陳水平 廖婷

摘要：廣西沿海部分地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造特點(diǎn)表層為粉質(zhì)黏土、下層為泥質(zhì)粉砂巖，文章依托實(shí)際工程，研究該類型地質(zhì)構(gòu)造特點(diǎn)，對挖除泥質(zhì)粉砂巖的幾種施工方法進(jìn)行對比，并分析泥質(zhì)粉砂巖挖除施工成本費(fèi)用，探討適用于不同巖性的快速、經(jīng)濟(jì)的挖除施工工藝。

關(guān)鍵詞：泥質(zhì)粉砂巖；挖除施工；進(jìn)度分析；成本分析

中圖分類號(hào)：U615.5 A 06 015 3

0 引言

平陸運(yùn)河工程是西部陸海新通道骨干工程，項(xiàng)目土石方開挖工程量巨大，項(xiàng)目所在地區(qū)存在大量泥質(zhì)粉砂巖。結(jié)合地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造特點(diǎn)，選擇不同的施工工藝及機(jī)械配置，對石方挖除效率及施工成本有較大的影響。因此，有必要研究如何選擇快速挖除泥質(zhì)粉砂巖的施工工藝技術(shù)及施工機(jī)械配置，并分析該地區(qū)泥質(zhì)粉砂巖挖除施工成本費(fèi)用。

1 泥質(zhì)粉砂巖基本物理力學(xué)性質(zhì)及特性

1.1 泥質(zhì)粉砂巖基本物理性質(zhì)

泥質(zhì)粉砂巖是由沙粒通過水的搬運(yùn)作用，經(jīng)千百年的沉積堆積，并經(jīng)地質(zhì)擠壓等物理作用膠結(jié)而成的巖石。構(gòu)成泥質(zhì)粉砂巖結(jié)構(gòu)顆粒比較細(xì)小，結(jié)構(gòu)透水性能良好，構(gòu)成主要為粉砂、黏土礦物及膠結(jié)物，其中粉砂含量約為70%～50%，黏土礦物及膠結(jié)物成分含量約50%～25%。泥質(zhì)粉砂巖主要呈灰白色、紅褐色、黃褐色等，粒狀結(jié)構(gòu)，頁理構(gòu)造或碎屑結(jié)構(gòu)、塊狀層理。

1.2 泥質(zhì)粉砂巖力學(xué)性質(zhì)［1］

1.2.1 遇水崩解性

泥質(zhì)粉砂巖在未經(jīng)大氣和水作用時(shí)具有相對較高的硬度和強(qiáng)度，但裸露在大氣環(huán)境的干濕循環(huán)作用下極易發(fā)生崩解碎裂、顆粒軟化或泥化，這導(dǎo)致其工程力學(xué)性能均迅速降低。從泥質(zhì)粉砂巖組成成分來看，其崩解性在很大程度上歸因于其內(nèi)部黏土礦物的吸水膨脹、失水收縮性能。泥質(zhì)粉砂巖崩解性強(qiáng)弱主要取決于巖石內(nèi)黏土礦物含量和膠結(jié)物成分等內(nèi)在因素。

1.2.2 崩解機(jī)理

巖石浸水后，水分子極易被吸引向巖石孔隙滲透，巖石內(nèi)部主要發(fā)生膨脹和軟化變化。因黏土礦物的比表面積大且親水性極強(qiáng)，黏土礦物吸水引發(fā)巖石內(nèi)部不均勻膨脹，使巖石顆粒崩解碎裂；膠結(jié)物吸水后會(huì)軟化，巖石浸水后，巖石內(nèi)部分膠結(jié)物被水軟化、溶解，巖石因此失去顆粒間的聯(lián)結(jié)而解體。當(dāng)泥質(zhì)粉砂巖經(jīng)過大氣反復(fù)的干濕循環(huán)，巖石顆粒經(jīng)歷反復(fù)的膨脹以及收縮，最終導(dǎo)致泥質(zhì)粉砂巖巖石的崩解。

2 泥質(zhì)粉砂巖巖性的判別

2.1 項(xiàng)目概況

所依托研究平陸運(yùn)河項(xiàng)目某工段挖土石方約為80×104 m3，地質(zhì)構(gòu)造為剝蝕丘陵地貌，第四系全新統(tǒng)沖積層（Q4al）粉質(zhì)黏土②，下伏基巖為侏羅系泥質(zhì)粉砂巖（J）③④，地質(zhì)條件符合研究要求，具備研究基礎(chǔ)。

2.2 巖性判別

在施工前對施工作業(yè)面進(jìn)行鉆探。根據(jù)巖土的物理力學(xué)性質(zhì)及工程特性，所依托研究場地巖土層自上而下分述如下［2］：

（1）素填土①：灰黃色、褐黃色，稍濕-濕，結(jié)構(gòu)松散，主要成分為黏性土以及泥質(zhì)粉砂巖、頁巖的碎屑及碎塊，泥質(zhì)粉砂巖、頁巖的碎屑及碎塊含量約占40%～65%，具高壓縮性。鉆探揭露厚度為0.70～4.20 m。

（2）粉質(zhì)黏土②：灰黃色、棕黃色，硬塑狀，稍濕，土質(zhì)均勻，切面稍光滑，干強(qiáng)度高，韌性中等，無搖振反應(yīng)，沖擊鉆進(jìn)。鉆探揭露厚度為0.60～1.50 m。

（3）強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖③：紅褐色、灰白色、黃褐色，堅(jiān)硬密實(shí)狀，以泥質(zhì)粉砂巖為主，夾薄層粉砂巖或粉砂質(zhì)泥巖。原巖結(jié)構(gòu)大部分破壞，節(jié)理裂隙發(fā)育，風(fēng)化程度不均勻，局部地段夾中風(fēng)化團(tuán)塊。沖擊或干鉆較難鉆進(jìn)，送水鉆進(jìn)時(shí)緩時(shí)快，巖芯多在回轉(zhuǎn)過程中被機(jī)械破碎，巖芯呈碎塊狀、短柱狀、粉末狀，手掰巖芯易碎，錘擊巖塊聲悶。鉆探揭露厚度為2.10～7.20 m。

（4）中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖④：紅褐色、黃褐色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄層狀構(gòu)造。以泥質(zhì)粉砂巖為主，局部夾薄層粉砂巖質(zhì)泥巖。巖體較完整，裂隙較發(fā)育，部分裂隙面有鐵質(zhì)渲染，巖芯多呈柱狀，少量碎塊狀，巖質(zhì)較堅(jiān)硬，錘擊巖塊聲脆。鉆探揭露厚度為6.90～12.40 m。

石方施工前先將表土剝離，并將素填土①、粉質(zhì)黏土②挖除，露出巖石基面。

挖除表面土后，再對各層巖石進(jìn)行取樣，進(jìn)行單軸飽和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，一共鉆取具有代表性的四個(gè)點(diǎn)進(jìn)行取樣，詳見表1。

對于各層單軸飽和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)見表2。

3 石方開挖施工方法及工藝

3.1 淺孔爆破施工工藝

3.1.1 爆破施工順序

測量放線→布置炮孔→鉆孔→裝藥→填塞→網(wǎng)路連接→網(wǎng)路檢測→警戒→起爆→檢查。

3.1.2 鉆爆參數(shù)［4］

（1）最小抵抗線W根據(jù)該段的巖石構(gòu)造及地質(zhì)條件等情況，取1.5 m。

（2）炮孔直徑D取45 mm。

（3）炮孔孔距a=25D=1.1 m。

（4）炮孔排拒b=0.8 m。

（5）炮孔深度L根據(jù)爆破方案、開挖深度、巖石堅(jiān)硬度而定。

本設(shè)計(jì)的炮孔深度按式（1）計(jì)算：

L=H+ΔL（1）

式中：L——炮孔的深度（m）;

H——臺(tái)階高度，本方案取3 m;

ΔL——炮孔超深，取0.3 m；

（6）堵塞長度L≥1.5 m；

（7）炸藥單耗k取 0.30 kg/m3；

（8）單孔裝藥量q=kabH=0.30×1.1×0.8×3=0.8 kg，每次最多起爆60個(gè)孔，共48 kg，每天分多次多點(diǎn)起爆，單次爆破藥量＜50 kg。

3.1.3 裝藥

選用乳化炸藥，為配合鉆眼孔徑，選32 mm藥卷的乳化炸藥，裝藥結(jié)構(gòu)為連續(xù)裝藥，不裝藥部分全部采用炮泥密實(shí)堵塞，采用電子雷管并聯(lián)組網(wǎng)起爆。

3.1.4 起爆網(wǎng)路

采用并聯(lián)組網(wǎng)、每3個(gè)孔一組，逐組起爆、組間間隔60 ms的電子雷管起爆網(wǎng)路。每次最多起爆60個(gè)孔，共48 kg。

3.2 機(jī)械破鑿施工工藝

該工藝主要采用破碎錘將巖石破碎使其松動(dòng)，再輔以挖掘機(jī)清理挖除，破巖機(jī)械主要有液壓破碎機(jī)破鑿、液壓高頻破碎錘，液壓高頻破碎錘相較于液壓破碎機(jī)破鑿效率更高、功率更大；但液壓破碎機(jī)的破碎頭可更換為挖掘機(jī)挖斗，作為裝載土石方的挖掘機(jī)使用。

4 各施工工藝施工資源投入

根據(jù)泥質(zhì)粉砂巖的工程特性，本次研究石方開挖主要采用3種施工工藝進(jìn)行開挖施工：液壓破碎機(jī)破鑿、液壓高頻破碎錘破鑿、淺孔控制爆破。各施工工藝機(jī)械設(shè)備及人員投入及費(fèi)用單件詳見表4～5。

5 各類巖性地層開挖施工

對于各級巖層，場地內(nèi)分區(qū)段采用液壓破碎機(jī)破鑿、液壓高頻破碎錘、淺孔爆破施工3種工藝進(jìn)行施工，并選取有代表性區(qū)段6個(gè)工作日的正常施工作業(yè)時(shí)間進(jìn)行施工記錄。

6 各施工工藝投入成本分析

液壓破碎機(jī)破鑿、液壓高頻破碎錘施工主要成本為機(jī)械成本，成本費(fèi)用相對固定，按6個(gè)正常工作日計(jì)算，液壓破碎機(jī)破鑿的施工成本為56 760元，液壓高頻破碎錘施工成本為102 360元；淺孔爆破施工相對固定的是機(jī)械人工成本及實(shí)際材料成本，固定成本部分為38 120元，爆破材料成本部分根據(jù)爆破方案裝藥量及布控平面位置測算約10.5元/m3。各施工工藝固定成本計(jì)算詳見表6。

7 各施工工藝投入成本統(tǒng)計(jì)

研究期間對于各施工工藝相同工作時(shí)間工作量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)及單方施工成本詳見表7。

8 各施工工藝施工效率及成本分析

基于研究數(shù)據(jù)，各施工工藝施工效率及成本分析情況如下：

（1）對于軟巖地層，液壓高頻破碎錘破鑿施工效率及施工成本最優(yōu)，液壓破碎機(jī)次之，淺孔爆破施工效率最差。

（2）對于較軟巖巖層，液壓高頻破碎錘破鑿施工效率及施工成本最優(yōu)，淺孔爆破次之，液壓破碎機(jī)施工效率最差。

（3）對于較硬巖巖層，淺孔爆破施工效率及施工成本最優(yōu)，液壓高頻破碎錘破鑿次之，液壓破碎機(jī)施工效率最差。

（4）在使用相同的施工工藝及機(jī)械配置的情況下，巖石強(qiáng)度越低施工效率越高，施工成本越低。

（5）在本次研究機(jī)械組合情況下各種巖石等級，使用液壓高頻破碎錘的施工效率及施工成本均較液壓破碎機(jī)有優(yōu)勢。

（6）使用淺孔爆破施工工藝，各巖石等級的施工成本差別不大，爆破成本主要在于爆破材料成本，約為施工成本的60%，不同硬度的巖石等級施工效率差別主要在于鉆孔作業(yè)效率，巖石硬度越大，鉆孔效率越低。

（7）當(dāng)巖石等級低于軟巖時(shí)，采用液壓破碎機(jī)破鑿及液壓高頻破碎錘破鑿相較于淺孔爆破有較大的優(yōu)勢，當(dāng)巖石等級低于較軟巖的情況下液壓高頻破碎錘破鑿較淺孔爆破具有較大優(yōu)勢，但當(dāng)巖石等級達(dá)到較硬巖等級時(shí)，采用淺孔爆破有較大優(yōu)勢。

9 結(jié)語

在進(jìn)行泥質(zhì)粉砂巖石方開挖前，需認(rèn)真研究地勘資料，必要時(shí)進(jìn)行巖石抗壓試驗(yàn)從而準(zhǔn)確判斷巖石類別，對于較軟巖及以下類別巖石建議采用液壓高頻破碎錘破鑿開挖石方工藝，當(dāng)巖石等級達(dá)到較硬巖及以上等級時(shí)宜采用爆破法施工。

參考文獻(xiàn)

［1］田巍巍.干濕循環(huán)下不同風(fēng)化程度泥質(zhì)粉砂巖崩解特性試驗(yàn)研究［J］.水資源與水工程學(xué)報(bào)，2018，29（6）：223-226.

［2］DBJ/T45-066-2018，廣西壯族自治區(qū)巖土工程勘察規(guī)范［S］.

［3］JTG C20-2011，廣西市政工程消耗量定額［S］.

［4］JTS 204-2008，水運(yùn)工程爆破技術(shù)規(guī)范［S］.

收稿日期：2023-08-06