新模型为深中通道建设寻找最佳方案

2024-08-20 16:25:50 来源：科技日报

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今年夏天，如果从伶仃洋上空俯瞰，会发现在广东省深圳市与中山市的碧海蓝天之间，出现了一条跨海飞虹。这便是不久前通车运营的深中通道。

在全长24千米的深中通道中，沉入海底的沉管隧道约5千米。这个集“桥、岛、隧、水下互通”于一体的通道，是世界上综合建设难度最高的跨海集群工程之一。

为解决海底“千岩万壑”阻碍沉管隧道铺设的难题，中交广州航道局有限公司（以下简称“广航局”）深中通道项目部联袂河海大学教授王环玲团队，基于多因素正交原位实验和数值模拟成果，建立了评价不同因素对施工效果影响的综合评价模型。此外，他们还提出不同水深条件下，海底岩石单轴压缩强度在不同分布范围时的凿岩效果和清礁厚度计算方法，最终将昔日的海底深槽建设成沉管隧道。

分析不同凿击棒效果

深中通道位于虎门大桥下游约30千米，分为桥梁段和沉管隧道段。其中，沉管隧道全长5035米，由32节沉管组成。虽然深中通道仅与港珠澳大桥相距38千米，但两者的水下环境却有很大差别。

“如果把港珠澳大桥水底情况比作一盅淮山枸杞汤的话，深中通道水底就好比一盅加了骨头的淮山枸杞汤。”广航局深中通道项目技术负责人廖曾平告诉记者，深中通道大约40%的施工区域布满花岗岩。岩石总工程量约30万立方米，岩石分布范围广、埋藏深、强度大，最大深度接近水下40米。

广航局选择了重型抓斗船与凿岩棒组合的施工工艺进行凿岩，并对凿岩船“金建”轮进行技术改造。“但在这么深的水深环境下高精度凿岩，国内几乎没有案例可参考。而凿岩施工到底是否合适，施工效率和质量如何，我们心里也没底。”廖曾平说。

此时，从事岩石力学研究的王环玲团队进入广航局视野。双方围绕深水凿岩关键核心技术难题，迅速开启理论创新和工程应用。

选择何种类型的凿岩棒，是开凿深槽岩石的关键问题。王环玲介绍，目前国内外采用的凿岩棒主要有五种，分别是斧头形、三向刀面圆柱形、铅笔形、四角桩形、梅花桩形。

经过计算，团队发现，三向刀面圆柱形凿岩棒作用范围大，对表层至中层岩石的破坏效果较好，但在处理坚硬岩层时，容易出现棒尖磨损严重的问题；单尖圆柱形凿岩棒在凿击点处对岩石的压强极大，能够对岩石造成有效破碎，但由于只在单点与岩石进行接触，对岩石的破坏范围小，施工效率较低；四角桩形凿岩棒与岩石的接触为点接触，压强大，但会分散每个凿击点对岩石的作用力，对岩石的破坏程度相对小；而梅花桩形凿岩棒对表层岩石的破坏效果好，破坏范围较大，但岩石强度较高时，难以使其开裂破碎。

“而斧式凿岩棒由于棒尖为楔形，对岩石的压强大，破坏范围大，同时楔形有利于凿岩棒的能量向两侧传递，增加对岩石的破坏。当凿岩棒嵌入岩石过深时，楔形的形状有利于减少棒体侧向摩擦力，便于凿岩棒提升。”王环玲说，双方团队最终确认使用斧形凿岩棒凿岩。

多项试验确保高效作业

王环玲团队从广航局提供的深中通道基槽花岗岩入手，开展针对岩石的三轴力学试验、循环加卸载力学试验、动态冲击试验，获得花岗岩特别是强度较大的中风化花岗岩在不同条件下的力学参数、破碎特征和岩石破坏的能量耗散规律。在此基础上，团队又结合现场施工实际、物理力学试验结果、地质勘察成果，通过数值模拟方法，模拟不同水深、冲击速度、凿击次数、排距、位距对岩石冲击破碎的影响规律。

“其中，我们在保持凿岩棒每秒14米的凿击速度和水深40米不变的情况下，分别进行了1—5次凿击的数值计算，结果发现凿岩的次数并非越多越好。凿击2次后再凿击，岩石的整个损伤区域并没有明显扩展。所以如果凿击超出2次，将降低施工效率。”王环玲说。

“凿岩棒水下凿岩的速度主要由凿岩棒距离海底的高度决定。我们现场试验后发现，在水深更大的情况下，增加凿击高度对提高冲击速度的作用并不明显，例如，在凿击棒距离海底35米以上下落时，冲击速度将稳定在一个区间。此时需要通过调整排距、位距和凿击次数或者通过动力装置施加外力来提高凿岩效果。”王环玲说。

经过反复试验和论证，双方最终确定了对中风化花岗岩在40米水深条件下施工的基准方案，即将凿岩棒提升至距离海底27—34米，排距设置为约2.5米，位距1.4—1.7米，凿击次数2—3次。

在一系列试验和科学数据的支撑下，经过约1年的奋战，深中通道深水深槽凿岩工作顺利完成，实现了深水条件大体量硬岩连续高精度破碎开挖高效作业。