论高速公路工程红砂岩路基的开挖技术

娄方德

摘要 某高速公路施工区域土石方主要为红砂岩，开挖规模较大，施工时为有效降低对周边自然环境的影响，决定利用路堑挖方进行路基回填施工，其经济效益显著。文章根据红砂岩的基本特征并结合某高速公路实际施工案例，对高速公路工程中红砂岩路基开挖技术进行了全方位研究，并对其质量、安全、进度以及造价等方面的综合比选，确定了最佳施工方案，确保工程建设的顺利完成，为后续同类工程施工提供了参考和借鉴。

关键词 红砂岩开挖;新设备;新工艺

中图分类号 U416.1 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）10-0098-03

0 引言

项目地处湘中南，地表覆盖层为高、低液限粘土、粉土及砂砾，底下全部为红砂岩。由于红砂岩遇水崩解的特性，加之在湘中南降水比较丰富的地区施工，如何保证红砂岩开挖的施工进度及开挖后边坡的稳定性成为本项目一大难题。文章在参考以往高速公路红砂岩施工案例，结合该项目的实际情况，阐述了采用大型一体臂勾机开挖红砂岩路基的施工工艺及影响。

1 红砂岩的特性及其对施工的影响

红砂岩也被称作红岩，广泛分布于我国南部地区，主要存在于泥岩、含泥质砂岩以及页岩等沉积岩体内。红砂岩由于内部存在较多的铁氧化物，因此呈现颜色为红、深红或褐色。其主要构造形态为粒状破碎结构及泥状胶凝结构，由于胶结物质及风化程度的不同，其实际强度存在较大差异。大部分红砂岩长期暴露在空气中会出现膨胀裂解现象，最终形成泥质状态，其颗粒尺寸和颗粒级配会因暴露时间的延长而不断改变，物理性能也随之发生变化。

1.1 红砂岩分类

红砂岩根据强度及裂解形式可分成下列三种形式：

（1）一类红砂岩岩体天然单轴抗压强度不超过15 MPa，经105 ℃高温处理并在水中浸泡24 h，逐步裂解碎化成渣状和泥状。

（2）二类红砂岩岩体天然单轴抗压强度不超过15 MPa，部分稍高于15 MPa，经105 ℃高温处理并在水中浸泡24 h，逐步裂解碎化成块状。

（3）三类红砂岩岩体天然单轴抗压强度达到15 MPa，部分高于15 MPa，经105 ℃高温处理并在水中浸泡24 h，逐步裂解成较大块状。

1.2 红砂岩的结构特征和矿物成分

结合该高速公路施工地段岩石试样的检测结论，红砂岩构造形态具体分为粒状碎屑结构和泥状结构两类，而根据岩相学类别，又可将其进一步划分为碎屑岩类和粘土巖类，前者主要由泥质砂岩、泥质粉砂岩、泥质细砂岩、粉砂岩、砂岩等组成;而后者则主要分为泥岩、页岩、砂质泥岩及砂质页岩等。在红砂岩内部的氧化物大部分呈侵染状态，其碎屑颗粒之间产生多种形式的胶结。但由于铁质在诸多岩体中是以游离形态存在，所以其主要决定岩体的外观颜色，对岩性并不会产生影响。结合最新道路土工试验标准，测得红砂岩化学成分及物理力学特性，见表1～3。

1.3 红砂岩的崩解特性及颗粒集配

泥状结构的粘土岩类红砂岩通常容易产生膨胀软化现象，在干燥和潮湿环境的长期反复作用下，砂岩逐渐呈现碎裂现象，最终形成泥状结构，在一定程度上导致颗粒级配发生改变。试验证明，在干湿循环作用的持续影响下，随裸露时间的逐渐增加，岩块逐步产生膨胀碎化，经过50～60天不断变化逐渐趋于稳定状态，不再出现膨胀碎化。粒状结构的红砂岩通常碎裂成粒径较小块状，碎裂后的小块岩体总体处于稳定形式或碎化极为缓慢，粒径低于0.5 mm的块体极少。

1.4 红砂岩的物理性质和状态指标

（1）红砂岩的物理性质和状态指标见表4～6。

（2）参照具体试验数据指标，根据最新《公路路基设计规范》判定标准，一类岩为弱膨胀岩。红砂岩各项力学指标如表7所示。

1.5 各种红砂岩击实试件抗剪强度及渗透性指标

经现场试验充分证明，红砂岩在充分压实后渗透性能极差，当压实度超过标准击实90%状态下的红砂岩，其抗渗性能较强，表面积水通常极难向下渗透，只对表层土体含水量产生影响，二类红砂岩在压实状态下抗渗能力明显高于粘土。针对水稳性能较低的一类红砂岩，在进行开挖时，应提前在开挖区域端部位置做好防排水处理，以避免地表较浅部位的红砂岩遇水软化，导致硬度变小，甚至出现膨胀开裂。

2 红砂岩路基开挖

2.1 施工工艺流程

红砂岩路基施工工艺流程见图1。

2.2 传统爆破开挖模式

贵州省在多条高速公路建设中都有红砂岩施工的成功经验。以往红砂岩的开挖多采用爆破的方式，随着国家对民爆器材的管控越来越严，关于民爆器材的申领、保管、清点及退回，手续繁杂，安全风险大，大大增加了项目的管理成本;钻孔施工时，带来的扬尘严重影响了项目的文明施工形象及对周边环境的破坏;爆破中必须精确控制炸药药量，偏少则需第二次钻孔和爆破，影响工期。偏多则加大了对边坡的扰动，也增加了红砂岩裂隙的发展，雨后地表水的下渗容易引起边坡的垮塌，增加了安全隐患，也增大了弃方量，不符合节约临时用地的原则。

2.3 大型一体臂勾机开挖

为积极响应“管理创新、降本增效”攻坚战的决策，优化调整资源要素配置方式，降低项目成本，充分发挥施工队伍在常规工程和常规设备方面的产能，与集团自有资源实现优势互补。项目对全线石方红砂岩爆破采用规模租赁施工模式，将红砂岩石方开挖施工任务的爆破工程改用大型机械（新型PC460、PC650一体臂钩机）直接勾松，并辅助以小松300型凿岩机解小后装车运至填筑现场进行填方施工。新型PC460一体臂钩机整机工作质量（kg）：46 000;额定功率（kW/rpm）：257/1 900;发动机型号：小松SAA6D125E-5。

结合红砂岩性质，开挖时必须根据现场具体情况配置机械设备，并选取合理的开挖方式，确保边坡施工的顺利实施。为确保刷坡质量，在实际施工中可提前制作专用靠尺（见图2），对刷坡质量进行检查。实践证明，采取简易坡度尺对坡度质量进行全程把控，效果显著。

2.4 方案对比

2.4.1 质量、安全、进度比较

根据设计图纸及地质情况和认真调查，项目全线为Ⅰ至Ⅲ类红砂岩。采用大型机械勾松，质量上较爆破挖方边坡扰动少、平整美观，减少亏坡现象，且可解小至最大直径1 m内，利于填方堆码法压实质量及效率控制;安全上，减少了雷管炸药管理及使用带来的重大风险;进度上，原传统爆破方式，遇到重大节假日，都会停止炸药供应，且有协调困扰，影响施工进度，PC460效率100～150方/h（中风化）、PC650效率80～100方/h（弱风化），机械勾松可增配数量，且机械施工可以24 h作业，进度可控。

2.4.2 经济比较

（1）价格的对比，节约成本（直接成本）：石方松动价格为6.02元/m3，装运价格为8.115元/m3，合价14.135元/m3（不含税），相较类似石方爆破挖运15元/m3（不含税），节约直接成本200万元。

（2）间接成本：采用传统的爆破模式，项目部还应承担炸药库建设费用及专人管理工作，费用预估不低于80万元，爆破资质使用费用不低于60万元，炮损带来的赔偿费用，不低于100万元，节约间接成本约200万元。

（3）税费节约：可开具13%的设备租赁费专用发票，进项税抵扣约100万元。

3 结论

结合施工现场红砂岩分层的地质情况，钩机能通过裂缝将自重破挖优势发挥，但面对整块微风化红砂岩破挖效果不明显，项目约有10余万m3该类石方通过松动爆破挖除。采用大型一体臂勾机开挖红砂岩路基，质量容易受控，施工过程安全性增强，能满足工期要求，综合经济效益显著。

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