泥质粉砂岩质石方挖除施工方法探讨

陈水平 廖婷

摘要：广西沿海部分地区地质构造特点表层为粉质黏土、下层为泥质粉砂岩，文章依托实际工程，研究该类型地质构造特点，对挖除泥质粉砂岩的几种施工方法进行对比，并分析泥质粉砂岩挖除施工成本费用，探讨适用于不同岩性的快速、经济的挖除施工工艺。

关键词：泥质粉砂岩；挖除施工；进度分析；成本分析

中图分类号：U615.5 A 06 015 3

0 引言

平陆运河工程是西部陆海新通道骨干工程，项目土石方开挖工程量巨大，项目所在地区存在大量泥质粉砂岩。结合地区地质构造特点，选择不同的施工工艺及机械配置，对石方挖除效率及施工成本有较大的影响。因此，有必要研究如何选择快速挖除泥质粉砂岩的施工工艺技术及施工机械配置，并分析该地区泥质粉砂岩挖除施工成本费用。

1 泥质粉砂岩基本物理力学性质及特性

1.1 泥质粉砂岩基本物理性质

泥质粉砂岩是由沙粒通过水的搬运作用，经千百年的沉积堆积，并经地质挤压等物理作用胶结而成的岩石。构成泥质粉砂岩结构颗粒比较细小，结构透水性能良好，构成主要为粉砂、黏土矿物及胶结物，其中粉砂含量约为70%～50%，黏土矿物及胶结物成分含量约50%～25%。泥质粉砂岩主要呈灰白色、红褐色、黄褐色等，粒状结构，页理构造或碎屑结构、块状层理。

1.2 泥质粉砂岩力学性质［1］

1.2.1 遇水崩解性

泥质粉砂岩在未经大气和水作用时具有相对较高的硬度和强度，但裸露在大气环境的干湿循环作用下极易发生崩解碎裂、颗粒软化或泥化，这导致其工程力学性能均迅速降低。从泥质粉砂岩组成成分来看，其崩解性在很大程度上归因于其内部黏土矿物的吸水膨胀、失水收缩性能。泥质粉砂岩崩解性强弱主要取决于岩石内黏土矿物含量和胶结物成分等内在因素。

1.2.2 崩解机理

岩石浸水后，水分子极易被吸引向岩石孔隙渗透，岩石内部主要发生膨胀和软化变化。因黏土矿物的比表面积大且亲水性极强，黏土矿物吸水引发岩石内部不均匀膨胀，使岩石颗粒崩解碎裂；胶结物吸水后会软化，岩石浸水后，岩石内部分胶结物被水软化、溶解，岩石因此失去颗粒间的联结而解体。当泥质粉砂岩经过大气反复的干湿循环，岩石颗粒经历反复的膨胀以及收缩，最终导致泥质粉砂岩岩石的崩解。

2 泥质粉砂岩岩性的判别

2.1 項目概况

所依托研究平陆运河项目某工段挖土石方约为80×104 m3，地质构造为剥蚀丘陵地貌，第四系全新统冲积层（Q4al）粉质黏土②，下伏基岩为侏罗系泥质粉砂岩（J）③④，地质条件符合研究要求，具备研究基础。

2.2 岩性判别

在施工前对施工作业面进行钻探。根据岩土的物理力学性质及工程特性，所依托研究场地岩土层自上而下分述如下［2］：

（1）素填土①：灰黄色、褐黄色，稍湿-湿，结构松散，主要成分为黏性土以及泥质粉砂岩、页岩的碎屑及碎块，泥质粉砂岩、页岩的碎屑及碎块含量约占40%～65%，具高压缩性。钻探揭露厚度为0.70～4.20 m。

（2）粉质黏土②：灰黄色、棕黄色，硬塑状，稍湿，土质均匀，切面稍光滑，干强度高，韧性中等，无摇振反应，冲击钻进。钻探揭露厚度为0.60～1.50 m。

（3）强风化泥质粉砂岩③：红褐色、灰白色、黄褐色，坚硬密实状，以泥质粉砂岩为主，夹薄层粉砂岩或粉砂质泥岩。原岩结构大部分破坏，节理裂隙发育，风化程度不均匀，局部地段夹中风化团块。冲击或干钻较难钻进，送水钻进时缓时快，岩芯多在回转过程中被机械破碎，岩芯呈碎块状、短柱状、粉末状，手掰岩芯易碎，锤击岩块声闷。钻探揭露厚度为2.10～7.20 m。

（4）中风化泥质粉砂岩④：红褐色、黄褐色，泥质结构，薄层状构造。以泥质粉砂岩为主，局部夹薄层粉砂岩质泥岩。岩体较完整，裂隙较发育，部分裂隙面有铁质渲染，岩芯多呈柱状，少量碎块状，岩质较坚硬，锤击岩块声脆。钻探揭露厚度为6.90～12.40 m。

石方施工前先将表土剥离，并将素填土①、粉质黏土②挖除，露出岩石基面。

挖除表面土后，再对各层岩石进行取样，进行单轴饱和抗压强度试验，一共钻取具有代表性的四个点进行取样，详见表1。

对于各层单轴饱和抗压强度试验见表2。

3 石方开挖施工方法及工艺

3.1 浅孔爆破施工工艺

3.1.1 爆破施工顺序

测量放线→布置炮孔→钻孔→装药→填塞→网路连接→网路检测→警戒→起爆→检查。

3.1.2 钻爆参数［4］

（1）最小抵抗线W根据该段的岩石构造及地质条件等情况，取1.5 m。

（2）炮孔直径D取45 mm。

（3）炮孔孔距a=25D=1.1 m。

（4）炮孔排拒b=0.8 m。

（5）炮孔深度L根据爆破方案、开挖深度、岩石坚硬度而定。

本设计的炮孔深度按式（1）计算：

L=H+ΔL（1）

式中：L——炮孔的深度（m）;

H——台阶高度，本方案取3 m;

ΔL——炮孔超深，取0.3 m；

（6）堵塞长度L≥1.5 m；

（7）炸药单耗k取 0.30 kg/m3；

（8）单孔装药量q=kabH=0.30×1.1×0.8×3=0.8 kg，每次最多起爆60个孔，共48 kg，每天分多次多点起爆，单次爆破药量＜50 kg。

3.1.3 装药

选用乳化炸药，为配合钻眼孔径，选32 mm药卷的乳化炸药，装药结构为连续装药，不装药部分全部采用炮泥密实堵塞，采用电子雷管并联组网起爆。

3.1.4 起爆网路

采用并联组网、每3个孔一组，逐组起爆、组间间隔60 ms的电子雷管起爆网路。每次最多起爆60个孔，共48 kg。

3.2 机械破凿施工工艺

该工艺主要采用破碎锤将岩石破碎使其松动，再辅以挖掘机清理挖除，破岩机械主要有液压破碎机破凿、液压高频破碎锤，液压高频破碎锤相较于液压破碎机破凿效率更高、功率更大；但液压破碎机的破碎头可更换为挖掘机挖斗，作为装载土石方的挖掘机使用。

4 各施工工艺施工资源投入

根据泥质粉砂岩的工程特性，本次研究石方开挖主要采用3种施工工艺进行开挖施工：液压破碎机破凿、液压高频破碎锤破凿、浅孔控制爆破。各施工工艺机械设备及人员投入及费用单件详见表4～5。

5 各类岩性地层开挖施工

对于各级岩层，场地内分区段采用液压破碎机破凿、液压高频破碎锤、浅孔爆破施工3种工艺进行施工，并选取有代表性区段6个工作日的正常施工作业时间进行施工记录。

6 各施工工艺投入成本分析

液压破碎机破凿、液压高频破碎锤施工主要成本为机械成本，成本费用相对固定，按6个正常工作日计算，液压破碎机破凿的施工成本为56 760元，液压高频破碎锤施工成本为102 360元；浅孔爆破施工相对固定的是机械人工成本及实际材料成本，固定成本部分为38 120元，爆破材料成本部分根据爆破方案装药量及布控平面位置测算约10.5元/m3。各施工工艺固定成本计算详见表6。

7 各施工工艺投入成本统计

研究期间对于各施工工艺相同工作时间工作量进行统计及单方施工成本详见表7。

8 各施工工艺施工效率及成本分析

基于研究数据，各施工工艺施工效率及成本分析情况如下：

（1）对于软岩地层，液压高频破碎锤破凿施工效率及施工成本最优，液压破碎机次之，浅孔爆破施工效率最差。

（2）对于较软岩岩层，液压高频破碎锤破凿施工效率及施工成本最优，浅孔爆破次之，液压破碎机施工效率最差。

（3）对于較硬岩岩层，浅孔爆破施工效率及施工成本最优，液压高频破碎锤破凿次之，液压破碎机施工效率最差。

（4）在使用相同的施工工艺及机械配置的情况下，岩石强度越低施工效率越高，施工成本越低。

（5）在本次研究机械组合情况下各种岩石等级，使用液压高频破碎锤的施工效率及施工成本均较液压破碎机有优势。

（6）使用浅孔爆破施工工艺，各岩石等级的施工成本差别不大，爆破成本主要在于爆破材料成本，约为施工成本的60%，不同硬度的岩石等级施工效率差别主要在于钻孔作业效率，岩石硬度越大，钻孔效率越低。

（7）当岩石等级低于软岩时，采用液压破碎机破凿及液压高频破碎锤破凿相较于浅孔爆破有较大的优势，当岩石等级低于较软岩的情况下液压高频破碎锤破凿较浅孔爆破具有较大优势，但当岩石等级达到较硬岩等级时，采用浅孔爆破有较大优势。

9 结语

在进行泥质粉砂岩石方开挖前，需认真研究地勘资料，必要时进行岩石抗压试验从而准确判断岩石类别，对于较软岩及以下类别岩石建议采用液压高频破碎锤破凿开挖石方工艺，当岩石等级达到较硬岩及以上等级时宜采用爆破法施工。

参考文献

［1］田巍巍.干湿循环下不同风化程度泥质粉砂岩崩解特性试验研究［J］.水资源与水工程学报，2018，29（6）：223-226.

［2］DBJ/T45-066-2018，广西壮族自治区岩土工程勘察规范［S］.

［3］JTG C20-2011，广西市政工程消耗量定额［S］.

［4］JTS 204-2008，水运工程爆破技术规范［S］.

收稿日期：2023-08-06