金刚石绳锯法切挖路基石方边坡施工应用研究

张 伟

(广西桂通工程咨询有限公司，广西 南宁 530028)

0 引言

传统的路基石方路基边坡通常采取光面爆破法开挖和挖掘机相结合的作业方式，爆破后采用机械设备及时对险石和松石进行清理，保障边坡的安全稳定性。光面爆破法容易对客观存在的因素产生较大的影响，不但增加了施工周期和成本，而且还涉及到周边人民群众的生命和财产安全。采用新工艺金刚石绳锯法对路基石方边坡进行切挖施工作业，能够有效地避免对周边客观存在的事物产生影响。本文以巴马至平果坡造工程路基石方边坡工程为例，介绍了金刚石绳锯法切挖路基石方边坡的施工工艺和应用效果。

1 工程概况

巴马至平果坡造公路工程№4标为旧路改扩建项目，起于K68+000旧城镇，终于K92+254.5平果县坡造镇，与平果至武鸣二级路连接，路线主要沿省道(S208)布设。项目设计为双车道路基，路基宽度分别为8.5 m和10 m，行车道宽2×3.50 m，路基宽8.5 m的路肩宽2×0.75 m，路基宽10 m的路肩宽2×1.50 m。不设超高路段行车道，硬路肩的横坡为2%。主线路面结构形式为：15 cm未筛分碎石+15 cm级配碎石+20 cm水泥稳定碎石+1 cm沥青碎石下封层+透层+24 cm水泥混凝土。利用原有旧路面部分路面结构为：10 cm级配碎石调平层+20 cm水泥稳定碎石+1 cm沥青碎石下封层+透层+24 cm水泥混凝土。

该项目在里程桩号K89+420～K89+700段石方边坡石质坚硬，且距离坡造镇民房较近，现场无法采用传统的光面爆破法。先后尝试使用破碎锤直接破碎、膨胀炸药爆破、劈裂机劈裂等多种静态爆破施工方法，施工效果都不明显，施工成本也无法控制。而绳锯法施工工艺是一项较为成熟的施工工艺，广泛应用于矿山、板材、钢筋混凝土和墙砖等坚硬物质的切割拆除，而在公路工程路基石方边坡施工中还未有先例。为了确保石方边坡能够安全、快速顺利地进行切挖，并且做到不影响周边的民房设施，不产生爆破声响、爆破飞石和爆破振动，不影响周边居民的安全生活生产，项目率先在公路工程石质边坡施工中，采用先进的静力切挖工艺金刚石绳锯法对该石质边坡顺利进行切挖，有效地控制了施工成本。

2 金刚石绳锯法的工艺原理及其特性

2.1 金刚石绳锯法施工工艺原理

绳锯是人们在实际生产实践中，充分利用绳锯木断的原理设计出的一种对脆硬材料进行切割的锯。绳锯主要由绳锯驱动、飞轮、导向轮及绳锯链条组成，串珠对绳锯链条进行把控，一般规格型号为Φ7.2～Φ11.5。金刚石绳锯是以自然界中硬度最高的金刚石作为配方材质，将金刚石单晶作为研磨材料镶入到绳锯的串珠上，形成了具有切挖任何硬度材质的特性。金刚石绳锯法施工工艺原理主要是，在施工作业前，先对需要进行切除的路基石方边坡进行钻孔，将金刚石绳锯沿着钻好的孔洞穿出形成闭合圈。再通过电动驱动动力装置的绳锯机高速驱动下带动金刚石绳锯与所要切挖的路基石方边坡进行高速运动研磨切割。在路基石方边坡切挖过程中，可以进行远距离的控制操作。高速运转的金刚石绳锯需要靠水来冷却，并将研磨碎屑带走，形成了一个较为完整的静力切割面；然后再采用相关的机械设备对路基边坡石方分块体进行吊装运输，达到了对路基石方边坡切挖的目的。本项目所采用的金刚石串珠绳锯、绳锯机、绳锯机安装及切割作业情况如图1～4所示。

图1 金刚石串珠绳锯现场图

图2 金刚石串珠绳锯机现场图

图3 金刚石绳锯安装示意图

图4 切割作业示意图

2.2 金刚石绳锯法施工特性

在实际操作过程中，金刚石绳锯机具有安装方便，不受场地和空间的限制，使用灵活等特点，能够对所要切挖的路基石方进行横切割或者竖切割。根据动力的划分主要分为电动绳锯机和液压绳锯机。本文对巴马至平果坡造公路工程项目路基石方切挖所用的金刚石绳锯机施工特性进行了归纳总结，并跟传统的路基石方边坡施工工艺进行比较分析，主要特点比较如表1所示。

表1 传统施工方法与金刚石绳锯切挖法施工特性比较表

3 金刚石绳锯法切挖路基石方边坡施工的应用分析

3.1 路基石方边坡稳定性分析

路基边坡稳定性指的是边坡岩、土体在一定的坡高和坡脚条件下的稳定程度。通常情况下分为天然斜坡和人工边坡，而人工边坡又分为开挖边坡和堤坝边坡。按照边坡的稳定程度主要分为：稳定边坡、不稳定边坡和极限平衡状态边坡三种。巴马至平果坡造公路工程项目K89+420～K89+700段路基石方边坡属于人工开挖边坡，根据现场的实际地质条件，路基石方边坡岩体被地质断裂面所切割，地质断裂所形成的滑坡一般呈平面或者圆弧等规则形状。本文采用了曲折滑面边坡稳定性计算方式对石质边坡进行计算，将滑体分为若干条块，曲折滑坡边坡稳定性计算如图5所示。

图5 曲折滑坡边坡稳定性计算示意图

3.2 金刚石绳锯法工艺操作流程

巴马至平果坡造公路工程项目K89+420～K89+700段路基石方边坡金刚石绳锯法施工工艺主要流程如图6所示。

图6 金刚石绳锯法切挖石方边坡施工工艺流程图

3.3 金刚石绳锯法的操作要点

3.3.1 施工前准备

采用金刚石绳锯法切挖路基石方边坡施工时，要根据项目的实际情况做好施工前的准备工作，其中对于施工机具的准备如表2所示。

3.3.2 确定目标切挖面

根据施工图设计和现场的具体技术要求，确定石方边坡石块厚度、形状及设计边坡位置等，并结合实际吊装运输能力确定目标的切挖面。确定切挖面时，测量技术人员进行切割线的放样定位，结合边坡结构的稳定情况、施工安全及施工可行性等方面确定切挖的整体顺序，做到统筹安全，科学合理。主要考虑以下几个方面，确定切挖面如图7所示。

表2 主要施工机具设备表

(1)二次破碎所用设备能够破碎的最大厚度用d表示，d值应该是通过对该边坡局部突出、临空面大的石块进行破碎实验来确定。

(2)绳锯后的边坡表面平整而光滑，破碎设备将无法对其进行再次破碎，所以最后一个切割面应直接以设计边坡为切割面。

(3)石方边坡石质的厚度用D表示，目标切割面的数量和位置根据D和d来确定。

图7 确定切挖面示意图

3.3.3 钻孔、穿孔和闭合圈

根据路基石方边坡的具体情况，如果金刚石串珠绳无法按照既定的目标切割面平面围绕形成闭合圈的时候，需要对其进行钻孔。

(1)钻孔要根据测量放样所确定的切割平面布置。

(2)钻孔必须穿过整个石块，在石块的另一侧露出。

(3)根据切割面的大小，一个切割面只能钻一个孔，可以钻多个孔进行多次的切割。

(4)钻孔的孔径必须要比金刚石串珠绳直径大。

(5)根据路基石方边坡具体的情况采用不同的钻孔方式：当石方边坡较小，单个切割面周长小于90 m时，可以直接从边坡的一侧钻孔到另一侧(如图8所示)；当石方边坡较大，无法直接钻孔成侧时，需要每隔30 m采用膨胀炸药爆破出5 m宽的切割槽，将切割面分为多个工作面(如图9所示)。

接着，根据钻好的孔，采用金刚石串珠从高处的孔往低处的孔口穿。直至金刚石串珠绳能够沿着既定的切割面形成闭合圈。

图8 边坡较小时工作面示意图

图9 边坡较大时工作面示意图

3.3.4 金刚石绳锯机的安装

充分利用现有的场地作为金刚石绳锯机作业的平台，将绳锯机用M16化学锚栓固定安装，金刚石串珠要绕过绳锯机的主动轮和从动轮，轮的边缘与穿绳孔的中心对准，并且处于同一个平面。再对绳锯机进行调整，使得金刚石串珠绳能够绷紧，确保切割面能够进行有效的切割。切割过程中，要做好机座稳定性的检查，根据操作过程中的具体情况适时对轮子的偏向进行调整，始终让切割绳保持同一平面内。在金刚石绳锯机割锯作业过程中会产生大量的热量，需要在闭合圈范围内增设注水点，对绳锯进行冷却和降低灰尘。金刚石绳锯机有电动装置和液压装置，根据项目实际情况采取电动装置。

3.3.5 二次破碎挖除作业

路基石方边坡经过了金刚石绳锯机的切割作用后，硬质石体被分为了适当厚度的石块。可采用吊装设备对石块进行调运，再采取炮捶式挖掘机进行二次的破碎，直至将石块运输处理。项目施工情况如图10～11所示。

图10 施工前现场图

图11 施工后现场图

3.4 效益分析

巴马至平果坡造公路工程№4标为旧路改扩建项目。在K89+420～K89+700段路基石方边坡施工中，采用新工艺金刚石绳锯法取得了较好的经济效益和社会效益。该工艺施工综合成本比传统施工方法低(如表3所示)，有效地缓解了施工对镇上周边民房的影响，节约了施工成本，提高了施工效率，并且减少了对原有道路的交通干扰，对路堑边坡形成切割镜面，降低了边坡的防护成本。金刚石绳锯法切挖路基石方边坡施工工艺是在传统施工工艺难以满足施工要求的条件下产生的。相对于传统的施工工艺，该工艺是路基石质边坡切挖技术发展应用的一大飞跃。该工艺具有技术先进、综合经济效益突出等优势，主要体现如下：

(1)安装方便，施工简单，提高了公路工程路基边坡石方施工的机械化水平，减少了劳力资源。

(2)提高了工程效率，降低了工程成本，缩短了工程工期，能够确保结构整体安全，对周边的构筑物影响较小。

(3)符合低碳节能的环保要求，噪音低，粉尘气体污染小，具有标准化、精细化施工作业模式，具有现代化文明施工建设的优越性。

表3 传统施工方法与金刚石绳锯切挖法经济效益比较表

4 结语

综上所述，金刚石绳锯法切挖施工工艺成功应用于巴马至平果坡造公路工程路基石方边坡的施工，有效地促进了现场的施工安全和质量控制，确保了周边民房的安全和减少了对居民的干扰，提高了项目的经济效益、社会效益和环境效益。项目对该施工工艺进行总结，获得了建设单位的认可，也成为了优秀的企业级工法。该工法施工效率高、安全性突出，特别适用于硬度较大的石方及受限于特殊环境的施工现场，具有着较高的可靠性和实用性，是促进社会可持续发展的有效技术性措施，值得在类似工程项目推广应用。

[1]广西路建工程集团有限公司.绳锯法切挖石方边坡施工方法[Z].

[2]史钦华.金刚石绳锯在切割下穿框架桥工程中的应用[J].浙江建筑，2015(4)：33-36.

[3]邓宏伟.VOPEN-307H绳锯切割法在桥涵拆除中的应用[J].天津科技，2016，1(43)：26-29.

[4]李德荣.客运专线大跨悬臂连续梁临时支座的拆除技术[J].铁道建筑技术，2014(s1)：78-91.