詹銳彪，馬定強(qiáng)，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(dá)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(jī)設(shè)備，在實(shí)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(yīng)用的清礁工程中表現(xiàn)出巨大的前景和應(yīng)用價值。

目前，鑿巖工藝已經(jīng)廣泛應(yīng)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(yùn)營、環(huán)境保護(hù)以及施工安全，使用鑿巖工藝對堅硬礁石進(jìn)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(jìn)行分層鑿巖施工，保質(zhì)保量完成了施工任務(wù)。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(yùn)營，使用鑿巖棒和抓斗船相結(jié)合的施工方式進(jìn)行了施工，高質(zhì)量地完成了施工任務(wù)。幾內(nèi)亞科納克里集裝箱碼頭擴(kuò)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(jìn)行施工，既滿足施工進(jìn)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(kuò)能升級工程[6]、廈門嵩嶼港區(qū)二期工程[7]、安哥拉羅安達(dá)SONILS 石油服務(wù)基地項(xiàng)目[8]、沙特扎瓦爾疏浚吹填項(xiàng)目[9]以及友誼港3 號泊位工程[10]均有使用鑿巖工藝進(jìn)行施工的案例。因此，鑿巖工藝為特殊條件下清礁的順利進(jìn)行提供了有效途徑。

雖然鑿巖工藝的應(yīng)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(diǎn)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(diǎn)，探討不同形狀鑿巖棒的優(yōu)缺點(diǎn)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(jìn)行了應(yīng)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(yīng)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(yīng)用情況，對鑿巖工藝的基本流程總結(jié)如下。

1.1 施工準(zhǔn)備

在鑿巖施工正式啟動前，需要進(jìn)行一系列的準(zhǔn)備措施，確保施工正式啟動后可以平穩(wěn)有序進(jìn)行。施工準(zhǔn)備的主要內(nèi)容包括船只和施工設(shè)備的準(zhǔn)備和調(diào)度、人員的組織和培訓(xùn)、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(zhǔn)確性，從而準(zhǔn)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(shè)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(jìn)行淤泥清理，結(jié)束后使用泥漿密度檢測，檢驗(yàn)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(jìn)行水下地形掃測，確定施工區(qū)的實(shí)際地形地貌特征以及巖面標(biāo)高。

1.4 輔助工序

當(dāng)巖石強(qiáng)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(yù)先鉆孔、布設(shè)鋼錠、改裝鑿巖棒以及使用機(jī)械設(shè)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(zhǔn)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(diǎn)布設(shè)方式，單點(diǎn)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(diǎn)進(jìn)行了研究。

1.6 鑿巖施工

在各準(zhǔn)備工作就緒后，開始進(jìn)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(yù)定參數(shù)進(jìn)行鑿巖作業(yè)。當(dāng)施工過程中遇到堅硬巖石，預(yù)定施工參數(shù)下巖石破碎效果不佳時，可以適當(dāng)對鑿巖點(diǎn)布設(shè)方式、單點(diǎn)鑿擊次數(shù)、提升高度進(jìn)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(jìn)行，清挖過程應(yīng)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(jìn)行水深探測確定鑿巖效果，水深探測方法與前述相同。

當(dāng)鑿巖效果滿足施工要求時，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，結(jié)束鑿巖或進(jìn)行下一層鑿巖。在進(jìn)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(dāng)調(diào)整，進(jìn)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(diǎn)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(diǎn)進(jìn)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(diǎn)建立了相應(yīng)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(jìn)行法向位移的約束，并設(shè)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(jìn)行表征，巖石材料的參數(shù)如表1 所示。

表1 典型中風(fēng)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(diǎn)，建立相應(yīng)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(diǎn)

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(qiáng)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(diǎn)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(diǎn)，建立相應(yīng)的數(shù)值模型。

2.2.2 沖擊破巖特點(diǎn)

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(diǎn)。

2.2.3 優(yōu)缺點(diǎn)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(dāng)?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(fù)雜，在處理堅硬巖層時，容易出現(xiàn)棒尖磨損嚴(yán)重卻難以在現(xiàn)場進(jìn)行加固的情況。該種鑿巖棒適用于中等強(qiáng)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(diǎn)

該種鑿巖棒與巖石的接觸為點(diǎn)接觸，壓強(qiáng)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(diǎn)向外輻射的特點(diǎn)。

2.3.3 優(yōu)缺點(diǎn)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(bǔ)和加固。但該鑿巖棒單點(diǎn)與巖石接觸，巖石破壞范圍小，施工效率較低，適用于強(qiáng)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(diǎn)為錐形。

2.4.2 沖擊破巖特點(diǎn)

該種鑿巖棒與巖石為點(diǎn)接觸，接觸面積小，對巖石的壓強(qiáng)大。單個角點(diǎn)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(diǎn)，沖擊力被分散，導(dǎo)致每個鑿擊點(diǎn)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(diǎn)及適用范圍

四角樁式鑿巖棒每次鑿擊時有4個鑿擊點(diǎn)，破碎巖石范圍大。但單個鑿擊點(diǎn)的破壞程度相對減小。同時由于其形狀特點(diǎn)，當(dāng)?shù)匦纹鸱^大時，容易出現(xiàn)部分角點(diǎn)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(diǎn)，且各角點(diǎn)與巖石的接觸為平面。

2.5.2 沖擊破巖特點(diǎn)

該種鑿巖棒與巖石的接觸為面接觸，壓強(qiáng)較小，對表層巖石的破壞效果較好，同時由于中心角點(diǎn)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(diǎn)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(qiáng)相對較小，當(dāng)巖石強(qiáng)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(yīng)用

深中通道（S09 標(biāo)）沉管隧道基槽設(shè)計標(biāo)高范圍內(nèi)存在大量的全、強(qiáng)、中風(fēng)化花崗巖，中風(fēng)化花崗巖平均飽和單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)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(jìn)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(jìn)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(qiáng)度高，巖層厚度大的實(shí)際情況，結(jié)合各鑿巖棒優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍，選用斧式鑿巖棒進(jìn)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(diǎn)排距1.7 m，間距1.1 m，鑿巖棒提升高度27 m 左右，單點(diǎn)鑿擊次數(shù)在2～3 次的施工參數(shù)進(jìn)行施工。該施工參數(shù)下，堅硬中風(fēng)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(yīng)根據(jù)巖層實(shí)際情況進(jìn)行靈活調(diào)整。隨著巖石強(qiáng)度的降低，斧式鑿巖棒的提升高度和鑿擊次數(shù)可以適當(dāng)減少，排距和間距可以適當(dāng)增加。

4 結(jié)語

本文通過對國內(nèi)外鑿巖工藝的應(yīng)用情況進(jìn)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(diǎn)進(jìn)行研究，揭示了不同形狀鑿巖棒的優(yōu)缺點(diǎn)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(jìn)行了應(yīng)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(qiáng)度及以下巖石的鑿巖施工。單尖圓柱式鑿巖棒在鑿擊點(diǎn)處對巖石壓強(qiáng)極大，能夠?qū)r石造成有效破碎，適用于強(qiáng)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(diǎn)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(jìn)行了應(yīng)用。結(jié)果表明，針對堅硬中風(fēng)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(diǎn)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。