泥質粉砂巖質石方挖除施工方法探討

陳水平 廖婷

摘要：廣西沿海部分地區地質構造特點表層為粉質黏土、下層為泥質粉砂巖，文章依托實際工程，研究該類型地質構造特點，對挖除泥質粉砂巖的幾種施工方法進行對比，并分析泥質粉砂巖挖除施工成本費用，探討適用于不同巖性的快速、經濟的挖除施工工藝。

關鍵詞：泥質粉砂巖；挖除施工；進度分析；成本分析

中圖分類號：U615.5 A 06 015 3

0 引言

平陸運河工程是西部陸海新通道骨干工程，項目土石方開挖工程量巨大，項目所在地區存在大量泥質粉砂巖。結合地區地質構造特點，選擇不同的施工工藝及機械配置，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粉砂巖的施工工藝技術及施工機械配置，并分析該地區泥質粉砂巖挖除施工成本費用。

1 泥質粉砂巖基本物理力學性質及特性

1.1 泥質粉砂巖基本物理性質

泥質粉砂巖是由沙粒通過水的搬運作用，經千百年的沉積堆積，并經地質擠壓等物理作用膠結而成的巖石。構成泥質粉砂巖結構顆粒比較細小，結構透水性能良好，構成主要為粉砂、黏土礦物及膠結物，其中粉砂含量約為70%～50%，黏土礦物及膠結物成分含量約50%～25%。泥質粉砂巖主要呈灰白色、紅褐色、黃褐色等，粒狀結構，頁理構造或碎屑結構、塊狀層理。

1.2 泥質粉砂巖力學性質［1］

1.2.1 遇水崩解性

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

1.2.2 崩解機理

巖石浸水后，水分子極易被吸引向巖石孔隙滲透，巖石內部主要發生膨脹和軟化變化。因黏土礦物的比表面積大且親水性極強，黏土礦物吸水引發巖石內部不均勻膨脹，使巖石顆粒崩解碎裂；膠結物吸水后會軟化，巖石浸水后，巖石內部分膠結物被水軟化、溶解，巖石因此失去顆粒間的聯結而解體。當泥質粉砂巖經過大氣反復的干濕循環，巖石顆粒經歷反復的膨脹以及收縮，最終導致泥質粉砂巖巖石的崩解。

2 泥質粉砂巖巖性的判別

2.1 項目概況

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

2.2 巖性判別

在施工前對施工作業面進行鉆探。根據巖土的物理力學性質及工程特性，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，結構松散，主要成分為黏性土以及泥質粉砂巖、頁巖的碎屑及碎塊，泥質粉砂巖、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）粉質黏土②：灰黃色、棕黃色，硬塑狀，稍濕，土質均勻，切面稍光滑，干強度高，韌性中等，無搖振反應，沖擊鉆進。鉆探揭露厚度為0.60～1.50 m。

（3）強風化泥質粉砂巖③：紅褐色、灰白色、黃褐色，堅硬密實狀，以泥質粉砂巖為主，夾薄層粉砂巖或粉砂質泥巖。原巖結構大部分破壞，節理裂隙發育，風化程度不均勻，局部地段夾中風化團塊。沖擊或干鉆較難鉆進，送水鉆進時緩時快，巖芯多在回轉過程中被機械破碎，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）中風化泥質粉砂巖④：紅褐色、黃褐色，泥質結構，薄層狀構造。以泥質粉砂巖為主，局部夾薄層粉砂巖質泥巖。巖體較完整，裂隙較發育，部分裂隙面有鐵質渲染，巖芯多呈柱狀，少量碎塊狀，巖質較堅硬，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、粉質黏土②挖除，露出巖石基面。

挖除表面土后，再對各層巖石進行取樣，進行單軸飽和抗壓強度試驗，一共鉆取具有代表性的四個點進行取樣，詳見表1。

對于各層單軸飽和抗壓強度試驗見表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→網路連接→網路檢測→警戒→起爆→檢查。

3.1.2 鉆爆參數［4］

（1）最小抵抗線W根據該段的巖石構造及地質條件等情況，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根據爆破方案、開挖深度、巖石堅硬度而定。

本設計的炮孔深度按式（1）計算：

L=H+ΔL（1）

式中：L——炮孔的深度（m）;

H——臺階高度，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個孔，共48 kg，每天分多次多點起爆，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，裝藥結構為連續裝藥，不裝藥部分全部采用炮泥密實堵塞，采用電子雷管并聯組網起爆。

3.1.4 起爆網路

采用并聯組網、每3個孔一組，逐組起爆、組間間隔60 ms的電子雷管起爆網路。每次最多起爆60個孔，共48 kg。

3.2 機械破鑿施工工藝

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

4 各施工工藝施工資源投入

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

5 各類巖性地層開挖施工

對于各級巖層，場地內分區段采用液壓破碎機破鑿、液壓高頻破碎錘、淺孔爆破施工3種工藝進行施工，并選取有代表性區段6個工作日的正常施工作業時間進行施工記錄。

6 各施工工藝投入成本分析

液壓破碎機破鑿、液壓高頻破碎錘施工主要成本為機械成本，成本費用相對固定，按6個正常工作日計算，液壓破碎機破鑿的施工成本為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械人工成本及實際材料成本，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算詳見表6。

7 各施工工藝投入成本統計

研究期間對于各施工工藝相同工作時間工作量進行統計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

基于研究數據，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，液壓破碎機次之，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，淺孔爆破次之，液壓破碎機施工效率最差。

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

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

（5）在本次研究機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有優勢。

（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效率，巖石硬度越大，鉆孔效率越低。

（7）當巖石等級低于軟巖時，采用液壓破碎機破鑿及液壓高頻破碎錘破鑿相較于淺孔爆破有較大的優勢，當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勢，但當巖石等級達到較硬巖等級時，采用淺孔爆破有較大優勢。

9 結語

在進行泥質粉砂巖石方開挖前，需認真研究地勘資料，必要時進行巖石抗壓試驗從而準確判斷巖石類別，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，當巖石等級達到較硬巖及以上等級時宜采用爆破法施工。

參考文獻

［1］田巍巍.干濕循環下不同風化程度泥質粉砂巖崩解特性試驗研究［J］.水資源與水工程學報，2018，29（6）：223-226.

［2］DBJ/T45-066-2018，廣西壯族自治區巖土工程勘察規范［S］.

［3］JTG C20-2011，廣西市政工程消耗量定額［S］.

［4］JTS 204-2008，水運工程爆破技術規范［S］.

收稿日期：2023-08-06