的壓力大，對堅硬巖石有較好破壞效果。

2.2 三向刀面圓柱式鑿巖棒破巖特性

2.2.1 模型建立

三向刀面圓柱式鑿巖棒的形狀如圖1（b）所示，其棒尖由3個楔形刀面組成。根據(jù)該鑿巖棒的形狀特點，建立相應的數(shù)值模型。

2.2.2 沖擊破巖特點

分析三向刀面圓柱式鑿巖棒鑿擊下巖石的損傷等值面圖，可以看出，巖石在3個刀面的交界處破碎明顯，巖石中的損傷貫通程度好，整個損傷區(qū)表現(xiàn)出繞棒尖與巖石接觸線分布的特點。

2.2.3 優(yōu)缺點及適用范圍

三向刀面圓柱式鑿巖棒的作用范圍大，對表層至中層巖石的破壞效果較好。但鑿巖棒與巖石為線接觸，接觸范圍相對較大，當?shù)匦纹鸱^大時，棒尖難以與巖石形成有效接觸，從而影響鑿巖破碎效果。同時該種鑿巖棒棒尖的形狀較為復雜，在處理堅硬巖層時，容易出現(xiàn)棒尖磨損嚴重卻難以在現(xiàn)場進行加固的情況。該種鑿巖棒適用于中等強度及以下巖石的鑿巖作業(yè)中。

2.3 單尖圓柱式鑿巖棒破巖特性

2.3.1 模型建立

單尖圓柱式鑿巖棒的形狀如圖1（c）所示，該鑿巖棒的形狀類似鉛筆狀。

2.3.2 沖擊破巖特點

該種鑿巖棒與巖石的接觸為點接觸，壓強大，對巖石的破壞效果明顯。巖石的損傷發(fā)育表現(xiàn)出由鑿擊點向外輻射的特點。

2.3.3 優(yōu)缺點及適用范圍

單尖圓柱式鑿巖棒能對巖石造成有效破碎，且棒尖形狀簡單，易在施工現(xiàn)場修補和加固。但該鑿巖棒單點與巖石接觸，巖石破壞范圍小，施工效率較低，適用于強度較高的堅硬巖石施工。

2.4 四角樁式鑿巖棒破巖特性

2.4.1 模型建立

四角樁式鑿巖棒的形狀見圖1（d），由4個支柱和頂部的中心柱組成，支撐柱的角點為錐形。

2.4.2 沖擊破巖特點

該種鑿巖棒與巖石為點接觸，接觸面積小，對巖石的壓強大。單個角點處對巖石的破壞效果與單尖圓柱式鑿巖棒類似，但每次鑿擊時有4個鑿擊點，沖擊力被分散，導致每個鑿擊點處巖石的破碎情況比單尖圓柱式小，但整體的破壞范圍比單尖圓柱式大。

2.4.3 優(yōu)缺點及適用范圍

四角樁式鑿巖棒每次鑿擊時有4個鑿擊點，破碎巖石范圍大。但單個鑿擊點的破壞程度相對減小。同時由于其形狀特點，當?shù)匦纹鸱^大時，容易出現(xiàn)部分角點無法鑿到巖石的情況。該種鑿巖棒適用于巖體表面平整，施工面積較大的非巖心區(qū)域薄層巖體的開鑿施工。

2.5 梅花樁式鑿巖棒破巖特性

2.5.1 模型建立

梅花樁式鑿巖棒的形狀如圖1（e）所示，該種鑿巖棒的形狀與四角樁式鑿巖棒類似，但該鑿巖棒的中心處額外布置了1個角點，且各角點與巖石的接觸為平面。

2.5.2 沖擊破巖特點

該種鑿巖棒與巖石的接觸為面接觸，壓強較小，對表層巖石的破壞效果較好，同時由于中心角點的存在，巖石中的損傷更容易相互貫穿，增加了巖石的破碎效果。

2.5.3 優(yōu)缺點及適用范圍

梅花樁式鑿巖棒對表層巖石的破壞效果好，破壞范圍較大。但由于該種鑿巖棒與巖石的接觸是面接觸，對巖石的壓強相對較小，當巖石強度較高時難以使其開裂破碎。該種鑿巖棒適用于巖體表面平整，施工面積較大的非巖心區(qū)域薄層巖體開鑿施工。

3 工程應用

深中通道（S09 標）沉管隧道基槽設計標高范圍內(nèi)存在大量的全、強、中風化花崗巖，中風化花崗巖平均飽和單軸抗壓強度達到55 MPa，最大開挖厚度3.4 m，難以直接開挖，需要對堅硬巖層進行破碎，施工難度大。由于現(xiàn)場有禁爆要求，施工采用鑿巖工藝進行施工，有效解決了堅硬巖層難以破碎的問題。

根據(jù)施工范圍大，巖石強度高，巖層厚度大的實際情況，結(jié)合各鑿巖棒優(yōu)缺點及適用范圍，選用斧式鑿巖棒進行施工。所使用的鑿巖棒如圖1（a）所示，該鑿巖棒重約35 t，高約5.0 m，棒尖高度0.67 m，棒尖寬度約1.3 m，棒尖角度約53°。綜合考慮施工效率和施工效果，施工現(xiàn)場使用鑿擊點排距1.7 m，間距1.1 m，鑿巖棒提升高度27 m 左右，單點鑿擊次數(shù)在2～3 次的施工參數(shù)進行施工。該施工參數(shù)下，堅硬中風化花崗巖破碎效果好，破碎塊度小，清挖效果好。

為獲得較好的施工效率，現(xiàn)場施工參數(shù)應根據(jù)巖層實際情況進行靈活調(diào)整。隨著巖石強度的降低，斧式鑿巖棒的提升高度和鑿擊次數(shù)可以適當減少，排距和間距可以適當增加。

4 結(jié)語

本文通過對國內(nèi)外鑿巖工藝的應用情況進行總結(jié)分析，使用LS-DYNA 數(shù)值模擬方法對不同形狀鑿巖棒的破巖特點進行研究，揭示了不同形狀鑿巖棒的優(yōu)缺點及適用范圍，并結(jié)合深中通道沉管隧道施工現(xiàn)場對鑿巖工藝進行了應用。主要結(jié)論如下：

1）斧式鑿巖棒對巖石的破壞范圍大，破壞深度大，適用范圍較廣，對堅硬巖石有較好破壞效果。三向刀面圓柱式鑿巖棒的作用范圍大，對表層至中層巖石的破壞效果較好，適用于中等強度及以下巖石的鑿巖施工。單尖圓柱式鑿巖棒在鑿擊點處對巖石壓強極大，能夠?qū)r石造成有效破碎，適用于強度較高的堅硬巖石的鑿巖施工。四角樁式鑿巖棒對巖石的作用力較大，接觸點較多，破碎巖石的效率較高，適用于巖體表面平整，施工面積較大的非巖心區(qū)域薄層巖體鑿巖施工。梅花樁式鑿巖棒對巖石的破壞范圍大，對表層巖石的破壞效果好，適用于巖體表面平整，施工面積較大的非巖心區(qū)域薄層巖體鑿巖施工。

2）結(jié)合深中通道深水深槽施工現(xiàn)場，對鑿巖工藝進行了應用。結(jié)果表明，針對堅硬中風化花崗巖，斧式鑿巖棒在排距1.7 m，間距1.1 m，鑿巖棒提升高度27 m 左右，單點鑿擊次數(shù)在2～3次的施工參數(shù)下施工效果較好，有效解決了禁爆條件下堅硬巖層難以破碎的問題。