裂土器犁挖软岩施工技术研究

(浙江省第一水电建设集团股份有限公司，浙江 杭州　310052)

1　工程概况

钱塘江中上游衢江(衢州段)航道开发工程安仁铺枢纽及船闸工程位于钱塘江中上游衢江段，是衢江干流六级开发中的第二级枢纽。工程以航运、发电为主，结合改善衢江区沿江两岸水环境，兼顾农田灌溉等综合开发，主要建设内容包括船闸、左河道泄洪闸、江心洲交通桥(坝顶门机轨道桥)、金属结构安装及施工临时工程。

1.1　工程结构

船闸结构及水深满足1000t级船舶通航要求，闸室平面尺寸为240m×23m，上闸首平面尺度为36m×42m，下闸首平面尺度为29m×42m，左河道泄洪闸共18孔×14m(净宽), 闸底板尺寸为297.50m(总宽)×17m，消力池段顺水流向总长为41m。结构基底总面积2.55万m2。

1.2　工程地质条件

河床表层为粉细砂、卵砾石层，透水性强，层厚5～8m。第二层为中风化砂质粉砂岩及强风化泥质粉砂岩。第三层为中风化泥质粉砂岩，也是工程基础所处基岩，岩性较软，单轴饱和抗压强度小于30MPa，薄层～中厚层状构造，泥质结构，软化系数0.14～0.28，岩面暴露在空气中短时间内会发生风化，岩石强度明显降低。

1.3　周围施工环境

工程周边分布着众多人口稠密的村镇、街道，工农业生产发达，多条高速公路、铁路从工程附近穿过，工程施工对周围环境的影响大。

2　基础石方开挖方法特点分析

2.1　钻爆法

工程建设中的岩石基础多采用钻爆法开挖，其工艺纯熟，生产效率高，但其爆破安全问题突出，对环境影响较大，爆破材料审批繁琐，保管严格，对工程建设的实施带来诸多不便，且开挖后的基岩面凹凸不平，开挖质量不易控制，适用于对周围环境影响小、开挖方量大、岩石坚硬的石方开挖。

2.2　钻镐开挖法

液压镐头机和风镐开挖基岩，具有施工影响小、设备通用性好、容易组织的优点，但效率低、成本高，适用于小型开挖和边坡修整，不能满足大规模开挖的需要。

2.3　裂土器开挖法

裂土器开挖软岩基础的施工技术原理是利用液压系统的压力，将裂土器压入岩层，再利用大功率推土机的动力带动裂土器前行，从而将岩层裂解、破碎，使岩层松散可堆集、装卸，达到主体结构工程施工的条件。该技术对周边环境影响小，无爆破振动、飞石等安全隐患，无施工时间限制，便于在村镇人口稠密及工农业发达地区开展作业，同时生产效率高，可以满足大规模开挖施工作业要求。

3　基岩开挖选定

该工程水闸和船闸基础石方开挖方量约6万m3,开挖面积超过2.55万 m3，计划工期1个月，具有开挖面积大、开挖深度浅、工期紧等特点，结合该项目所处的地质条件和施工环境，基坑石方开挖方案如下：强风化层泥质粉砂岩采用推土机配单齿松土器开挖，中风化泥质粉砂岩采用镐头机配合推土机单齿松土器开挖，岩石边坡采用镐头机开挖修整。泥质粉砂岩开挖分层厚度控制在50cm左右，基岩开挖建基面保护层厚度控制在30～50cm。保护层采用液压镐头破碎岩石，人工配合清挖，以减少超挖量。

4　裂土器开挖岩石的工艺原理

该工法采用重型推土机配装裂土器犁挖方式。在石方开挖时，首先采用推土机液压系统将裂土器压入岩层中，调整裂土器角度。启动推土机利用设备自身的牵引力以犁地方式，实现岩石裂解破碎的目的。

5　施工工艺流程及操作

5.1　施工工艺流程

施工工艺流程如图1所示。

图1　工艺流程

5.2　操作要点

5.2.1基岩取样

根据设计施工图纸要求挖去土层、砂砾层至基岩面，用钻机取芯至设计高程，分析检测样本物理力学指标，确定岩石级别及强度、弱风化岩及开挖边坡。

5.2.2设备选型

根据检测得到的岩石抗压强度、抗拉强度、抗剪强度数值，确定岩石等级。选择相应功率的推土机、裂土器型号。

5.2.3试挖

试挖阶段主要确定：设备选型的合理性、分层开挖厚度、分段作业长度、裂土器开挖角度等技术参数。

5.2.4测量放样

根据建设单位提供的控制点、水准点，设立施工水准点及辅助施工基线，施工测量控制基准点应设置在不受干扰、牢固可靠且通视好、便于控制的地方。根据设计施工图进行放样，开挖过程中逐层控制开挖边线及高程，保护层开挖过程中，测量员跟班作业，防止超欠挖现象的发生。

5.2.5犁挖裂解岩石

在施工测量放样结束后开始石方开挖作业，松土器由大功率推土机拖带，利用液压系统将松土器压入岩层中，松土器视岩石的坚硬程度及开挖深度选用单齿或多齿裂土器。裂土器压入岩层后，大型推土机低档低速由一端向另一端推进破碎岩石。开挖作业分层厚度可视岩石硬度、机械功率通过试验对比进行综合确定，一般在0.50～1.50m之间，分段开挖长度宜为50～100m。岩石松解时在近基面预留50cm保护层。

5.2.6岩渣挖机装车外运

岩渣挖运在岩石松土松解后同步进行。先用推土机将石渣推集成堆，再用PC200以上型号反铲挖掘机挖装自卸汽车运至弃渣场。

5.2.7液压镐头机开挖保护层

建基面保护层预留厚度30～50cm，在上部岩体开挖完成后，预留保护层采用液压镐头机凿除。保护层开挖前应制订开挖路线，防止机械设备重复进出施工作业场地，造成建基面扰动。

6　设备的选型及效率

6.1　设备选型

裂土器由推土机牵引，推土机必须满足犁挖功率的要求。该工程岩石单轴饱和抗压强度小于30MPa，该项目经过试挖，采用455kW以上大功率推土机。裂土器由液压传动，并根据岩石硬度选择单齿或多齿裂土器施工。基坑岩石边坡修整及辅助破碎作业配备液压镐头机2台。

单齿裂土器如图2所示。三齿裂土器如图3所示。

图2　单齿裂土器

图3　三齿裂土器

6.2　开挖效率验算

根据试挖结果，推土机(配单齿松土器)，软岩及中软岩生产效率可达1000～1200m3/台班，则

P松=1000m3/台班×3台班×0.75(设备利用系数)

=2250m3/d

2250m3/d×2台=4500m3/d

可以满足月开挖6万m3石方开挖施工强度。

7　质量控制

7.1　岩石地基开挖基槽允许偏差、检验数量和检验方法

地基开挖控制参数见表1。

表1　地基开挖控制参数

7.2　施工操作中的质量控制

开挖施工中，严格控制开挖坡比、分层开挖厚度，按规定预留保护层；石方开挖边坡每次测量放样时，应对前次开挖进行超欠挖检查，发现欠挖及时处理；基础开挖过程，如有积水则根据现场情况和水量设置排水沟、积水坑，并用抽水机排除，保证建基面平整、干净；开挖边坡的上部，开挖截水沟，以防止雨水漫流冲刷边坡，施工路面、边坡脚以及各施工场地周边均挖设排水沟排水，对影响施工作业的渗漏水、地下水，开挖集水坑和排水沟槽，设置足够的排水设备，将水排走；基础开挖后表面因开挖震松(裂)的岩石、表面呈薄状和尖角的突出岩石及裂隙发育的岩石均用人工清理干净，开挖面要求平顺、连续，不出现明显的局部突起、尖角式台阶地段；基岩开挖至接近设计建基面，须及时由设计地质工程师进行基槽检验，确定建基面实际高程挖除预留的保护层后，迅速浇筑垫层混凝土进行覆盖保护。

8　效益分析

8.1　经济效益

经济效益分析见表2。

表2　每万方经济效益分析

8.2　社会效益

松土器裂解软岩开挖法比钻爆法开挖更为安全、经济，不会对周边产生震动、飞石等安全隐患，容易获得附近居民的支持，同时不产生冲击波，临近构筑物可同步施工，可以加快施工进度；可以连续作业，施工效率高，有效缩短工期；可有效控制超规范超欠挖现象的发生，开挖基面平整，易于清理，减少混凝土回填产生的成本。

9　结　语

软岩基础采用松土器裂解开挖，适用于大面积、高强度的软岩基础开挖，其对施工环境影响小，效率高，施工成本低，经济和社会效益明显，具有较好的推广价值。