論高速公路工程紅砂巖路基的開挖技術

婁方德

摘要 某高速公路施工區域土石方主要為紅砂巖，開挖規模較大，施工時為有效降低對周邊自然環境的影響，決定利用路塹挖方進行路基回填施工，其經濟效益顯著。文章根據紅砂巖的基本特征并結合某高速公路實際施工案例，對高速公路工程中紅砂巖路基開挖技術進行了全方位研究，并對其質量、安全、進度以及造價等方面的綜合比選，確定了最佳施工方案，確保工程建設的順利完成，為后續同類工程施工提供了參考和借鑒。

關鍵詞 紅砂巖開挖;新設備;新工藝

中圖分類號 U416.1 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）10-0098-03

0 引言

項目地處湘中南，地表覆蓋層為高、低液限粘土、粉土及砂礫，底下全部為紅砂巖。由于紅砂巖遇水崩解的特性，加之在湘中南降水比較豐富的地區施工，如何保證紅砂巖開挖的施工進度及開挖后邊坡的穩定性成為本項目一大難題。文章在參考以往高速公路紅砂巖施工案例，結合該項目的實際情況，闡述了采用大型一體臂勾機開挖紅砂巖路基的施工工藝及影響。

1 紅砂巖的特性及其對施工的影響

紅砂巖也被稱作紅巖，廣泛分布于我國南部地區，主要存在于泥巖、含泥質砂巖以及頁巖等沉積巖體內。紅砂巖由于內部存在較多的鐵氧化物，因此呈現顏色為紅、深紅或褐色。其主要構造形態為粒狀破碎結構及泥狀膠凝結構，由于膠結物質及風化程度的不同，其實際強度存在較大差異。大部分紅砂巖長期暴露在空氣中會出現膨脹裂解現象，最終形成泥質狀態，其顆粒尺寸和顆粒級配會因暴露時間的延長而不斷改變，物理性能也隨之發生變化。

1.1 紅砂巖分類

紅砂巖根據強度及裂解形式可分成下列三種形式：

（1）一類紅砂巖巖體天然單軸抗壓強度不超過15 MPa，經105 ℃高溫處理并在水中浸泡24 h，逐步裂解碎化成渣狀和泥狀。

（2）二類紅砂巖巖體天然單軸抗壓強度不超過15 MPa，部分稍高于15 MPa，經105 ℃高溫處理并在水中浸泡24 h，逐步裂解碎化成塊狀。

（3）三類紅砂巖巖體天然單軸抗壓強度達到15 MPa，部分高于15 MPa，經105 ℃高溫處理并在水中浸泡24 h，逐步裂解成較大塊狀。

1.2 紅砂巖的結構特征和礦物成分

結合該高速公路施工地段巖石試樣的檢測結論，紅砂巖構造形態具體分為粒狀碎屑結構和泥狀結構兩類，而根據巖相學類別，又可將其進一步劃分為碎屑巖類和粘土巖類，前者主要由泥質砂巖、泥質粉砂巖、泥質細砂巖、粉砂巖、砂巖等組成;而后者則主要分為泥巖、頁巖、砂質泥巖及砂質頁巖等。在紅砂巖內部的氧化物大部分呈侵染狀態，其碎屑顆粒之間產生多種形式的膠結。但由于鐵質在諸多巖體中是以游離形態存在，所以其主要決定巖體的外觀顏色，對巖性并不會產生影響。結合最新道路土工試驗標準，測得紅砂巖化學成分及物理力學特性，見表1～3。

1.3 紅砂巖的崩解特性及顆粒集配

泥狀結構的粘土巖類紅砂巖通常容易產生膨脹軟化現象，在干燥和潮濕環境的長期反復作用下，砂巖逐漸呈現碎裂現象，最終形成泥狀結構，在一定程度上導致顆粒級配發生改變。試驗證明，在干濕循環作用的持續影響下，隨裸露時間的逐漸增加，巖塊逐步產生膨脹碎化，經過50～60天不斷變化逐漸趨于穩定狀態，不再出現膨脹碎化。粒狀結構的紅砂巖通常碎裂成粒徑較小塊狀，碎裂后的小塊巖體總體處于穩定形式或碎化極為緩慢，粒徑低于0.5 mm的塊體極少。

1.4 紅砂巖的物理性質和狀態指標

（1）紅砂巖的物理性質和狀態指標見表4～6。

（2）參照具體試驗數據指標，根據最新《公路路基設計規范》判定標準，一類巖為弱膨脹巖。紅砂巖各項力學指標如表7所示。

1.5 各種紅砂巖擊實試件抗剪強度及滲透性指標

經現場試驗充分證明，紅砂巖在充分壓實后滲透性能極差，當壓實度超過標準擊實90%狀態下的紅砂巖，其抗滲性能較強，表面積水通常極難向下滲透，只對表層土體含水量產生影響，二類紅砂巖在壓實狀態下抗滲能力明顯高于粘土。針對水穩性能較低的一類紅砂巖，在進行開挖時，應提前在開挖區域端部位置做好防排水處理，以避免地表較淺部位的紅砂巖遇水軟化，導致硬度變小，甚至出現膨脹開裂。

2 紅砂巖路基開挖

2.1 施工工藝流程

紅砂巖路基施工工藝流程見圖1。

2.2 傳統爆破開挖模式

貴州省在多條高速公路建設中都有紅砂巖施工的成功經驗。以往紅砂巖的開挖多采用爆破的方式，隨著國家對民爆器材的管控越來越嚴，關于民爆器材的申領、保管、清點及退回，手續繁雜，安全風險大，大大增加了項目的管理成本;鉆孔施工時，帶來的揚塵嚴重影響了項目的文明施工形象及對周邊環境的破壞;爆破中必須精確控制炸藥藥量，偏少則需第二次鉆孔和爆破，影響工期。偏多則加大了對邊坡的擾動，也增加了紅砂巖裂隙的發展，雨后地表水的下滲容易引起邊坡的垮塌，增加了安全隱患，也增大了棄方量，不符合節約臨時用地的原則。

2.3 大型一體臂勾機開挖

為積極響應“管理創新、降本增效”攻堅戰的決策，優化調整資源要素配置方式，降低項目成本，充分發揮施工隊伍在常規工程和常規設備方面的產能，與集團自有資源實現優勢互補。項目對全線石方紅砂巖爆破采用規模租賃施工模式，將紅砂巖石方開挖施工任務的爆破工程改用大型機械（新型PC460、PC650一體臂鉤機）直接勾松，并輔助以小松300型鑿巖機解小后裝車運至填筑現場進行填方施工。新型PC460一體臂鉤機整機工作質量（kg）：46 000;額定功率（kW/rpm）：257/1 900;發動機型號：小松SAA6D125E-5。

結合紅砂巖性質，開挖時必須根據現場具體情況配置機械設備，并選取合理的開挖方式，確保邊坡施工的順利實施。為確保刷坡質量，在實際施工中可提前制作專用靠尺（見圖2），對刷坡質量進行檢查。實踐證明，采取簡易坡度尺對坡度質量進行全程把控，效果顯著。

2.4 方案對比

2.4.1 質量、安全、進度比較

根據設計圖紙及地質情況和認真調查，項目全線為Ⅰ至Ⅲ類紅砂巖。采用大型機械勾松，質量上較爆破挖方邊坡擾動少、平整美觀，減少虧坡現象，且可解小至最大直徑1 m內，利于填方堆碼法壓實質量及效率控制;安全上，減少了雷管炸藥管理及使用帶來的重大風險;進度上，原傳統爆破方式，遇到重大節假日，都會停止炸藥供應，且有協調困擾，影響施工進度，PC460效率100～150方/h（中風化）、PC650效率80～100方/h（弱風化），機械勾松可增配數量，且機械施工可以24 h作業，進度可控。

2.4.2 經濟比較

（1）價格的對比，節約成本（直接成本）：石方松動價格為6.02元/m3，裝運價格為8.115元/m3，合價14.135元/m3（不含稅），相較類似石方爆破挖運15元/m3（不含稅），節約直接成本200萬元。

（2）間接成本：采用傳統的爆破模式，項目部還應承擔炸藥庫建設費用及專人管理工作，費用預估不低于80萬元，爆破資質使用費用不低于60萬元，炮損帶來的賠償費用，不低于100萬元，節約間接成本約200萬元。

（3）稅費節約：可開具13%的設備租賃費專用發票，進項稅抵扣約100萬元。

3 結論

結合施工現場紅砂巖分層的地質情況，鉤機能通過裂縫將自重破挖優勢發揮，但面對整塊微風化紅砂巖破挖效果不明顯，項目約有10余萬m3該類石方通過松動爆破挖除。采用大型一體臂勾機開挖紅砂巖路基，質量容易受控，施工過程安全性增強，能滿足工期要求，綜合經濟效益顯著。

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