深水基槽開挖中水下重錘破巖規(guī)律研究

王環(huán)玲，馬行生，傅星凱，詹銳彪，廖曾平

(1.河海大學(xué)巖土工程研究所，江蘇 南京 210098； 2.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098；3.中交廣州航道局有限公司，廣東 廣州 519000)

鑿巖工藝是將鑿巖棒提升一定高度后自由下落，將重力勢能轉(zhuǎn)化為動能對巖石進行沖擊破碎的一種物理清礁工藝。目前對鑿巖棒水下破巖過程的研究很少，且受試驗場地和監(jiān)測手段的限制，主要集中在數(shù)值模擬研究以及與破巖機理類似的壓頭、切削齒、鋼粒的破巖過程或子彈的穿靶過程研究。楊岳峰等[1-2]通過模擬壓頭沖擊巖石的過程，研究了沖擊過程中巖石應(yīng)力場分布和裂紋擴展情況；He等[3-4]模擬了切削齒切削巖石的過程，以此確定了巖石破壞與切削齒侵入深度的關(guān)系；邢大偉等[5-6]模擬了鋼粒沖擊巖石的過程，探討了粒徑和速度對巖石破碎效果的影響；Liu等[7]使用有限元LS-DYNA進行模擬彈丸沖擊混凝土板的試驗，研究了不同速度對侵徹深度和巖石損傷發(fā)育的影響。目前數(shù)值模擬研究主要集中于沖擊速度對巖石的裂紋和損傷發(fā)育情況的影響。

深圳至中山跨江通道(深中通道)工程鑿巖過程受諸多因素的影響，如水深、鑿擊次數(shù)、鑿擊點布設(shè)方式等。深中通道沉管隧道基槽巖石開挖處為40 m水深條件，并且在實際實施過程中，鑿巖棒沖擊鑿巖點一般需要沖擊多次才能取得較好的破巖效果，目前尚未發(fā)現(xiàn)考慮水深和沖擊次數(shù)對巖石損傷破壞影響規(guī)律的研究。隨著深中通道工程的不斷推進，亟須系統(tǒng)研究鑿巖工藝的特點和深水破巖的規(guī)律。本文使用有限元LS-DYNA對鑿巖過程進行數(shù)值模擬，研究不同因素對鑿巖效果的影響，重點分析鑿巖破壞過程及不同因素對鑿巖效果的影響規(guī)律，為后續(xù)鑿巖實施提供參考。

1 深中通道簡介

深中通道工程是國家“十三五”重大工程，作為粵東通往粵西乃至大西南的便捷通道，是我國邁向交通強國新征程的標(biāo)桿工程。深中通道位于虎門大橋下游約30 km，港珠澳大橋上游約38 km，項目采用東隧西橋方案(圖1)。在東部沉管隧道基槽設(shè)計標(biāo)高范圍內(nèi)存在大量的中風(fēng)化花崗巖，其分布范圍廣、埋藏深、強度大，給基槽開挖帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)。一般情況常使用水下爆破工藝解決硬質(zhì)基槽的清礁問題，但爆破對環(huán)境影響大、施工許可要求高，同時深中通道工程對環(huán)境保護要求較高，深水深槽清礁工程中有禁爆要求，且施工區(qū)域通航壓力較大，因此深中通道工程現(xiàn)場采用了物理方式的鑿巖工藝技術(shù)對硬巖巖體進行動力破碎處理，從而達到清礁的目的。

圖1 深中通道地理位置Fig.1 Location of the Shenzhen-Zhongshan passage project

2 數(shù)值模型建立

2.1 幾何模型

深中通道工程現(xiàn)場使用的鑿巖棒為斧式鑿巖棒，其形狀如圖2所示。鑿巖棒質(zhì)量約為35 t，高度約為5.0 m，棒尖角度約為53°。在有限元LS-DYNA中建立對應(yīng)的幾何模型如圖3所示，模型中鑿巖棒尺寸與現(xiàn)場鑿巖棒尺寸相同。巖石尺寸為4 m×4 m×2 m，鑿巖棒與巖石均采用三維實體應(yīng)力單元。由于斧式鑿巖棒幾何形狀較為復(fù)雜，采用四面體網(wǎng)格劃分；巖石采用六面體網(wǎng)格劃分，模型共有節(jié)點數(shù)115 959，單元數(shù)323 165。

圖2 斧式鑿巖棒形狀 Fig.2 In-situ shape of axe rock breaking hammer

圖3 鑿巖幾何模型與網(wǎng)格劃分Fig.3 Geometric modeling and meshing of rock drilling

2.2 邊界條件

為了模擬實際工程環(huán)境，對巖石模型的底面及4個側(cè)面進行法向位移約束，并設(shè)置為無反射邊界以模擬無限空間，對鑿巖棒和巖石施加重力加速度，同時設(shè)置與水深相適應(yīng)的靜水壓力。現(xiàn)實環(huán)境中巖石賦存于海底，處于飽和狀態(tài)，長期受靜水壓力的作用，因此對巖石進行初始應(yīng)力平衡計算后，再對鑿巖棒施加初始速度，進行鑿巖棒鑿擊過程模擬。

2.3 材料參數(shù)

3 斧式鑿巖棒下落過程速度變化規(guī)律

鑿巖棒在下落鑿擊整個過程中完全處于水下，在下落過程中受到重力、浮力、水阻力的共同作用。根據(jù)流體力學(xué)理論，一般認為鑿巖棒下落過程中水阻力主要指壓差阻力，其大小與水的密度、物體垂直運動方向的橫截面面積、速率的二次方成正比。鑿巖棒下落過程中受到的阻力可表示為

(1)

式中：R為阻力系數(shù)，通過深中通道工程現(xiàn)場實測鑿巖棒下落速度標(biāo)定，為2.0；ρ為水的密度；S為鑿巖棒在其運動方向上的投影面積，為1.07 m2；v為鑿巖棒下落過程的速度。

根據(jù)牛頓第二定律，鑿巖棒下落過程的受力情況可表示為

(2)

對式(2)求數(shù)值解，并考慮初始狀態(tài)下落速度為0，可以得到速度隨時間的變化規(guī)律，如圖4所示。從圖4可以看出，鑿巖棒下落過程的速度變化大致可以分為3個階段：第一階段(0～2 s)，鑿巖棒速度近似線性增加，水阻力較小，鑿巖棒主要在重力作用下加速下落；第二階段(2～6 s)，鑿巖棒速度持續(xù)增加，但水阻力越來越大，因此增加幅度逐漸降低；第三階段(6 s以后)，水阻力與浮力之和與重力相當(dāng)，鑿巖棒處于平衡狀態(tài)，加速度為零，趨于一個穩(wěn)定的速度。

現(xiàn)場主要通過改變鑿巖棒提升高度施加不同的沖擊速度，顯然沖擊速度越大鑿巖效果越好。將鑿巖棒下落速度對時間積分，可以進一步獲得提升高度與沖擊速度的關(guān)系，如圖5所示。從圖5可以看出，對于深中通道工程現(xiàn)場40 m的水深環(huán)境，鑿巖棒提升高度的變化對沖擊速度有較大的影響，因此增加提升高度會明顯提高鑿巖效果。而在水深更大的工況下，增加提升高度對提高沖擊速度的作用并不明顯，此時需要考慮增加鑿擊次數(shù)或通過動力裝置施加外力來提高鑿巖效果。

圖4 鑿巖棒下落過程速度隨時間的變化規(guī)律Fig.4 Variation of impact velocity of rock breaking hammer with time

圖5 鑿巖棒沖擊速度與提升高度的關(guān)系Fig.5 Relationship between impact velocity and lifting height of rock breaking hammer

4 典型工況下巖石損傷發(fā)育過程

JH-2模型中巖石的損傷通過等效塑性應(yīng)變來表征，當(dāng)一個單元的塑性變形累積到某個閾值時，材料會發(fā)生破壞并失去強度，損傷累積過程和損傷閾值的計算公式為

(3)

鑿巖棒從接觸巖石表面開始鑿擊巖石，到鑿擊過程結(jié)束，持續(xù)時間很短。根據(jù)對巖石損傷的定義，以典型工況水深40 m、沖擊速度14 m/s、鑿擊次數(shù)1次為例，分析整個鑿擊過程中巖石損傷程度。不同時刻沿鑿擊線側(cè)向的巖石損傷如圖6所示。

圖6 不同時刻巖石損傷Fig.6 Rock damage at different time

圖7為鑿巖棒鑿擊過程速度變化曲線。結(jié)合圖6巖石的損傷發(fā)育情況可以看出，t=0.09 ms時，鑿巖棒與巖石接觸，巖石受到鑿巖棒的沖擊產(chǎn)生了少量的塑性變形，損傷開始累積，此時鑿巖棒速度緩慢下降；t=1.10 ms時，鑿巖棒與巖石充分接觸，其蘊含的動能快速作用于巖石上，使巖石進一步產(chǎn)生塑性變形，損傷迅速增加，并向巖石內(nèi)部擴展，此時鑿巖棒速度進入快速下降階段；t=4.39 ms時，巖石受到的損傷基本保持穩(wěn)定，不再繼續(xù)增加，鑿巖棒速度下降到趨近于零；t=5.10 ms時，巖石損傷不再變化，而其積累的一部分彈性應(yīng)變能逐漸釋放轉(zhuǎn)化為鑿巖棒的動能，使得鑿巖棒反方向運動，速度由零緩慢增加到一個較小值。

圖7 鑿巖棒鑿擊過程速度變化曲線Fig.7 Velocity variation curve of rock breaking hammer during drilling process

5 不同因素對巖石損傷的影響規(guī)律

5.1 水深影響

采用控制變量法，即保持鑿巖棒沖擊巖石的速度14 m/s、鑿擊次數(shù)1次不變，分別考慮水深為20 m、40 m、60 m和80 m的情況，研究不同水深條件下鑿巖棒破巖損傷情況。不同水深巖石損傷等值面圖(左圖)和沿鑿擊線側(cè)向損傷云圖 (右圖) 如圖8所示。

圖8 不同水深條件下巖石損傷Fig.8 Rock damage under different water depth

從圖8可以看出，隨著水深的增加，巖石內(nèi)的損傷擴展逐漸受到抑制，損傷的程度和范圍均逐漸減小，鑿巖棒與巖石直接接觸的高損傷區(qū)域范圍有一定程度的減小，中、低損傷區(qū)域的擴展范圍減小程度較大。對比鑿擊線側(cè)向和鑿擊線走向的損傷發(fā)育情況，隨著水深的增加，鑿擊線側(cè)向損傷擴展范圍的減小程度要稍大于鑿擊線走向損傷擴展范圍的減小程度。

提取不同水深條件下巖石的損傷擴展范圍，繪制不同水深條件下巖石損傷擴展范圍變化曲線，如圖9所示。從圖9可以看出，隨著水深的增加，巖石在深度方向、鑿擊線側(cè)向、鑿擊線走向3個方向的損傷擴展范圍均呈減小趨勢，鑿擊線走向減小值最大，為0.24 mm，深度方向減小值最小，為0.12 mm?？傮w而言，水深的增加對巖石的損傷和破壞有抑制作用，減小了巖石的損傷程度和擴展范圍，但水深變化對損傷擴展范圍變化的影響程度有限。

圖9 不同水深條件下巖石損傷擴展范圍Fig.9 Damage extension range of rock under different water depth

5.2 沖擊速度影響

保持水深40 mm、鑿擊次數(shù)1次不變，分別考慮沖擊速度為12 mm/s、14 mm/s、16 mm/s和18 mm/s情況下的巖石損傷，損傷等值面圖(左圖)和沿鑿擊線側(cè)向的損傷云圖(右圖)如圖10所示。

從圖10可以看出，隨著沖擊速度的增加，巖石內(nèi)的損傷總體呈逐漸增加的趨勢，損傷程度和擴展范圍逐漸增加，高損傷區(qū)域的范圍有一定程度的增加，主要分布在與鑿巖棒直接接觸的鑿擊線附近，而中、低損傷區(qū)域的擴展范圍顯著增加。對比鑿擊線側(cè)向和鑿擊線走向的損傷擴展范圍，鑿擊線側(cè)向損傷擴展范圍增加幅度顯著，而鑿擊線走向損傷擴展范圍增加幅度相對較小。

圖10 不同沖擊速度下巖石損傷Fig.10 Rock damage under different impact velocity

不同沖擊速度下巖石損傷擴展范圍如圖11所示。由圖11可以看出，隨著沖擊速度的增加，巖石在各方向的損傷擴展范圍均有增加。對比深度方向、鑿擊線走向和鑿擊線側(cè)向的巖石損傷擴展范圍，鑿擊線側(cè)向增加值最大，為0.56 mm，鑿擊線走向增加值最小，為0.20 mm。整體而言，相比水深，沖擊速度對巖石損傷程度和損傷擴展范圍的影響更明顯。

圖11 不同沖擊速度下巖石損傷擴展范圍Fig.11 Damage expansion range of rock under different impact velocity

5.3 鑿擊次數(shù)

保持鑿巖棒沖擊巖石的速度14 mm/s、水深40 mm不變，分別考慮鑿擊次數(shù)為1次、2次、3次和4次的情況，不同鑿擊次數(shù)下巖石損傷等值面圖(左圖)和沿鑿擊線側(cè)向的損傷云圖(右圖)如圖12所示。

圖12 不同鑿擊次數(shù)下巖石損傷Fig.12 Rock damage under different drilling times

對比不同鑿擊次數(shù)下巖石的損傷情況，從圖12可以看出，隨著鑿擊次數(shù)的增加，巖石的損傷程度持續(xù)增加，高損傷區(qū)域的范圍增加較為明顯，主要沿著鑿擊線向外側(cè)擴展，中、低損傷區(qū)域的損傷程度逐漸增加，但損傷擴展范圍先增加后基本保持穩(wěn)定。對比鑿擊線側(cè)向和鑿擊線走向的損傷擴展范圍，鑿擊線側(cè)向巖石損傷擴展范圍增加幅度遠大于鑿擊線走向的增加幅度。

不同鑿擊次數(shù)下巖石的損傷擴展范圍如圖13所示。從圖13可以看出，隨著鑿擊次數(shù)的增加，沿著深度方向的巖石損傷擴展范圍基本保持不變，鑿擊線側(cè)向損傷擴展范圍增加值最大，達1.08 mm，而鑿擊線走向增加值為0.32 mm。與沖擊速度對巖石損傷擴展范圍的影響規(guī)律不同，隨著鑿擊次數(shù)的增加，損傷擴展范圍并不是持續(xù)增加，而是先增加后保持穩(wěn)定，鑿擊次數(shù)達到2次時，損傷擴展范圍已經(jīng)基本保持不變。結(jié)合圖12可以發(fā)現(xiàn)，此時增加鑿擊次數(shù)只是增加了高損傷區(qū)的損傷范圍，整個損傷區(qū)域并沒有表現(xiàn)出明顯的擴展趨勢。

圖13 不同鑿擊次數(shù)下巖石損傷擴展范圍Fig.13 Damage expansion range of rock under different drilling times

6 結(jié) 論

a.鑿巖棒在水中下落的速度先線性增加，隨著水阻力越來越大，鑿巖棒速度增加的幅度越來越小，最終趨于一個穩(wěn)定的收尾速度。

b.針對深中通道工程現(xiàn)場鑿巖40 m的水深環(huán)境，改變鑿巖棒提升高度對鑿巖棒沖擊速度有明顯的影響。

c.鑿巖棒鑿擊巖石的過程中速度逐漸降低，巖石的損傷不斷累積，巖石的損傷擴展情況與鑿巖棒沖擊速度變化關(guān)系密切。

d.不同因素對巖石損傷擴展情況影響不同，增加水深會降低巖石的損傷程度和損傷范圍，但影響程度相對較小；增加沖擊速度和鑿擊次數(shù)會增大巖石的損傷程度和損傷范圍，增加沖擊速度對損傷擴展范圍的增加更明顯，而增加鑿擊次數(shù)對高損傷區(qū)范圍的增加更明顯，但整個損傷區(qū)域沒有表現(xiàn)出明顯的擴展趨勢。