泥岩纯机械法开挖施工探讨

刘万荣

【摘要】通过新疆开都河小山口二级水电站工程泥岩实践开挖，对当地泥岩地质物理特性进行了研究，对其泥岩开挖进行探讨，尝试了纯机械法开挖施工，分别从质量、进度、安全和成本综合分析，比价合理。为今后泥岩地质层方面开挖提供参考、借鉴。

【关键词】泥岩；开挖；探讨

【Abstract】Through Xinjiang Kaidu pass two small hydropower engineering practice shale excavation of the local geology mudstone physical characteristics were studied to explore its shale excavation， tried Excavation of purely mechanical method， respectively， from the quality， schedule， safety and comprehensive analysis of costs and reasonable parity. Future shale geological layer to provide reference excavation reference.

【Key words】Mudstone；Excavation；Discussion

1. 工程概况介绍

（1）新疆开都河小山口二级水电站工程（简称"本工程"）位于巴音郭楞蒙古自治州开都河下游和静县境内，电站引水渠道总长6096.0m，流量196.5m3/s，渠道底坡i=1/5000，装机容量49.5MW，保证出力11.42MW，多年平均有效发电量2.16亿KW·h。

（2）工程区地貌呈典型的河谷地貌特征，现代河谷宽1000m～1300m，河漫滩发育，开都河左岸发育Ⅱ～Ⅶ级阶地。本工程处在开都河的左岸滩地及Ⅲ阶地上，地层为第四系上更新统冲、洪积层（Q3al+pl）和第三系中新统（N1t）地层，主要岩性为（砂质）泥岩、砂岩及泥质粉砂岩等，局部夹砂砾岩透镜体，岩层产状300°～310°NE∠7～10°。该地层岩时间短，成岩作用差，岩体强度较低，风化界限不明显。

2. 泥岩主要特性

（1）泥岩在新疆天山山脉和甘肃祁连山山脉一带分布较广，表面风化一般很严重，强风化层厚度多为5～8 m，弱风化层厚度为6～10 m。一般工程中设计要求：应将强风化及卸荷带的岩体开挖消除，达到弱风化层基础即可作为结构物的建基面。

（2）在干燥状态下比较坚硬，抗压强度和抗剪强度与石灰岩、花岗岩相近，等级可达到4～5级；在空气中外露时风化很快，约2h以后表面就会很容易风化、变得松散掉块；遇水浸泡后表面短时间内就会变软（1～2h内），甚至变成淤泥--这是泥岩最大的特点，由于泥岩透水性极差，在水位降低或水分完全散失时，会重新变得很坚硬，也会因为水分散失而发生表面干缩裂缝，具有抗水性、抗风化性能差，易软化和崩解等特点。

3. 泥岩开挖法探讨

3.1钻爆法。目前对于石灰岩、花岗岩来说，工程中钻孔爆破是常见的唯一开挖方法，但是对于本工程这种低强度泥岩，钻孔爆破不是唯一的开挖方法。通过生产性试验证明，钻孔爆破不能用于本工程泥岩开挖，具有以下缺点：

（1）钻孔时间长，爆破成本大。

（2）环境、天气影响原因较多。如有地下水的情况下，因石渣吹不出来而产生卡钻现象；下雨时，无法进行施工。

（3）施工质量控制较为困难，特别是对爆破深度及边坡的光面质量难以可行控制。

（4）新疆火工材料管控严格，经办手续繁多、时间长。因爆破材料必须在工地设立临时炸药库，且必须设专人看管、专人运输，所以设库难，费用高。

（5）火工材料从采购、运输、入库、出库，现场转运、装药、连线、放炮，每一个环节都存在安全隐患，而且炸药、雷管作为易燃、易爆危险品，安全监督管理层次多。

图1单钩开挖图2斗齿改装后开挖3.2纯机械法。钻孔爆破法否决后，采用了机械松土器将泥岩松动后进行开挖，称纯机械法开挖。

（1）采用反铲改装破碎锤法试验。通过现场泥岩部位实际开挖，因泥岩粘性大，每冲击一次只能钻一个孔洞，起不到破碎泥岩的效果，且反铲不能顺利开挖装车，显然效果不理想，破碎锤发也被否决。

（2）采用反铲配置单钩松土法试验。将液压反铲改装的破碎锤更换为单钩松土器（也称"单钩裂土器"），泥岩部位每次将泥岩表层钩松厚30～50cm，且速度比较快，另配置一台液压反铲装车后，继续下层钩松，至设计开挖边线为止。对泥岩部位现场采取了这种方法开挖，同一作业面占用两台液压反铲（如图1），开挖施工效率不高，两台液压反铲泥岩每天平均开挖强度约1000m3，现场累计配置8台反铲，其中5台改装单钩松土器，全部完成泥岩开挖近6.8个月，无法满足工期要求，且作业面狭小部位，反铲无法同时发挥效益。但通过单钩松土器法试验表面，纯机械法开挖泥岩基本可行，但是投入大，效率不太理想。

（3）改装大功率液压反铲进行纯机械开挖。结合单钩松土器试验，液压反铲定制了专用斗齿，用于泥岩开挖，作业面配置了1台CAD320、2台PC360和1台PC400大功率液压反铲，将液压反铲斗齿全部改装为定制的斗齿，形状为尖窄、加长型，加长15cm；改装后的大功率液压反铲斗齿切入泥岩，相当于松土器的作用，且每台反铲以便开挖装车（如图2）。最终确定本工程引水渠道和厂房部位的泥岩开挖用于此纯机械法开挖。

4. 大功率液压反铲泥岩开挖成果分析比较

4.1质量控制方面。采用大功率纯机械法进行泥岩开挖，开挖边坡超欠挖质量容易控制，从本工程引水渠道和厂房部位的泥岩实践开挖可以看出：开挖平整度和超欠挖控制较好，保证基础面无欠挖的设计及规范要求，超挖部位均控制在10cm以内，有效的保证了回填混凝土工程量与设计工程量没有较大变化，且边坡很稳定（已成型的边坡效果见图3）。

图3已成型的边坡效果4.2进度控制方面。本工程泥岩开挖工程量共计约60万m3（引水渠道约40万m3，厂房约20万m3），采用了大功率液压反铲斗齿改装纯机械法开挖施工，自2012年2月15日开始开挖，至7月20日泥岩开挖全部完成，历时不足5.5个月，按合同工期提前开挖完成；每台液压反铲每天平均开挖强度约1250m3，较单钩松土法投入反铲少，开挖工期缩短。

4.3安全方面。纯机械法开挖除了机械设备存在一定的安全隐患以外，不存在其他的安全隐患，施工管理压力小。若采用钻爆法泥岩开挖时存在各种安全隐患，首先是炸药、雷管等火工材料的运输存在安全隐患，火工材料保管需要建设炸药库，炸药库是工程中最重要的危险源；其次是爆破区装药、连线以及处理哑炮等都存在安全隐患，给施工过程增加不确定的因素。

4.4成本控制。

（1）采用钻爆发进行泥岩开挖，爆破单耗0.3Kg/m3，综合计算人工、设备、火工材料等因素对爆破单价分析，不计自卸车运输费用，泥岩开挖单价为15元/m3，泥岩开挖总成本为：60万m3×15元/m3=900万元。

（2）采用大功率液压反铲纯机械法开挖，新疆市场大功率反铲租赁费约15万元/月，租赁费共计：4台反铲×15万元/月×5.5个月=330万元；开挖期间共用10套斗齿，每套斗齿为3500元，共计3.5万元；不计自卸车运输费用，泥岩开挖成本为：333.5万元÷60 万m3=5.56元/m3，每方泥岩开挖费用降低9.44元，节约成本为：9.44元/m3×60万m3=566.4万元，还有多投入反铲入的租赁费节支。

（3）新疆地区火工材料管控审批很严格，手续繁琐，在施工现场建临时炸药房审批时间一般在2个月左右，监管各部门手续多；炸药库需要严格的安保措施，保安人员24h值班，摄像监控系统24h监控等，建立一座临时炸药房最少需要花费30万元。保安、库管及押运等人员工资费用也不少支出。不采用钻爆发进行泥岩开挖，减少这笔费用的支出。

5. 结论

通过新疆开都河小山口二级水电站工程泥岩采用大功率液压反铲斗齿改装纯机械法进行开挖施工，对工程质量、进度、安全和成本等控制有明显的优势。在类似泥岩地质区域可供借鉴，愿同行指导，进一步提升技术含量，收获效益。