一种新型的振动裂石机岩石开挖方法与传统非爆破岩石开挖方法对比研究

摘  要：本文结合振动裂石机的施工经验总结，与其他非爆破开挖施工的方法的对比，阐述了振动裂石机这种新的非爆破开挖施工方法的特点、优缺点及适用范围。为该该工艺的推广及应用提供参考，为非爆破开挖工程提供更多的选择。

关键词：非爆破;岩石开挖;裂石机;振动破碎

中图分类号：U416  文献标识码：A    文章编号：2096-6903（2021）08-0000-00

0前言

进入二十一世纪以来，随着国内外环境保护要求越来越高，旧城改造、各路网升级越来越多，非爆破开挖在在国内外的应用越来越广泛。国内在市政领域、环境保护区建设、运营结构物或建筑物附近等的岩石开挖均要求采取非爆破开挖方式;国外欧美地区、特别是中东地区爆炸物的使用极为严格，非爆破开挖的需求很大。

目前在国内外，非爆破岩石开挖施工常用的方法主要有破碎锤开挖方法、岩石劈裂机开挖方法、切割法、铣刨机法。近几年在国内兴起了一种新的非爆破岩石开挖施工方法，主要依靠强力振动裂石机，这里称为“振动裂石机法”，该设备主要依靠共振原理破碎岩石。下面我们对以上方法做依次介绍，并作对比分析。

1 常用非爆破岩石开挖施工方法

1.1液压破碎锤开挖方法

液压破碎锤最为破碎岩石工具，可以与挖掘机、挖掘装载机、轮式装载机、矿山碎石机等配套使用，土工程中主要与反铲挖掘机配合使用。其原理通过高频次短行程的打击破碎岩石。

其特点是：可以配合多种液压施工设备使用，灵活多变;适用于大多数施工环境;

缺点：施工效率相对较低，特别是对坚硬的弱风化岩石;噪音大扰民，在市政工程中的应用局限;能耗相对较高。

1.2岩石劈裂机开挖方法

液压劈裂机的结构主要由两个部分，一是分裂器，一是液压动力站。其中分裂器是液压劈裂机核心部分，分裂器有一个三个楔块组成的楔块组，中间的楔块上宽下窄，可以上下移动。液压动力站提供液压动力，推动中间楔块下行，将两侧支撑楔块撑开，支撑楔块作用在岩石孔内即可分裂开岩石。

施工时，首先采用钻孔设备或工具在岩石上钻孔，钻孔深度和间距根据岩石特性和岩石劈裂机的性能确定，或通过试验确定;然后把液压劈裂机的楔块组放进钻孔中，启动液压动力站，在中间楔块的作用下楔块组经向增加，撑破岩石。

劈裂机劈裂岩石过程如下图1。

在大面积开挖时，钻孔设备可以采用履带式潜孔钻机，施工速度快;劈裂机可以安装在反铲挖掘机上，既为劈裂机提供动力又具有行走能力，操作方便、工效高。布孔可以采取梅花布置，多台劈裂机按孔排布置，效率更高。

大小面积多点开挖时，可以采用反铲挖掘机配潜孔锤打孔，再用反铲挖掘机配劈裂机岩石，进行开挖。

其特点：原理上采取岩石劈裂，破坏的是岩石内部应力，工效高能耗小;劈裂机本身噪声小，有利于在市区施工;对大规模开挖和小规模可以分别采取适用的方案，应用面广。

缺点：虽然劈裂机本身噪声小，但相配合钻孔施工噪声污染很难避免;开挖完成后石块较大，运输成本相对高。

1.3切割法

切割法主要分为两种，一种是圆盘锯切割法，一种是绳锯切割法。

（1）圆盘锯切割法：顾名思义是采用圆盘锯沿轨道切割，首先将岩石在竖直方向上切成块状或条状，圆盘锯的直径一半不小于1m，切割深度40左右，否则工效较低。然后采用其他的辅助破碎方法将岩石破碎，如风镐、电镐、劈裂工具等。

特点：对周围建筑物、构筑物或地层的扰动小，适用于对周围扰动要求高的情况;噪声较小，适用于人口密集区;由于是靠磨损切割岩石，工效较低、成本较高。

缺点：工效较低、成本较高，不适用于大面积的岩石开挖。

（2）绳锯切割法：切割岩石的绳锯主要有合金绳锯、金刚石绳锯。首先在岩石上定位孔，采用导向轮固定绳锯链条路径，在动力驱动器的作用下切割，过程中采用加水措施降温。

特点：可以克服较大的岩石强度，适用于花岗岩等强度高岩石;切割面规则，适于采石的施工。

缺点：成本高、工效相对较低，不适于大面积的岩石开挖。

1.4铣刨机类开挖方法

有一种强力的开发法原理是在履带或滚筒上安装各种合金刀具或齿具，采用大动力将岩石切成碎屑;类似于TBM和双轮铣槽机的切削原理。市场上有用于平面开挖的铣刨机、采矿机;有开挖沟槽用的挖沟机。如图2、图3所示。铣刨机原本设计用于沥青路面的铣刨，采矿机主要用于煤矿的露天连续开采，加大机型后可用于部分岩石开采。

特点：可用于大面积的施工，工效较高。

缺点：成本极高，更换刀具齿具频繁;故障率高;不适用于30M以上的岩石，不适用于微风化或弱风化的岩石。

1.5化学材料膨胀开挖法和气体膨胀开挖法

这两种方法类似于爆破，但没有爆破时的危险，各国及地方政府对其施工限制较少，这里把这两种方法也归类为免爆破的开挖方法，也称静力爆破法。

目前化學材料膨胀法应用最广泛的是生石灰（即氧化钙）作为主要膨胀剂，并掺入一定量的物催化剂，催化剂可以加剧生石灰的膨胀速度。其施工过程与爆破类似，首先在岩石上钻孔，然后将膨胀剂装置加入孔内，所有布孔完成后，同时向膨胀剂装置内加水，此时会迅速产生化学反应使孔内体积膨胀，一般压力可达到30Mpa～50Mpa，在这个压力的作用下岩石破碎。

目前气体膨胀法应用最广泛是以二氧化碳气体爆破。施工方法也与传统爆破类似。主要原理是液态二氧化碳向气态转变的过程中体积膨胀，可高达600倍，在局限空间中形成20MPa～60MPa的压力，从而将岩石破碎。二氧化碳的相变通过化学加热的方法。

特點：沿用了传统爆破工艺的原理，减弱了爆破效果，减少了爆破不利影响。

缺点：化学材料膨胀开挖法需要在准备破裂的岩石上开出沟槽或按一定布局图形钻孔，然后将化学膨胀材料灌入沟槽或孔内，膨胀材料需要一定时间进行膨胀，这种方法裂石没有连续性，每个作业流程需要时间长、效率低，成本高;在岩石较发育的地层，膨胀力会被卸掉，无法发挥应用有的作用。气体膨胀开挖法成本很高，对周围的扰动较大。

2 振动裂石机法

在传统的爆破开挖中其优点是，用于大规模大面积的开挖，成本低。以上介绍的各种非爆破开挖的方法都无法实现或替代爆破开挖的应用场景。下面我们介绍一下振动裂石机岩石开挖法，在一定程度上可以替代爆破开挖。

振动裂石机岩石开挖法的核心设备是强力裂石机。强力裂石机是北京阳光五洲科技公司研发的设备，主要采用推土机作为前进动力，推土机后面设犁型装置。运行过程中类似于农业犁地，推土机提供动力带动犁，犁插入岩石（40cm左右），将岩石破碎翻起。工作时，操纵操作控制装置，使松土裂石驱动机构驱动犁体产生非垂直于地面运动，使得犁刀进行松土裂石。犁体带动犁刀工作不是垂直地面的运动，这样就减小了与地面的阻力，能耗低，工作效率高，实现了连续机械裂石施工，替代了传统爆破施工，裂石施工不产生环境污染、施工安全高效。

犁型结构的破碎岩石的主要原理是在强大的拉力同时高频振动，可调节至近似岩石共振的频率，达到快速开挖的目的。这种高频振动与破碎锤的振动不同。效果如图4、图5。

结构：

经试验及应用，该方法可以完成每小时可破裂岩石1000～3500m³，在50MPa以下的、弱风化以下岩石的产能较高。使用过程中配合装载机、挖掘机装车运输，效率极高，可以用于采矿。

应用：该工艺在国内外已有不少案例，如克拉玛依市金龙湖免爆破开挖工程、宜昌澜山一品场平工程、宜昌夷陵万达三期项目、宜昌点军至长阳龙舟坪公路项目、松滋临港工业园项目、委内瑞拉CANTV OPSUT项目、土库曼斯坦铁道部通讯项目等。

特点：适用于大面积岩石开挖施工，场地越大效率越高，在复杂地址地形使用适应性更强;推土机牵引力和推力更大，开挖速度快;推土使用转向灵活便捷，施工方便。高频振动共振原理充分利用岩石内部应力，大程度减小能耗，成本低。在复杂地址地形使用适应性更强。

缺点：不适于小面积小规模的开挖;该产品为阳光五洲的专利产品，该公司只做承包施工不出售设备，无法快速推广。

3 对比分析

就对于代替爆破开挖的大场景而言，传统的免爆破开挖方法与振动裂石机法对比如下表1：

从整体上看，在大规模、大面积岩石开挖场景中，振动裂石机法效果最好，成本最低，是代替爆破开挖的最佳方法。

4 结语

通过以上情况的对比，我们也认识到大规模免爆破岩石开挖无法比肩爆破开挖。新型振动裂石机的出现及应用很大程度上缩小了免爆破岩石开挖与爆破岩石开挖的差距。虽然由于专利保护和科技公司经营限制，导致了目前该项施工技术没有得到推广;但是随着市场需求的日益增大，该方法会得到推广，也会有更多的企业开发类似产品，从而推动免爆破岩石开挖施工工艺进步。

参考文献

[1]周立伟.一种强力松土裂石机：CN105019499A[P].2015.11.04.

[2]卫芷，刘晖.石方基坑入岩非爆破开挖施工方法：CN 107217674 A[P].2017.09.29.

收稿日期：2021-07-05

作者简介：王焕震（1987—），男，河北石家庄人，本科、中级工程师，研究方向：地下工程含隧道工程及基础工程。

Comparative Study on a new Type of rock Excavation Method with Vibratory rock Cracker and Traditional Non-blasting rock Excavation Method

WANG Huanzhen

（China Gezhouba Group Municipal Engineering Co.， Ltd.， Yichang Hubei  443002）

Abstract： Based on the summary of construction experience of vibrating rock cracker and comparison with other non-blasting excavation methods， this article expounds the characteristics， advantages and disadvantages and scope of application of the new non-blasting excavation method of vibrating rock cracker. It provides a reference for the promotion and application of the technology， and provides more choices for non-blasting excavation projects.

Keywords： Non-blasting; rock excavation; rock cracker; vibration crushing