泥巖純機(jī)械法開挖施工探討

劉萬榮

【摘要】通過新疆開都河小山口二級水電站工程泥巖實(shí)踐開挖，對當(dāng)?shù)啬鄮r地質(zhì)物理特性進(jìn)行了研究，對其泥巖開挖進(jìn)行探討，嘗試了純機(jī)械法開挖施工，分別從質(zhì)量、進(jìn)度、安全和成本綜合分析，比價合理。為今后泥巖地質(zhì)層方面開挖提供參考、借鑒。

【關(guān)鍵詞】泥巖；開挖；探討

【Abstract】Through Xinjiang Kaidu pass two small hydropower engineering practice shale excavation of the local geology mudstone physical characteristics were studied to explore its shale excavation， tried Excavation of purely mechanical method， respectively， from the quality， schedule， safety and comprehensive analysis of costs and reasonable parity. Future shale geological layer to provide reference excavation reference.

【Key words】Mudstone；Excavation；Discussion

1. 工程概況介紹

（1）新疆開都河小山口二級水電站工程（簡稱"本工程"）位于巴音郭楞蒙古自治州開都河下游和靜縣境內(nèi)，電站引水渠道總長6096.0m，流量196.5m3/s，渠道底坡i=1/5000，裝機(jī)容量49.5MW，保證出力11.42MW，多年平均有效發(fā)電量2.16億KW·h。

（2）工程區(qū)地貌呈典型的河谷地貌特征，現(xiàn)代河谷寬1000m～1300m，河漫灘發(fā)育，開都河左岸發(fā)育Ⅱ～Ⅶ級階地。本工程處在開都河的左岸灘地及Ⅲ階地上，地層為第四系上更新統(tǒng)沖、洪積層（Q3al+pl）和第三系中新統(tǒng)（N1t）地層，主要巖性為（砂質(zhì)）泥巖、砂巖及泥質(zhì)粉砂巖等，局部夾砂礫巖透鏡體，巖層產(chǎn)狀300°～310°NE∠7～10°。該地層巖時間短，成巖作用差，巖體強(qiáng)度較低，風(fēng)化界限不明顯。

2. 泥巖主要特性

（1）泥巖在新疆天山山脈和甘肅祁連山山脈一帶分布較廣，表面風(fēng)化一般很嚴(yán)重，強(qiáng)風(fēng)化層厚度多為5～8 m，弱風(fēng)化層厚度為6～10 m。一般工程中設(shè)計(jì)要求：應(yīng)將強(qiáng)風(fēng)化及卸荷帶的巖體開挖消除，達(dá)到弱風(fēng)化層基礎(chǔ)即可作為結(jié)構(gòu)物的建基面。

（2）在干燥狀態(tài)下比較堅(jiān)硬，抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度與石灰?guī)r、花崗巖相近，等級可達(dá)到4～5級；在空氣中外露時風(fēng)化很快，約2h以后表面就會很容易風(fēng)化、變得松散掉塊；遇水浸泡后表面短時間內(nèi)就會變軟（1～2h內(nèi)），甚至變成淤泥--這是泥巖最大的特點(diǎn)，由于泥巖透水性極差，在水位降低或水分完全散失時，會重新變得很堅(jiān)硬，也會因?yàn)樗稚⑹Фl(fā)生表面干縮裂縫，具有抗水性、抗風(fēng)化性能差，易軟化和崩解等特點(diǎn)。

3. 泥巖開挖法探討

3.1鉆爆法。目前對于石灰?guī)r、花崗巖來說，工程中鉆孔爆破是常見的唯一開挖方法，但是對于本工程這種低強(qiáng)度泥巖，鉆孔爆破不是唯一的開挖方法。通過生產(chǎn)性試驗(yàn)證明，鉆孔爆破不能用于本工程泥巖開挖，具有以下缺點(diǎn)：

（1）鉆孔時間長，爆破成本大。

（2）環(huán)境、天氣影響原因較多。如有地下水的情況下，因石渣吹不出來而產(chǎn)生卡鉆現(xiàn)象；下雨時，無法進(jìn)行施工。

（3）施工質(zhì)量控制較為困難，特別是對爆破深度及邊坡的光面質(zhì)量難以可行控制。

（4）新疆火工材料管控嚴(yán)格，經(jīng)辦手續(xù)繁多、時間長。因爆破材料必須在工地設(shè)立臨時炸藥庫，且必須設(shè)專人看管、專人運(yùn)輸，所以設(shè)庫難，費(fèi)用高。

（5）火工材料從采購、運(yùn)輸、入庫、出庫，現(xiàn)場轉(zhuǎn)運(yùn)、裝藥、連線、放炮，每一個環(huán)節(jié)都存在安全隱患，而且炸藥、雷管作為易燃、易爆危險品，安全監(jiān)督管理層次多。

圖1單鉤開挖圖2斗齒改裝后開挖3.2純機(jī)械法。鉆孔爆破法否決后，采用了機(jī)械松土器將泥巖松動后進(jìn)行開挖，稱純機(jī)械法開挖。

（1）采用反鏟改裝破碎錘法試驗(yàn)。通過現(xiàn)場泥巖部位實(shí)際開挖，因泥巖粘性大，每沖擊一次只能鉆一個孔洞，起不到破碎泥巖的效果，且反鏟不能順利開挖裝車，顯然效果不理想，破碎錘發(fā)也被否決。

（2）采用反鏟配置單鉤松土法試驗(yàn)。將液壓反鏟改裝的破碎錘更換為單鉤松土器（也稱"單鉤裂土器"），泥巖部位每次將泥巖表層鉤松厚30～50cm，且速度比較快，另配置一臺液壓反鏟裝車后，繼續(xù)下層鉤松，至設(shè)計(jì)開挖邊線為止。對泥巖部位現(xiàn)場采取了這種方法開挖，同一作業(yè)面占用兩臺液壓反鏟（如圖1），開挖施工效率不高，兩臺液壓反鏟泥巖每天平均開挖強(qiáng)度約1000m3，現(xiàn)場累計(jì)配置8臺反鏟，其中5臺改裝單鉤松土器，全部完成泥巖開挖近6.8個月，無法滿足工期要求，且作業(yè)面狹小部位，反鏟無法同時發(fā)揮效益。但通過單鉤松土器法試驗(yàn)表面，純機(jī)械法開挖泥巖基本可行，但是投入大，效率不太理想。

（3）改裝大功率液壓反鏟進(jìn)行純機(jī)械開挖。結(jié)合單鉤松土器試驗(yàn)，液壓反鏟定制了專用斗齒，用于泥巖開挖，作業(yè)面配置了1臺CAD320、2臺PC360和1臺PC400大功率液壓反鏟，將液壓反鏟斗齒全部改裝為定制的斗齒，形狀為尖窄、加長型，加長15cm；改裝后的大功率液壓反鏟斗齒切入泥巖，相當(dāng)于松土器的作用，且每臺反鏟以便開挖裝車（如圖2）。最終確定本工程引水渠道和廠房部位的泥巖開挖用于此純機(jī)械法開挖。

4. 大功率液壓反鏟泥巖開挖成果分析比較

4.1質(zhì)量控制方面。采用大功率純機(jī)械法進(jìn)行泥巖開挖，開挖邊坡超欠挖質(zhì)量容易控制，從本工程引水渠道和廠房部位的泥巖實(shí)踐開挖可以看出：開挖平整度和超欠挖控制較好，保證基礎(chǔ)面無欠挖的設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，超挖部位均控制在10cm以內(nèi)，有效的保證了回填混凝土工程量與設(shè)計(jì)工程量沒有較大變化，且邊坡很穩(wěn)定（已成型的邊坡效果見圖3）。

圖3已成型的邊坡效果4.2進(jìn)度控制方面。本工程泥巖開挖工程量共計(jì)約60萬m3（引水渠道約40萬m3，廠房約20萬m3），采用了大功率液壓反鏟斗齒改裝純機(jī)械法開挖施工，自2012年2月15日開始開挖，至7月20日泥巖開挖全部完成，歷時不足5.5個月，按合同工期提前開挖完成；每臺液壓反鏟每天平均開挖強(qiáng)度約1250m3，較單鉤松土法投入反鏟少，開挖工期縮短。

4.3安全方面。純機(jī)械法開挖除了機(jī)械設(shè)備存在一定的安全隱患以外，不存在其他的安全隱患，施工管理壓力小。若采用鉆爆法泥巖開挖時存在各種安全隱患，首先是炸藥、雷管等火工材料的運(yùn)輸存在安全隱患，火工材料保管需要建設(shè)炸藥庫，炸藥庫是工程中最重要的危險源；其次是爆破區(qū)裝藥、連線以及處理啞炮等都存在安全隱患，給施工過程增加不確定的因素。

4.4成本控制。

（1）采用鉆爆發(fā)進(jìn)行泥巖開挖，爆破單耗0.3Kg/m3，綜合計(jì)算人工、設(shè)備、火工材料等因素對爆破單價分析，不計(jì)自卸車運(yùn)輸費(fèi)用，泥巖開挖單價為15元/m3，泥巖開挖總成本為：60萬m3×15元/m3=900萬元。

（2）采用大功率液壓反鏟純機(jī)械法開挖，新疆市場大功率反鏟租賃費(fèi)約15萬元/月，租賃費(fèi)共計(jì)：4臺反鏟×15萬元/月×5.5個月=330萬元；開挖期間共用10套斗齒，每套斗齒為3500元，共計(jì)3.5萬元；不計(jì)自卸車運(yùn)輸費(fèi)用，泥巖開挖成本為：333.5萬元÷60 萬m3=5.56元/m3，每方泥巖開挖費(fèi)用降低9.44元，節(jié)約成本為：9.44元/m3×60萬m3=566.4萬元，還有多投入反鏟入的租賃費(fèi)節(jié)支。

（3）新疆地區(qū)火工材料管控審批很嚴(yán)格，手續(xù)繁瑣，在施工現(xiàn)場建臨時炸藥房審批時間一般在2個月左右，監(jiān)管各部門手續(xù)多；炸藥庫需要嚴(yán)格的安保措施，保安人員24h值班，攝像監(jiān)控系統(tǒng)24h監(jiān)控等，建立一座臨時炸藥房最少需要花費(fèi)30萬元。保安、庫管及押運(yùn)等人員工資費(fèi)用也不少支出。不采用鉆爆發(fā)進(jìn)行泥巖開挖，減少這筆費(fèi)用的支出。

5. 結(jié)論

通過新疆開都河小山口二級水電站工程泥巖采用大功率液壓反鏟斗齒改裝純機(jī)械法進(jìn)行開挖施工，對工程質(zhì)量、進(jìn)度、安全和成本等控制有明顯的優(yōu)勢。在類似泥巖地質(zhì)區(qū)域可供借鑒，愿同行指導(dǎo)，進(jìn)一步提升技術(shù)含量，收獲效益。