提高冻土挖探效率的研究和实践

吕凤锁

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300251)

在地质勘探过程中，特别是在城市地下管线复杂的情况下，应先进行场地周边环境的调查和探测，再联系管线产权单位进行现场确认，在确保挖探孔下方无管线后，方可开展钻探工作[1-5]。在开展挖探工作时，应首选人工挖探，以免造成地下管线的破坏。目前，很多城市市政管理部门不允许对路面进行大面积开挖，只允许采用点探查的方式，探洞直径一般不能太大(一般情况下不允许超过20 cm)。

北方冬季气温可达-20 ℃，季节性冻土厚度及硬度较大，人工挖探效率很低，容易造成钻探设备处于长时间等待状态，无法满足工期要求。因此，提高冻土挖探效率显得尤为重要。

1 冻土挖探的研究现状

目前，已有部分学者对提高季节性冻土挖探效率开展研究工作，如姚必全等[6]对冻土边坡开挖方法进行研究，认为冻土开挖只能通过大型机械或爆破方式提高施工进度和效率。杨春艳[7]对桩周冻土的融化方法进行研究，认为可以通过红外线加热炉和液化气罐加热融化冻土。孙剑涛等[8]认为冻土开挖可以采用人工、机械、爆破开挖相结合的方法，使用锯末做燃料融化冻土，其效率约为30 cm/24 h。唐克昌[9]采用远红外线辐射箱的热辐射进行冻土融化。这些研究方法[6-14]在现场适用性方面还存在缺陷：如焖火烘烤法会对周边环境造成污染且容易发生火灾；电热法对电源要求严格，易造成触电事故；液化气罐法危险性较大，容易产生火灾和爆炸等。

2 常规挖探效率研究

2.1 直接挖探法

在某地铁勘察项目中，按照以往的季节性冻土挖探作业习惯，采用人工挖探，挖探深度为4 m(穿透的冻层约为2 m)，其统计数据见表1。

表1 探洞开挖作业效率统计

注：①挖组每组2人;②直接挖探。

从表1可以看出，因冻土硬度较大，人工挖探非常困难(挖探组每小时开挖冻层进尺为0.1～0.15 m)，不同岩土层作业效率不同，冻层挖探效率较低。

2.2 浓盐水侵泡法

某市区勘察项目中，采用先在探洞中倒入浓盐水浸泡，再进行人工挖探的方式。挖探深度为4 m(穿透的冻层厚度一般为1.6 m)，其统计数据见表2。

表2 探洞开挖作业效率统计

注：①挖组每组2人;②盐水侵泡。

从表2可以看出，开挖组每小时开挖冻层进尺为0.13～0.2 m，不同岩土层作业效率不同，浓盐水浸泡后，冻层挖探效率仍然较低。

3 影响挖探效率的因素

采用“头脑风暴”的形式，就影响冬季城区冻土层挖探效率的因素展开分析(如图1)。

图1 挖探效率低的原因分析

通过分析，寻找到8条影响因素(见表3)，对其进行对比分析，认为其中有2条为主要因素，分别是：

(1)冻土融化方法不当；

(2)孔壁支护方法不当。

表3 要因分析论证

4 改进挖探效率的措施

4.1 解决目标

针对冻土融化方法不当、孔壁支护方法不当等两个主要因素，制定了相应的对策(见表4)。

4.2 改进冻土融化方法

(1)制作冻土融化设备

表4 解决目标

对薄钢板进行加工，制作直径小于探孔2 cm的薄壁金属桶，高度为50～60 cm，桶壁设置透气小孔，桶底部先焊接一层钢丝网，钢丝网下部设置活动插销板，再将两根1 m长细钢筋的一端分别焊接在金属桶内壁，另一端再各接1 m长的细钢筋，接头处可以自由转动(见图2)。

图2 改进的融化设备示意(单位：m)

(2)备置优质热源

采购高热量、低硫、燃烧时不冒烟的无烟煤块，通过煤块燃烧效果对比，选择了山西无烟煤块。

(3)融化冻土操作

先将无烟煤块填入融化设备的金属桶中并点燃，待无烟煤块能够正常燃烧后，将金属桶放入冻土探洞中，5～10 min后，即可融化约20 cm厚的冻土。

4.3 改进洞壁支护方式

(1)套管

采用柔韧性、强度高的PE管材，直径大于套管直径、小于探洞直径，壁厚为5～8 mm。

(2)优化套管连接方式

对长PE管进行分节加工(切割成长约80 cm)，各节PE管两端分别打两个孔，通过钢丝连接(见图3)。

图3 塑料套管对接示意(单位：m)

(3)套管支护操作

待挖探穿透冻土层后，如下方存在砂土层，将长80 cm的PE管分别放进探洞中，各管节通过钢丝条连接。随着挖探深度的加大，塑料管持续跟进。

5 季节性冻土挖探效果分析

为了验证新装置的挖探效率，对某冻土区域的16孔挖探数据进行分析，其结果统计如表5。

从表5可以看出，挖探组每小时开挖冻层进尺约为0.56～0.82 m，其挖探效率较直接挖探提高了560%。

表5 探洞开挖作业效率统计

注：①挖组每组2人;②采用新热源。

6 结论

(1)新型融化装置采用煤作为热源融化冻土，具有热源持久、热量大、温度高、操作相对安全的优点。

(2)融化设备自带煤渣收集器，煤渣不易掉入探洞中，可提高作业效率。

(3)采用了改进的套管连接方式，增加了孔壁强度，便于地表挖探人员作业。

(4)挖探组开挖冻层进尺达到0.56～0.82 m/h，极大提高了季节性冻土挖探效率。