一種新型的振動(dòng)裂石機(jī)巖石開(kāi)挖方法與傳統(tǒng)非爆破巖石開(kāi)挖方法對(duì)比研究

摘? 要：本文結(jié)合振動(dòng)裂石機(jī)的施工經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，與其他非爆破開(kāi)挖施工的方法的對(duì)比，闡述了振動(dòng)裂石機(jī)這種新的非爆破開(kāi)挖施工方法的特點(diǎn)、優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍。為該該工藝的推廣及應(yīng)用提供參考，為非爆破開(kāi)挖工程提供更多的選擇。

關(guān)鍵詞：非爆破;巖石開(kāi)挖;裂石機(jī);振動(dòng)破碎

中圖分類(lèi)號(hào)：U416? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A??? 文章編號(hào)：2096-6903（2021）08-0000-00

0前言

進(jìn)入二十一世紀(jì)以來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)外環(huán)境保護(hù)要求越來(lái)越高，舊城改造、各路網(wǎng)升級(jí)越來(lái)越多，非爆破開(kāi)挖在在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。國(guó)內(nèi)在市政領(lǐng)域、環(huán)境保護(hù)區(qū)建設(shè)、運(yùn)營(yíng)結(jié)構(gòu)物或建筑物附近等的巖石開(kāi)挖均要求采取非爆破開(kāi)挖方式;國(guó)外歐美地區(qū)、特別是中東地區(qū)爆炸物的使用極為嚴(yán)格，非爆破開(kāi)挖的需求很大。

目前在國(guó)內(nèi)外，非爆破巖石開(kāi)挖施工常用的方法主要有破碎錘開(kāi)挖方法、巖石劈裂機(jī)開(kāi)挖方法、切割法、銑刨機(jī)法。近幾年在國(guó)內(nèi)興起了一種新的非爆破巖石開(kāi)挖施工方法，主要依靠強(qiáng)力振動(dòng)裂石機(jī)，這里稱(chēng)為“振動(dòng)裂石機(jī)法”，該設(shè)備主要依靠共振原理破碎巖石。下面我們對(duì)以上方法做依次介紹，并作對(duì)比分析。

1 常用非爆破巖石開(kāi)挖施工方法

1.1液壓破碎錘開(kāi)挖方法

液壓破碎錘最為破碎巖石工具，可以與挖掘機(jī)、挖掘裝載機(jī)、輪式裝載機(jī)、礦山碎石機(jī)等配套使用，土工程中主要與反鏟挖掘機(jī)配合使用。其原理通過(guò)高頻次短行程的打擊破碎巖石。

其特點(diǎn)是：可以配合多種液壓施工設(shè)備使用，靈活多變;適用于大多數(shù)施工環(huán)境;

缺點(diǎn)：施工效率相對(duì)較低，特別是對(duì)堅(jiān)硬的弱風(fēng)化巖石;噪音大擾民，在市政工程中的應(yīng)用局限;能耗相對(duì)較高。

1.2巖石劈裂機(jī)開(kāi)挖方法

液壓劈裂機(jī)的結(jié)構(gòu)主要由兩個(gè)部分，一是分裂器，一是液壓動(dòng)力站。其中分裂器是液壓劈裂機(jī)核心部分，分裂器有一個(gè)三個(gè)楔塊組成的楔塊組，中間的楔塊上寬下窄，可以上下移動(dòng)。液壓動(dòng)力站提供液壓動(dòng)力，推動(dòng)中間楔塊下行，將兩側(cè)支撐楔塊撐開(kāi)，支撐楔塊作用在巖石孔內(nèi)即可分裂開(kāi)巖石。

施工時(shí)，首先采用鉆孔設(shè)備或工具在巖石上鉆孔，鉆孔深度和間距根據(jù)巖石特性和巖石劈裂機(jī)的性能確定，或通過(guò)試驗(yàn)確定;然后把液壓劈裂機(jī)的楔塊組放進(jìn)鉆孔中，啟動(dòng)液壓動(dòng)力站，在中間楔塊的作用下楔塊組經(jīng)向增加，撐破巖石。

劈裂機(jī)劈裂巖石過(guò)程如下圖1。

在大面積開(kāi)挖時(shí)，鉆孔設(shè)備可以采用履帶式潛孔鉆機(jī)，施工速度快;劈裂機(jī)可以安裝在反鏟挖掘機(jī)上，既為劈裂機(jī)提供動(dòng)力又具有行走能力，操作方便、工效高。布孔可以采取梅花布置，多臺(tái)劈裂機(jī)按孔排布置，效率更高。

大小面積多點(diǎn)開(kāi)挖時(shí)，可以采用反鏟挖掘機(jī)配潛孔錘打孔，再用反鏟挖掘機(jī)配劈裂機(jī)巖石，進(jìn)行開(kāi)挖。

其特點(diǎn)：原理上采取巖石劈裂，破壞的是巖石內(nèi)部應(yīng)力，工效高能耗小;劈裂機(jī)本身噪聲小，有利于在市區(qū)施工;對(duì)大規(guī)模開(kāi)挖和小規(guī)模可以分別采取適用的方案，應(yīng)用面廣。

缺點(diǎn)：雖然劈裂機(jī)本身噪聲小，但相配合鉆孔施工噪聲污染很難避免;開(kāi)挖完成后石塊較大，運(yùn)輸成本相對(duì)高。

1.3切割法

切割法主要分為兩種，一種是圓盤(pán)鋸切割法，一種是繩鋸切割法。

（1）圓盤(pán)鋸切割法：顧名思義是采用圓盤(pán)鋸沿軌道切割，首先將巖石在豎直方向上切成塊狀或條狀，圓盤(pán)鋸的直徑一半不小于1m，切割深度40左右，否則工效較低。然后采用其他的輔助破碎方法將巖石破碎，如風(fēng)鎬、電鎬、劈裂工具等。

特點(diǎn)：對(duì)周?chē)ㄖ铩?gòu)筑物或地層的擾動(dòng)小，適用于對(duì)周?chē)鷶_動(dòng)要求高的情況;噪聲較小，適用于人口密集區(qū);由于是靠磨損切割巖石，工效較低、成本較高。

缺點(diǎn)：工效較低、成本較高，不適用于大面積的巖石開(kāi)挖。

（2）繩鋸切割法：切割巖石的繩鋸主要有合金繩鋸、金剛石繩鋸。首先在巖石上定位孔，采用導(dǎo)向輪固定繩鋸鏈條路徑，在動(dòng)力驅(qū)動(dòng)器的作用下切割，過(guò)程中采用加水措施降溫。

特點(diǎn)：可以克服較大的巖石強(qiáng)度，適用于花崗巖等強(qiáng)度高巖石;切割面規(guī)則，適于采石的施工。

缺點(diǎn)：成本高、工效相對(duì)較低，不適于大面積的巖石開(kāi)挖。

1.4銑刨機(jī)類(lèi)開(kāi)挖方法

有一種強(qiáng)力的開(kāi)發(fā)法原理是在履帶或滾筒上安裝各種合金刀具或齒具，采用大動(dòng)力將巖石切成碎屑;類(lèi)似于TBM和雙輪銑槽機(jī)的切削原理。市場(chǎng)上有用于平面開(kāi)挖的銑刨機(jī)、采礦機(jī);有開(kāi)挖溝槽用的挖溝機(jī)。如圖2、圖3所示。銑刨機(jī)原本設(shè)計(jì)用于瀝青路面的銑刨，采礦機(jī)主要用于煤礦的露天連續(xù)開(kāi)采，加大機(jī)型后可用于部分巖石開(kāi)采。

特點(diǎn)：可用于大面積的施工，工效較高。

缺點(diǎn)：成本極高，更換刀具齒具頻繁;故障率高;不適用于30M以上的巖石，不適用于微風(fēng)化或弱風(fēng)化的巖石。

1.5化學(xué)材料膨脹開(kāi)挖法和氣體膨脹開(kāi)挖法

這兩種方法類(lèi)似于爆破，但沒(méi)有爆破時(shí)的危險(xiǎn)，各國(guó)及地方政府對(duì)其施工限制較少，這里把這兩種方法也歸類(lèi)為免爆破的開(kāi)挖方法，也稱(chēng)靜力爆破法。

目前化學(xué)材料膨脹法應(yīng)用最廣泛的是生石灰（即氧化鈣）作為主要膨脹劑，并摻入一定量的物催化劑，催化劑可以加劇生石灰的膨脹速度。其施工過(guò)程與爆破類(lèi)似，首先在巖石上鉆孔，然后將膨脹劑裝置加入孔內(nèi)，所有布孔完成后，同時(shí)向膨脹劑裝置內(nèi)加水，此時(shí)會(huì)迅速產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)使孔內(nèi)體積膨脹，一般壓力可達(dá)到30Mpa～50Mpa，在這個(gè)壓力的作用下巖石破碎。

目前氣體膨脹法應(yīng)用最廣泛是以二氧化碳?xì)怏w爆破。施工方法也與傳統(tǒng)爆破類(lèi)似。主要原理是液態(tài)二氧化碳向氣態(tài)轉(zhuǎn)變的過(guò)程中體積膨脹，可高達(dá)600倍，在局限空間中形成20MPa～60MPa的壓力，從而將巖石破碎。二氧化碳的相變通過(guò)化學(xué)加熱的方法。

特點(diǎn)：沿用了傳統(tǒng)爆破工藝的原理，減弱了爆破效果，減少了爆破不利影響。

缺點(diǎn)：化學(xué)材料膨脹開(kāi)挖法需要在準(zhǔn)備破裂的巖石上開(kāi)出溝槽或按一定布局圖形鉆孔，然后將化學(xué)膨脹材料灌入溝槽或孔內(nèi)，膨脹材料需要一定時(shí)間進(jìn)行膨脹，這種方法裂石沒(méi)有連續(xù)性，每個(gè)作業(yè)流程需要時(shí)間長(zhǎng)、效率低，成本高;在巖石較發(fā)育的地層，膨脹力會(huì)被卸掉，無(wú)法發(fā)揮應(yīng)用有的作用。氣體膨脹開(kāi)挖法成本很高，對(duì)周?chē)臄_動(dòng)較大。

2 振動(dòng)裂石機(jī)法

在傳統(tǒng)的爆破開(kāi)挖中其優(yōu)點(diǎn)是，用于大規(guī)模大面積的開(kāi)挖，成本低。以上介紹的各種非爆破開(kāi)挖的方法都無(wú)法實(shí)現(xiàn)或替代爆破開(kāi)挖的應(yīng)用場(chǎng)景。下面我們介紹一下振動(dòng)裂石機(jī)巖石開(kāi)挖法，在一定程度上可以替代爆破開(kāi)挖。

振動(dòng)裂石機(jī)巖石開(kāi)挖法的核心設(shè)備是強(qiáng)力裂石機(jī)。強(qiáng)力裂石機(jī)是北京陽(yáng)光五洲科技公司研發(fā)的設(shè)備，主要采用推土機(jī)作為前進(jìn)動(dòng)力，推土機(jī)后面設(shè)犁型裝置。運(yùn)行過(guò)程中類(lèi)似于農(nóng)業(yè)犁地，推土機(jī)提供動(dòng)力帶動(dòng)犁，犁插入巖石（40cm左右），將巖石破碎翻起。工作時(shí)，操縱操作控制裝置，使松土裂石驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)犁體產(chǎn)生非垂直于地面運(yùn)動(dòng)，使得犁刀進(jìn)行松土裂石。犁體帶動(dòng)犁刀工作不是垂直地面的運(yùn)動(dòng)，這樣就減小了與地面的阻力，能耗低，工作效率高，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)機(jī)械裂石施工，替代了傳統(tǒng)爆破施工，裂石施工不產(chǎn)生環(huán)境污染、施工安全高效。

犁型結(jié)構(gòu)的破碎巖石的主要原理是在強(qiáng)大的拉力同時(shí)高頻振動(dòng)，可調(diào)節(jié)至近似巖石共振的頻率，達(dá)到快速開(kāi)挖的目的。這種高頻振動(dòng)與破碎錘的振動(dòng)不同。效果如圖4、圖5。

結(jié)構(gòu)：

經(jīng)試驗(yàn)及應(yīng)用，該方法可以完成每小時(shí)可破裂巖石1000～3500m3，在50MPa以下的、弱風(fēng)化以下巖石的產(chǎn)能較高。使用過(guò)程中配合裝載機(jī)、挖掘機(jī)裝車(chē)運(yùn)輸，效率極高，可以用于采礦。

應(yīng)用：該工藝在國(guó)內(nèi)外已有不少案例，如克拉瑪依市金龍湖免爆破開(kāi)挖工程、宜昌瀾山一品場(chǎng)平工程、宜昌夷陵萬(wàn)達(dá)三期項(xiàng)目、宜昌點(diǎn)軍至長(zhǎng)陽(yáng)龍舟坪公路項(xiàng)目、松滋臨港工業(yè)園項(xiàng)目、委內(nèi)瑞拉CANTV OPSUT項(xiàng)目、土庫(kù)曼斯坦鐵道部通訊項(xiàng)目等。

特點(diǎn)：適用于大面積巖石開(kāi)挖施工，場(chǎng)地越大效率越高，在復(fù)雜地址地形使用適應(yīng)性更強(qiáng);推土機(jī)牽引力和推力更大，開(kāi)挖速度快;推土使用轉(zhuǎn)向靈活便捷，施工方便。高頻振動(dòng)共振原理充分利用巖石內(nèi)部應(yīng)力，大程度減小能耗，成本低。在復(fù)雜地址地形使用適應(yīng)性更強(qiáng)。

缺點(diǎn)：不適于小面積小規(guī)模的開(kāi)挖;該產(chǎn)品為陽(yáng)光五洲的專(zhuān)利產(chǎn)品，該公司只做承包施工不出售設(shè)備，無(wú)法快速推廣。

3 對(duì)比分析

就對(duì)于代替爆破開(kāi)挖的大場(chǎng)景而言，傳統(tǒng)的免爆破開(kāi)挖方法與振動(dòng)裂石機(jī)法對(duì)比如下表1：

從整體上看，在大規(guī)模、大面積巖石開(kāi)挖場(chǎng)景中，振動(dòng)裂石機(jī)法效果最好，成本最低，是代替爆破開(kāi)挖的最佳方法。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上情況的對(duì)比，我們也認(rèn)識(shí)到大規(guī)模免爆破巖石開(kāi)挖無(wú)法比肩爆破開(kāi)挖。新型振動(dòng)裂石機(jī)的出現(xiàn)及應(yīng)用很大程度上縮小了免爆破巖石開(kāi)挖與爆破巖石開(kāi)挖的差距。雖然由于專(zhuān)利保護(hù)和科技公司經(jīng)營(yíng)限制，導(dǎo)致了目前該項(xiàng)施工技術(shù)沒(méi)有得到推廣;但是隨著市場(chǎng)需求的日益增大，該方法會(huì)得到推廣，也會(huì)有更多的企業(yè)開(kāi)發(fā)類(lèi)似產(chǎn)品，從而推動(dòng)免爆破巖石開(kāi)挖施工工藝進(jìn)步。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2021-07-05

作者簡(jiǎn)介：王煥震（1987—），男，河北石家莊人，本科、中級(jí)工程師，研究方向：地下工程含隧道工程及基礎(chǔ)工程。

Comparative Study on a new Type of rock Excavation Method with Vibratory rock Cracker and Traditional Non-blasting rock Excavation Method

WANG Huanzhen

（China Gezhouba Group Municipal Engineering Co.， Ltd.， Yichang Hubei ?443002）

Abstract： Based on the summary of construction experience of vibrating rock cracker and comparison with other non-blasting excavation methods， this article expounds the characteristics， advantages and disadvantages and scope of application of the new non-blasting excavation method of vibrating rock cracker. It provides a reference for the promotion and application of the technology， and provides more choices for non-blasting excavation projects.

Keywords： Non-blasting; rock excavation; rock cracker; vibration crushing