金剛石繩鋸法切挖路基石方邊坡施工應用研究

張 偉

(廣西桂通工程咨詢有限公司，廣西 南寧 530028)

0 引言

傳統的路基石方路基邊坡通常采取光面爆破法開挖和挖掘機相結合的作業方式，爆破后采用機械設備及時對險石和松石進行清理，保障邊坡的安全穩定性。光面爆破法容易對客觀存在的因素產生較大的影響，不但增加了施工周期和成本，而且還涉及到周邊人民群眾的生命和財產安全。采用新工藝金剛石繩鋸法對路基石方邊坡進行切挖施工作業，能夠有效地避免對周邊客觀存在的事物產生影響。本文以巴馬至平果坡造工程路基石方邊坡工程為例，介紹了金剛石繩鋸法切挖路基石方邊坡的施工工藝和應用效果。

1 工程概況

巴馬至平果坡造公路工程№4標為舊路改擴建項目，起于K68+000舊城鎮，終于K92+254.5平果縣坡造鎮，與平果至武鳴二級路連接，路線主要沿省道(S208)布設。項目設計為雙車道路基，路基寬度分別為8.5 m和10 m，行車道寬2×3.50 m，路基寬8.5 m的路肩寬2×0.75 m，路基寬10 m的路肩寬2×1.50 m。不設超高路段行車道，硬路肩的橫坡為2%。主線路面結構形式為：15 cm未篩分碎石+15 cm級配碎石+20 cm水泥穩定碎石+1 cm瀝青碎石下封層+透層+24 cm水泥混凝土。利用原有舊路面部分路面結構為：10 cm級配碎石調平層+20 cm水泥穩定碎石+1 cm瀝青碎石下封層+透層+24 cm水泥混凝土。

該項目在里程樁號K89+420～K89+700段石方邊坡石質堅硬，且距離坡造鎮民房較近，現場無法采用傳統的光面爆破法。先后嘗試使用破碎錘直接破碎、膨脹炸藥爆破、劈裂機劈裂等多種靜態爆破施工方法，施工效果都不明顯，施工成本也無法控制。而繩鋸法施工工藝是一項較為成熟的施工工藝，廣泛應用于礦山、板材、鋼筋混凝土和墻磚等堅硬物質的切割拆除，而在公路工程路基石方邊坡施工中還未有先例。為了確保石方邊坡能夠安全、快速順利地進行切挖，并且做到不影響周邊的民房設施，不產生爆破聲響、爆破飛石和爆破振動，不影響周邊居民的安全生活生產，項目率先在公路工程石質邊坡施工中，采用先進的靜力切挖工藝金剛石繩鋸法對該石質邊坡順利進行切挖，有效地控制了施工成本。

2 金剛石繩鋸法的工藝原理及其特性

2.1 金剛石繩鋸法施工工藝原理

繩鋸是人們在實際生產實踐中，充分利用繩鋸木斷的原理設計出的一種對脆硬材料進行切割的鋸。繩鋸主要由繩鋸驅動、飛輪、導向輪及繩鋸鏈條組成，串珠對繩鋸鏈條進行把控，一般規格型號為Φ7.2～Φ11.5。金剛石繩鋸是以自然界中硬度最高的金剛石作為配方材質，將金剛石單晶作為研磨材料鑲入到繩鋸的串珠上，形成了具有切挖任何硬度材質的特性。金剛石繩鋸法施工工藝原理主要是，在施工作業前，先對需要進行切除的路基石方邊坡進行鉆孔，將金剛石繩鋸沿著鉆好的孔洞穿出形成閉合圈。再通過電動驅動動力裝置的繩鋸機高速驅動下帶動金剛石繩鋸與所要切挖的路基石方邊坡進行高速運動研磨切割。在路基石方邊坡切挖過程中，可以進行遠距離的控制操作。高速運轉的金剛石繩鋸需要靠水來冷卻，并將研磨碎屑帶走，形成了一個較為完整的靜力切割面；然后再采用相關的機械設備對路基邊坡石方分塊體進行吊裝運輸，達到了對路基石方邊坡切挖的目的。本項目所采用的金剛石串珠繩鋸、繩鋸機、繩鋸機安裝及切割作業情況如圖1～4所示。

圖1 金剛石串珠繩鋸現場圖

圖2 金剛石串珠繩鋸機現場圖

圖3 金剛石繩鋸安裝示意圖

圖4 切割作業示意圖

2.2 金剛石繩鋸法施工特性

在實際操作過程中，金剛石繩鋸機具有安裝方便，不受場地和空間的限制，使用靈活等特點，能夠對所要切挖的路基石方進行橫切割或者豎切割。根據動力的劃分主要分為電動繩鋸機和液壓繩鋸機。本文對巴馬至平果坡造公路工程項目路基石方切挖所用的金剛石繩鋸機施工特性進行了歸納總結，并跟傳統的路基石方邊坡施工工藝進行比較分析，主要特點比較如表1所示。

表1 傳統施工方法與金剛石繩鋸切挖法施工特性比較表

3 金剛石繩鋸法切挖路基石方邊坡施工的應用分析

3.1 路基石方邊坡穩定性分析

路基邊坡穩定性指的是邊坡巖、土體在一定的坡高和坡腳條件下的穩定程度。通常情況下分為天然斜坡和人工邊坡，而人工邊坡又分為開挖邊坡和堤壩邊坡。按照邊坡的穩定程度主要分為：穩定邊坡、不穩定邊坡和極限平衡狀態邊坡三種。巴馬至平果坡造公路工程項目K89+420～K89+700段路基石方邊坡屬于人工開挖邊坡，根據現場的實際地質條件，路基石方邊坡巖體被地質斷裂面所切割，地質斷裂所形成的滑坡一般呈平面或者圓弧等規則形狀。本文采用了曲折滑面邊坡穩定性計算方式對石質邊坡進行計算，將滑體分為若干條塊，曲折滑坡邊坡穩定性計算如圖5所示。

圖5 曲折滑坡邊坡穩定性計算示意圖

3.2 金剛石繩鋸法工藝操作流程

巴馬至平果坡造公路工程項目K89+420～K89+700段路基石方邊坡金剛石繩鋸法施工工藝主要流程如圖6所示。

圖6 金剛石繩鋸法切挖石方邊坡施工工藝流程圖

3.3 金剛石繩鋸法的操作要點

3.3.1 施工前準備

采用金剛石繩鋸法切挖路基石方邊坡施工時，要根據項目的實際情況做好施工前的準備工作，其中對于施工機具的準備如表2所示。

3.3.2 確定目標切挖面

根據施工圖設計和現場的具體技術要求，確定石方邊坡石塊厚度、形狀及設計邊坡位置等，并結合實際吊裝運輸能力確定目標的切挖面。確定切挖面時，測量技術人員進行切割線的放樣定位，結合邊坡結構的穩定情況、施工安全及施工可行性等方面確定切挖的整體順序，做到統籌安全，科學合理。主要考慮以下幾個方面，確定切挖面如圖7所示。

表2 主要施工機具設備表

(1)二次破碎所用設備能夠破碎的最大厚度用d表示，d值應該是通過對該邊坡局部突出、臨空面大的石塊進行破碎實驗來確定。

(2)繩鋸后的邊坡表面平整而光滑，破碎設備將無法對其進行再次破碎，所以最后一個切割面應直接以設計邊坡為切割面。

(3)石方邊坡石質的厚度用D表示，目標切割面的數量和位置根據D和d來確定。

圖7 確定切挖面示意圖

3.3.3 鉆孔、穿孔和閉合圈

根據路基石方邊坡的具體情況，如果金剛石串珠繩無法按照既定的目標切割面平面圍繞形成閉合圈的時候，需要對其進行鉆孔。

(1)鉆孔要根據測量放樣所確定的切割平面布置。

(2)鉆孔必須穿過整個石塊，在石塊的另一側露出。

(3)根據切割面的大小，一個切割面只能鉆一個孔，可以鉆多個孔進行多次的切割。

(4)鉆孔的孔徑必須要比金剛石串珠繩直徑大。

(5)根據路基石方邊坡具體的情況采用不同的鉆孔方式：當石方邊坡較小，單個切割面周長小于90 m時，可以直接從邊坡的一側鉆孔到另一側(如圖8所示)；當石方邊坡較大，無法直接鉆孔成側時，需要每隔30 m采用膨脹炸藥爆破出5 m寬的切割槽，將切割面分為多個工作面(如圖9所示)。

接著，根據鉆好的孔，采用金剛石串珠從高處的孔往低處的孔口穿。直至金剛石串珠繩能夠沿著既定的切割面形成閉合圈。

圖8 邊坡較小時工作面示意圖

圖9 邊坡較大時工作面示意圖

3.3.4 金剛石繩鋸機的安裝

充分利用現有的場地作為金剛石繩鋸機作業的平臺，將繩鋸機用M16化學錨栓固定安裝，金剛石串珠要繞過繩鋸機的主動輪和從動輪，輪的邊緣與穿繩孔的中心對準，并且處于同一個平面。再對繩鋸機進行調整，使得金剛石串珠繩能夠繃緊，確保切割面能夠進行有效的切割。切割過程中，要做好機座穩定性的檢查，根據操作過程中的具體情況適時對輪子的偏向進行調整，始終讓切割繩保持同一平面內。在金剛石繩鋸機割鋸作業過程中會產生大量的熱量，需要在閉合圈范圍內增設注水點，對繩鋸進行冷卻和降低灰塵。金剛石繩鋸機有電動裝置和液壓裝置，根據項目實際情況采取電動裝置。

3.3.5 二次破碎挖除作業

路基石方邊坡經過了金剛石繩鋸機的切割作用后，硬質石體被分為了適當厚度的石塊。可采用吊裝設備對石塊進行調運，再采取炮捶式挖掘機進行二次的破碎，直至將石塊運輸處理。項目施工情況如圖10～11所示。

圖10 施工前現場圖

圖11 施工后現場圖

3.4 效益分析

巴馬至平果坡造公路工程№4標為舊路改擴建項目。在K89+420～K89+700段路基石方邊坡施工中，采用新工藝金剛石繩鋸法取得了較好的經濟效益和社會效益。該工藝施工綜合成本比傳統施工方法低(如表3所示)，有效地緩解了施工對鎮上周邊民房的影響，節約了施工成本，提高了施工效率，并且減少了對原有道路的交通干擾，對路塹邊坡形成切割鏡面，降低了邊坡的防護成本。金剛石繩鋸法切挖路基石方邊坡施工工藝是在傳統施工工藝難以滿足施工要求的條件下產生的。相對于傳統的施工工藝，該工藝是路基石質邊坡切挖技術發展應用的一大飛躍。該工藝具有技術先進、綜合經濟效益突出等優勢，主要體現如下：

(1)安裝方便，施工簡單，提高了公路工程路基邊坡石方施工的機械化水平，減少了勞力資源。

(2)提高了工程效率，降低了工程成本，縮短了工程工期，能夠確保結構整體安全，對周邊的構筑物影響較小。

(3)符合低碳節能的環保要求，噪音低，粉塵氣體污染小，具有標準化、精細化施工作業模式，具有現代化文明施工建設的優越性。

表3 傳統施工方法與金剛石繩鋸切挖法經濟效益比較表

4 結語

綜上所述，金剛石繩鋸法切挖施工工藝成功應用于巴馬至平果坡造公路工程路基石方邊坡的施工，有效地促進了現場的施工安全和質量控制，確保了周邊民房的安全和減少了對居民的干擾，提高了項目的經濟效益、社會效益和環境效益。項目對該施工工藝進行總結，獲得了建設單位的認可，也成為了優秀的企業級工法。該工法施工效率高、安全性突出，特別適用于硬度較大的石方及受限于特殊環境的施工現場，具有著較高的可靠性和實用性，是促進社會可持續發展的有效技術性措施，值得在類似工程項目推廣應用。

[1]廣西路建工程集團有限公司.繩鋸法切挖石方邊坡施工方法[Z].

[2]史欽華.金剛石繩鋸在切割下穿框架橋工程中的應用[J].浙江建筑，2015(4)：33-36.

[3]鄧宏偉.VOPEN-307H繩鋸切割法在橋涵拆除中的應用[J].天津科技，2016，1(43)：26-29.

[4]李德榮.客運專線大跨懸臂連續梁臨時支座的拆除技術[J].鐵道建筑技術，2014(s1)：78-91.