绳锯切割配合破碎锤在岩石开挖中的应用

2022-11-27莫大源闫志勇谢世班

广西水利水电 2022年4期

莫大源，闫志勇，谢世班

（广西建工集团海河水利建设有限责任公司，南宁 530000）

1 工程概况

贺州市金泰湖水生态综合治理工程位于贺州市中心城区，黄田镇排洪河上游的分支上，生态新城核心区中部，金泰湖总占地面积为0.35 km2。工程建设内容：新建金泰湖一座、金泰湖护岸、整治育才河、新建育才河护岸、新建育才河液压升降坝一座。工程区出露地层变化较大，主要有泥盆系（D）、石炭系下统（C1）、下侏罗统（J1）、下第三系（E）和第四系（Q4），主要为砂岩、灰岩、白云岩和花岗岩。工程施工重点、难点为石方开挖，石方开挖量达70 多万m3，平均开挖深度3.7 m。石方开挖区附近有加油站、居民区、城市主干道，附近建筑物距离石方开挖区最近处不到30 m。根据城市管理要求，该区域为禁爆区。因此，石方开挖只能采用静态爆破或机械破碎开挖。

2 石方开挖方案选择

传统的禁爆区石方开挖方法有机械破碎法、劈裂机开挖法、膨胀剂静态爆破法等。机械破碎法效率低，成本高（90～150元/m3）[1]，噪音大，容易扰民。劈裂机开挖法钻孔机械投入多，劈裂机开挖分层厚度小于0.8 m，需要大量的钻孔设备，湖底开挖高程、平整度均难以控制，前期采用了劈裂机开挖法，工效低（200 m3/ d）、成本高，严重影响了工程施工进度。膨胀剂静态爆破法主要是需钻孔多，每平方米大约需要钻孔25 个左右[2]，效率较低，爆破周期长，污染较大，成本高。结合地质勘测资料和现场实际开挖情况，考虑岩石的整体性、岩石硬度较高、地下水及熔岩渗透水等因素，通过比较分析，采用绳锯切割机结合破碎锤开挖岩石的施工方法。绳锯切割是先把岩体切割成一块块大岩石，然后再用破碎锤进行破碎分解，岩体经切割后，破碎锤破碎分解难度大大减少，大大提高了开挖效率，且噪音也明显降低，开挖成本也相应降低；该方法避免了爆破对周边建筑、油库、车辆及行人安全的影响，施工过程安全可靠，开挖基础面平整，且适用于大部分岩石地质条件。

3 绳锯切割机的施工原理和特点

（1）绳锯切割机的施工原理。施工原理是先进行水平孔和垂直孔的钻孔（水平钻机和手风钻钻孔），再用金刚石绳索穿过钻好的水平孔和垂直孔，然后把金刚石绳索连接绳锯切割机，金刚石绳在马达驱动下绕切割面高速研磨切割体，最后完成切割作业。金刚石绳索穿过两个水平孔时切割的是水平面，穿过一个水平孔和一个垂直孔时切割的是垂直平面。切割出大块岩体后，采用的液压破碎锤进行岩块破碎，破碎成适当的小块后即可进行装运，完成开挖运输作业。

（2）绳锯切割机的特点。绳锯切割机体积小，造价低，操作简便，对操作技术要求不高，移动方便，可同时布置多个工作面，工期有保证；绳锯切割可设计四方体、长方体、三角体等多个形体，方便多种结构面的开挖。绳锯切割机是使用金刚石单晶做为研磨串珠头，可以对岩石等坚硬物体进行切割，污染少。切割是在液压马达驱动下进行，通过油管（高压）控制，运行稳定，可以远距离操作，连续作业。切割操作安全、噪音和震动小。

4 施工资源配置

（1）机械设备配置。一般一个工作面布置2台水平钻孔机、1 台YT28 手风钻（钻垂直孔）、1 台DWS-55AX-6PG 绳锯机（切割石块）、1 台卡特365型液压破碎锤（石块破碎）、1台1 m3挖掘机（配合破碎锤石方破碎）及1台6 m3空压机（供手风钻用风）。

（2）人员配置。根据施工设备配置人员，一个工作面配置现场管理人员1人，机械操作人2人，切割工4人，钻工3人，测量工2人（可与其他工区配合使用），其他协助配合工种4人。

5 绳锯切割施工方法

5.1 施工工艺流程

施工工艺流程图见图1

5.2 施工方法

（1）测量放线。①利用经复测的控制网点，实施开挖范围内的施工放样。首先，加密控制网点，测放施工控制基准点；②开挖工程施工放样使用经检定合格的全站仪，直接由等级控制点或由加密点进行放样；③施工过程中，要经常测量基础轮廓点及散点，检查开挖部位的超欠挖情况并以实地标出。边坡放样，除放出起钻位置外，还应放出钻孔的平面方向及钻孔的角度、深度。

（2）切割块体划分。测量放线确定开挖区域后，再将开挖区域进行分块，最后根据地形地貌进行开挖顺序设计，若该工作面岩石侧面有两个临空面，则直接采用正方形底面进行切割；若在该开挖工作面区域内侧面只有一个临空面，则先采用三角形底面在中间掘进，给两边岩石制造两个侧面临空面，下一块体再采用正方形底面按阶梯式顺序进行设计开挖。

（3）水平孔钻孔。块体划分完成后，用测量仪器放样出钻孔中心线及开孔高程。由于钻机钻杆（孔径Φ75 mm）与底座不在同一平面上，为了水平钻孔中心线能与设计开挖面同一平面上，钻孔机具底板安装高程必须比设计开挖面低一定的距离，该距离为多少，根据具体钻孔机具底板与钻杆中心距来定。在水平钻孔机安装前，在水平钻孔机安装位置用破碎锤开凿一定深度的条形槽以安放水平钻孔机。水平钻孔机要安装牢固，并对其进行安全防护检查后即可钻孔。钻水平孔时，钻进速度先慢后快，然后保持匀速。每进尺1 m，使用测量仪器监控纠偏，以确保水平孔能按预期位置钻进并顺利和垂直孔贯通。在钻孔过程中控制水平孔的进尺深度，以确定切割体的长度及宽度，水平度偏差控制在±3 cm以内。第一个水平孔钻完后，用同样的方法再在另一侧同一水平面上钻另一个水平孔与第一个水平孔连接。正常情况下，水平钻孔孔深为12～15 m，水平钻孔机钻孔速度为5 m/h。

（4）垂直切割面钻垂直孔。水平钻孔完成后，将水平硬质管放入已造好的水平孔内，孔外露出一定长度。在岩石顶用两根硬质杆件拉线吊铅坨确定垂直钻孔位置。然后使用手风钻（孔径Φ38 mm）钻垂直孔。钻垂直孔时，钻进速度先慢后快，然后保持匀速。控制垂直孔的垂直度与孔深以确保垂直孔钻至预期位置。每进尺1 m，利用激光仪、水平管等测量仪器监控纠偏，垂直度偏差控制在±3 cm。其开孔钻进深度用硬质杆件刻度检查。最后从底部两个水平孔查看是否有气流流出，有则说明已与水平孔贯通。正常情况下，垂直钻孔速度为4 m/h。

（5）孔内穿接金刚石串珠绳。水平孔和垂直孔钻孔完成并贯通后，在硬质管一端固定上一段铁件，用硬质管带铁件一头从水平孔外伸向垂直孔底部，在垂直孔上用耐磨尼龙绳绑上一块强力磁铁往下放，磁铁吸住铁件后即可将水平硬质管（端头带铁件）带动尼龙绳拉出孔外，另一个水平孔也使用同样方法，然后用两条已穿孔的尼龙绳绑住金刚石串珠绳两端分别拉向两个水平孔穿过孔内，在孔外采用金刚石串珠绳连接器进行连接。垂直面切割孔内穿接金刚石串珠绳方法与水平面切割孔内穿接金刚石串珠绳相同。

（6）安装绳锯机。切割机导轨水平架设，并垫平稳固。导向轮一定要安装稳固，且保证轮和水平孔在同一高程，严格按精度要求安装，以确保切割面的精准度，避免超欠挖，保证切割效率。

（7）金刚石串珠绳与绳锯机连接。根据已设计划分块体形状，将金刚石绳索按顺序绕在主动轮及辅助轮上，绳子的方向和主动轮驱动方向相同。采用金刚石绳锯专用液压钳，将钢质活接接头扣压紧，接头和相邻的串珠要无缝隙。

（8）开机切割。先切割水平底面，固定导轨，然后将主机安放至导轨上，确认金刚绳活接好后，接通电源即可切割。启动控制盘调整主动轮使金刚石绳适当绷紧，启动切割机，驱动主动轮带动金刚石绳索切割。切割时采用冷却水冷却。切割过程中要注意观察切割机及导轨的稳定情况，如导向轮偏移时，要及时调整，以确保金刚石绳索在同一平面内。金刚石绳锯主机通过导轨后退进行切割，循环后退，每次进尺6 m 后又重新接绳锯。金刚石绳锯机将水平底面切割好后，再切割垂直立面。切割垂直立面时可先切割一面，待半小时后，加入另一台绳锯机设备，即可同时切割相邻两个垂直面，切割速度8～10 m2/h。

（9）破碎锤破碎。由绳锯切割机切割岩石完成后，即可用破碎锤配合液压反铲挖掘机进行破碎开挖，根据开挖面积进行配置破碎锤，一般为1 台CAT365 液压破碎锤配合1 台1 m3斗容的液压反铲挖掘机。破碎锤碎岩石后，由液压反铲挖掘机进行清理出工作面，以增加破碎锤开挖效率。正常情况下破碎锤破碎效率为350 m3/d。