基于多因素試驗(yàn)的鑿巖參數(shù)影響規(guī)律研究

王 權(quán)，蔣文杰

(中交廣州航道局有限公司，廣東 廣州 510290)

鑿巖工藝是在施工中將鑿巖棒提升一定高度后自由下落沖擊礁石，使其破碎崩裂，然后進(jìn)行清礁，在無法應(yīng)用爆破工藝的清礁工程中表現(xiàn)出廣闊的發(fā)展前景和巨大的應(yīng)用價(jià)值。近年來，鑿巖工藝已被廣泛應(yīng)用于疏浚工程，如廈門嵩嶼港區(qū)二期工程除礁工程[1]采用鉆孔-布鋼錠-鑿巖-抓斗相結(jié)合的施工方法，成功清除了抗壓強(qiáng)度達(dá)70 MPa的礁石；鹽田國際三期擴(kuò)建工程[2]采用水下重錘沖擊鑿巖法清除17.4 m水深的礁石；安哥拉羅安達(dá)SONILS石油服務(wù)基地工程[3]采用鑿巖錘和海上打樁船鉆孔的處理方案，成功清除17.5 m水深的巖層。

深圳—中山跨江通道工程(以下簡稱“深中通道”)是世界級(jí)超大型“橋、島、隧、水下互通”集群工程，沉管隧道基槽開挖在設(shè)計(jì)高程范圍內(nèi)存在大量的全、強(qiáng)、中風(fēng)化巖層，且?guī)r體呈現(xiàn)分布廣、埋藏深、強(qiáng)度高等特點(diǎn)，其中中風(fēng)化花崗巖平均飽和單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)55 MPa，最大深度近40 m。目前，鑿巖工藝一般適用于疏浚水深不超過25 m的巖石處理，對(duì)于水深超過25 m、強(qiáng)度大于30 MPa的硬巖，該法尚無成熟的施工工藝。

筆者通過設(shè)計(jì)“四因素三水平”的正交試驗(yàn)，研究提升高度、鑿擊次數(shù)、排距、位距與巖石平均塊度、不均勻系數(shù)、分形維數(shù)、清礁厚度的關(guān)系，分析各因素對(duì)鑿巖效果的影響規(guī)律，優(yōu)化深中通道沉管隧道基槽巖石處理的鑿巖參數(shù)，確保施工高質(zhì)高效。

1 鑿巖試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 多因素試驗(yàn)方案

多因素試驗(yàn)基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)“四因素三水平”的正交試驗(yàn)，研究提升高度、排距、位距、鑿擊次數(shù)對(duì)平均塊度、分形維數(shù)、不均勻系數(shù)、清礁厚度影響的規(guī)律，試驗(yàn)方案如表1所示。

表1 多因素試驗(yàn)方案

1.2 試驗(yàn)區(qū)域

試驗(yàn)選在巖石強(qiáng)度、厚度、埋深具有代表性的區(qū)域，開挖底高程-35.86～-35.62 m(當(dāng)?shù)乩碚摳叱?，主要以中風(fēng)化花崗巖為主。試驗(yàn)區(qū)域以10 m×10 m的矩形塊為單位布置試驗(yàn)方案，每個(gè)試驗(yàn)方案占據(jù)1個(gè)矩形塊，1～9號(hào)為多因素試驗(yàn)，其余為單因素試驗(yàn)。試驗(yàn)區(qū)劃分及平面位置見圖1、2。

1.3 試驗(yàn)測量和統(tǒng)計(jì)方法

圖1 試驗(yàn)區(qū)劃分

圖2 原位試驗(yàn)平面位置

鑿巖試驗(yàn)使用平均塊度、不均勻系數(shù)、分形維數(shù)以及清礁厚度作為試驗(yàn)結(jié)果的評(píng)價(jià)指標(biāo)，各指標(biāo)需要在試驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行準(zhǔn)確的測量和統(tǒng)計(jì)。

清礁厚度的確定方法是在原位試驗(yàn)前，使用多波束測量試驗(yàn)區(qū)域的水深，在原位試驗(yàn)結(jié)束后，再次使用多波束測量試驗(yàn)區(qū)的水深，兩次水深的差值即為原位試驗(yàn)的清礁厚度。

各試驗(yàn)方案的巖石平均塊度[4]、不均勻系數(shù)和分形維數(shù)[5]的確定方法為：按照各試驗(yàn)方案進(jìn)行鑿巖施工后，在每個(gè)試驗(yàn)區(qū)域取約1 m3的破碎巖石，采用1、2、4、7、10、15、20、25、30 cm標(biāo)準(zhǔn)篩，將巖石的破碎塊度分為10個(gè)等級(jí)，繪制破碎巖石塊度分布曲線，最后根據(jù)各方案的級(jí)配曲線計(jì)算對(duì)應(yīng)的平均塊度、分形維數(shù)和不均勻系數(shù)。

1.4 多因素試驗(yàn)結(jié)果

9組多因素試驗(yàn)巖石塊度級(jí)配曲線見圖3。

圖3 各試驗(yàn)方案的級(jí)配曲線

基于圖3所示級(jí)配曲線，計(jì)算各試驗(yàn)方案下巖石破碎的平均塊度、不均勻系數(shù)以及分形維數(shù)，結(jié)合多波束測量結(jié)果，確定各試驗(yàn)方案的清礁厚度。試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 多因素試驗(yàn)結(jié)果

2 各因素對(duì)鑿巖效果的影響規(guī)律

根據(jù)多因素試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果，通過計(jì)算各因素在同一水平下的平均指標(biāo)，繪制各因素與相應(yīng)指標(biāo)的關(guān)系曲線，進(jìn)而確定各因素對(duì)鑿巖效果的影響規(guī)律。各因素在不同水平下的平均指標(biāo)如表3所示。根據(jù)表3繪制提升高度、鑿擊次數(shù)、排距、位距與巖石平均塊度、不均勻系數(shù)、分形維數(shù)、清礁厚度的關(guān)系曲線(圖4～7)。

表3 不同試驗(yàn)因素下的平均指標(biāo)

圖4 各因素與平均塊度的關(guān)系曲線

從圖4可以看出：平均塊度與提升高度、排距、位距呈正相關(guān)，與鑿擊次數(shù)呈負(fù)相關(guān)。隨著提升高度的增加，鑿巖棒鑿擊巖石時(shí)釋放的能量隨之增加，鑿擊點(diǎn)的表層巖石破碎程度和破壞深度隨之增加。由于抓斗抓取巖石的范圍遠(yuǎn)大于鑿擊點(diǎn)的影響范圍，抓斗抓取巖石時(shí)，鑿擊點(diǎn)之間的巖石從深部斷裂，但深部巖石破碎程度較差，導(dǎo)致巖石的破碎情況隨提升高度的增加而減小，平均塊度隨提升高度的增加而增加。隨著鑿擊次數(shù)的增加，鑿擊點(diǎn)淺、中層巖石吸收的沖擊能量隨之增加，鑿擊點(diǎn)淺、中層巖石的破碎程度隨之增加，鑿擊能量消耗在對(duì)淺、中層巖石的破碎中，使破壞深度的增加量相對(duì)減少，抓斗抓取巖石厚度的增加量逐漸減小，抓取的巖石破碎程度隨之增加，導(dǎo)致平均塊度隨鑿擊次數(shù)的增加而減小。隨著排距和位距的增加，鑿巖區(qū)域內(nèi)鑿擊點(diǎn)的個(gè)數(shù)隨之減少，巖石的破壞效果逐漸變差，導(dǎo)致巖石的平均塊度隨之增加。

圖5 各因素與不均勻系數(shù)的關(guān)系曲線

從圖5可以看出：不均勻系數(shù)與提升高度、排距、位距呈正相關(guān)，與鑿擊次數(shù)呈負(fù)相關(guān)。隨著提升高度的增加，巖石整體的破碎程度逐漸減小，但淺層巖石的破碎程度逐漸增加，出現(xiàn)大塊巖石尺寸越來越大，小塊巖石尺寸越來越小的情況，導(dǎo)致不均勻系數(shù)隨著提升高度的增加而增加。隨著鑿擊次數(shù)的增加，巖石破碎的塊度逐漸減小，淺、中層巖石塊度趨于均勻，導(dǎo)致不均勻系數(shù)逐漸減小。隨著排距的增加，巖石塊度逐漸變大，且大塊尺寸的增加量遠(yuǎn)大于小塊尺寸的增加量，導(dǎo)致不均勻系數(shù)逐漸增加。隨著位距的增加，巖石的塊度逐漸增加，但由于位距的變化量小于棒尖長度，當(dāng)位距在較小水平變化時(shí)，大塊、小塊巖石尺寸的變化幅度基本一致，不均勻系數(shù)變化不明顯；當(dāng)位距在較大水平變化時(shí)，大塊巖石的尺寸增加量大于小塊巖石，導(dǎo)致不均勻系數(shù)迅速增加。

圖6 各因素與分形維數(shù)的關(guān)系曲線

從6可以看出：分形維數(shù)與鑿擊次數(shù)呈正相關(guān)，與提升高度、排距、位距呈負(fù)相關(guān)。隨著提升高度的增加，巖石的破碎情況逐漸下降，大塊巖石所占比例增加，導(dǎo)致分形維數(shù)隨之下降。隨著鑿擊次數(shù)的增加，巖石的破碎情況逐漸增加，巖石塊度趨于均勻，小塊巖石占比相對(duì)增加，導(dǎo)致分形維數(shù)隨之增加。隨著排距和位距的增加，巖石的破碎情況逐漸下降，大塊巖石所占比例逐漸增加，導(dǎo)致分形維數(shù)隨之下降。

圖7 各因素與清礁厚度的關(guān)系曲線

從圖7可以看出：清礁厚度與提升高度和鑿擊次數(shù)呈正相關(guān)，與排距和位距呈負(fù)相關(guān)。隨著提升高度的增加，鑿巖棒沖擊巖石時(shí)釋放的能量增加，巖石的破壞深度隨之增加。隨著鑿擊次數(shù)的增加，巖石的破壞深度隨之增加。隨著排距的增加，鑿巖點(diǎn)之間的巖石經(jīng)歷由過度破碎→臨界貫通→未貫通的狀態(tài)，由于沖擊作用下裂隙從鑿擊點(diǎn)處開始以類似輻射狀向周圍萌生，使得鑿巖點(diǎn)之間的裂隙貫通深度逐漸減小，導(dǎo)致清礁厚度逐漸減小。隨著位距的增加，巖石的破壞深度逐漸減小，由于位距變化量相比鑿巖棒的棒尖寬度較小，導(dǎo)致位距對(duì)清礁厚度的影響不明顯。

3 鑿巖參數(shù)優(yōu)化

從上述研究可知，較大的清礁厚度以及較大的排、位距可以明顯增加施工的效率，但巖石破碎效果不佳，從而降低施工質(zhì)量。因此在對(duì)鑿巖工藝進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，需要統(tǒng)籌施工效率和施工質(zhì)量。以下從鑿巖棒提升高度、鑿擊次數(shù)、排距、位距對(duì)鑿巖效果的影響等方面展開鑿巖參數(shù)優(yōu)化的討論。

1)當(dāng)提升高度從20 m增加到27 m時(shí)，清礁厚度的增加量為14.99 cm，不均勻系數(shù)的增加量為2.73，平均塊度的增加量為1.81 cm，分形維數(shù)的減小量為0.26；當(dāng)提升高度從27 m增加到34 m時(shí)，清礁厚度的增加量為9.48 cm，不均勻系數(shù)的增加量為1.59，平均塊度的增加量為1.59 cm，分形維數(shù)的減小量為0.23。由此得出，隨著提升高度的增加，清礁厚度的增加量逐漸減小，巖石破碎效果的減小量也相對(duì)逐漸減小。

2)當(dāng)鑿擊次數(shù)從1次增加到2次時(shí)，清礁厚度的增加量為6.44 cm，不均勻系數(shù)的減小量為0.76，平均塊度的減小量為0.56 cm，分形維數(shù)的增加量為0.09；當(dāng)鑿擊次數(shù)從2次增加到3次時(shí)，清礁厚度的增加量為3.33 cm，不均勻系數(shù)的減小量為3.02，平均塊度的減小量為0.24 cm，分形維數(shù)的增加量為0.26。由此得出，隨著鑿擊次數(shù)的增加，清礁厚度的增加量逐漸減小，巖石破碎效果的增加量逐漸增加。

3)當(dāng)排距從1.5 m增加到2.5 m時(shí)，清礁厚度的減小量為0.72 cm，不均勻系數(shù)的增加量為3.15，平均塊度的增加量為1.22 cm，分形維數(shù)的減小量為0.07；當(dāng)排距從2.5 m增加到3.5 m時(shí)，清礁厚度的減小量為4.13 cm，不均勻系數(shù)的增加量為2.33，平均塊度的增加量為2.73 cm，分形維數(shù)的減小量為0.05。由此得出，隨著排距的增加，清礁厚度的減小量逐漸增加，巖石破碎效果的減小量也逐漸增加。

4)當(dāng)位距從1.1 m增加到1.4 m時(shí)，清礁厚度的減小量為0.04 cm，不均勻系數(shù)的減小量為0.02，平均塊度的增加量為1.04 cm，分形維數(shù)的減小量為0.10；當(dāng)位距從1.4 m增加到1.7 m時(shí)，清礁厚度的減小量為0.59 cm，不均勻系數(shù)的增加量為2.76，平均塊度的增加量為0.37 cm，分形維數(shù)的減小量為0.17。由此得出，隨著位距的增加，清礁厚度基本保持不變，巖石破碎效果的減小量逐漸增加。

綜合考慮施工效率和施工質(zhì)量，深中通道沉管隧道基槽巖石處理施工參數(shù)為鑿巖棒提升高度在27 m上下，鑿擊次數(shù)在3次以內(nèi)，排距在2.5 m左右，位距在1.7 m左右。

4 結(jié)論

1)平均塊度與提升高度、排距、位距呈正相關(guān)，與鑿擊次數(shù)呈負(fù)相關(guān)；不均勻系數(shù)與提升高度、排距、位距呈正相關(guān)，與鑿擊次數(shù)呈負(fù)相關(guān)；分形維數(shù)與鑿擊次數(shù)呈正相關(guān)，與提升高度、排距、位距呈負(fù)相關(guān)。清礁厚度與提升高度和鑿擊次數(shù)呈正相關(guān)，與排距和位距呈負(fù)相關(guān)。

2)綜合考慮施工效率和施工質(zhì)量，深中通道沉管隧道基槽巖石處理施工參數(shù)為鑿巖棒提升高度在27 m上下，鑿擊次數(shù)在3次以內(nèi)，排距在2.5 m左右，位距在1.7 m左右，巖石破碎程度適當(dāng)，具有較好的施工成效。