提高凍土挖探效率的研究和實(shí)踐

呂鳳鎖

(中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300251)

在地質(zhì)勘探過程中，特別是在城市地下管線復(fù)雜的情況下，應(yīng)先進(jìn)行場地周邊環(huán)境的調(diào)查和探測，再聯(lián)系管線產(chǎn)權(quán)單位進(jìn)行現(xiàn)場確認(rèn)，在確保挖探孔下方無管線后，方可開展鉆探工作[1-5]。在開展挖探工作時(shí)，應(yīng)首選人工挖探，以免造成地下管線的破壞。目前，很多城市市政管理部門不允許對(duì)路面進(jìn)行大面積開挖，只允許采用點(diǎn)探查的方式，探洞直徑一般不能太大(一般情況下不允許超過20 cm)。

北方冬季氣溫可達(dá)-20 ℃，季節(jié)性凍土厚度及硬度較大，人工挖探效率很低，容易造成鉆探設(shè)備處于長時(shí)間等待狀態(tài)，無法滿足工期要求。因此，提高凍土挖探效率顯得尤為重要。

1 凍土挖探的研究現(xiàn)狀

目前，已有部分學(xué)者對(duì)提高季節(jié)性凍土挖探效率開展研究工作，如姚必全等[6]對(duì)凍土邊坡開挖方法進(jìn)行研究，認(rèn)為凍土開挖只能通過大型機(jī)械或爆破方式提高施工進(jìn)度和效率。楊春艷[7]對(duì)樁周凍土的融化方法進(jìn)行研究，認(rèn)為可以通過紅外線加熱爐和液化氣罐加熱融化凍土。孫劍濤等[8]認(rèn)為凍土開挖可以采用人工、機(jī)械、爆破開挖相結(jié)合的方法，使用鋸末做燃料融化凍土，其效率約為30 cm/24 h。唐克昌[9]采用遠(yuǎn)紅外線輻射箱的熱輻射進(jìn)行凍土融化。這些研究方法[6-14]在現(xiàn)場適用性方面還存在缺陷：如燜火烘烤法會(huì)對(duì)周邊環(huán)境造成污染且容易發(fā)生火災(zāi)；電熱法對(duì)電源要求嚴(yán)格，易造成觸電事故；液化氣罐法危險(xiǎn)性較大，容易產(chǎn)生火災(zāi)和爆炸等。

2 常規(guī)挖探效率研究

2.1 直接挖探法

在某地鐵勘察項(xiàng)目中，按照以往的季節(jié)性凍土挖探作業(yè)習(xí)慣，采用人工挖探，挖探深度為4 m(穿透的凍層約為2 m)，其統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表1。

表1 探洞開挖作業(yè)效率統(tǒng)計(jì)

注：①挖組每組2人;②直接挖探。

從表1可以看出，因凍土硬度較大，人工挖探非常困難(挖探組每小時(shí)開挖凍層進(jìn)尺為0.1～0.15 m)，不同巖土層作業(yè)效率不同，凍層挖探效率較低。

2.2 濃鹽水侵泡法

某市區(qū)勘察項(xiàng)目中，采用先在探洞中倒入濃鹽水浸泡，再進(jìn)行人工挖探的方式。挖探深度為4 m(穿透的凍層厚度一般為1.6 m)，其統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表2。

表2 探洞開挖作業(yè)效率統(tǒng)計(jì)

注：①挖組每組2人;②鹽水侵泡。

從表2可以看出，開挖組每小時(shí)開挖凍層進(jìn)尺為0.13～0.2 m，不同巖土層作業(yè)效率不同，濃鹽水浸泡后，凍層挖探效率仍然較低。

3 影響挖探效率的因素

采用“頭腦風(fēng)暴”的形式，就影響冬季城區(qū)凍土層挖探效率的因素展開分析(如圖1)。

圖1 挖探效率低的原因分析

通過分析，尋找到8條影響因素(見表3)，對(duì)其進(jìn)行對(duì)比分析，認(rèn)為其中有2條為主要因素，分別是：

(1)凍土融化方法不當(dāng)；

(2)孔壁支護(hù)方法不當(dāng)。

表3 要因分析論證

4 改進(jìn)挖探效率的措施

4.1 解決目標(biāo)

針對(duì)凍土融化方法不當(dāng)、孔壁支護(hù)方法不當(dāng)?shù)葍蓚€(gè)主要因素，制定了相應(yīng)的對(duì)策(見表4)。

4.2 改進(jìn)凍土融化方法

(1)制作凍土融化設(shè)備

表4 解決目標(biāo)

對(duì)薄鋼板進(jìn)行加工，制作直徑小于探孔2 cm的薄壁金屬桶，高度為50～60 cm，桶壁設(shè)置透氣小孔，桶底部先焊接一層鋼絲網(wǎng)，鋼絲網(wǎng)下部設(shè)置活動(dòng)插銷板，再將兩根1 m長細(xì)鋼筋的一端分別焊接在金屬桶內(nèi)壁，另一端再各接1 m長的細(xì)鋼筋，接頭處可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)(見圖2)。

圖2 改進(jìn)的融化設(shè)備示意(單位：m)

(2)備置優(yōu)質(zhì)熱源

采購高熱量、低硫、燃燒時(shí)不冒煙的無煙煤塊，通過煤塊燃燒效果對(duì)比，選擇了山西無煙煤塊。

(3)融化凍土操作

先將無煙煤塊填入融化設(shè)備的金屬桶中并點(diǎn)燃，待無煙煤塊能夠正常燃燒后，將金屬桶放入凍土探洞中，5～10 min后，即可融化約20 cm厚的凍土。

4.3 改進(jìn)洞壁支護(hù)方式

(1)套管

采用柔韌性、強(qiáng)度高的PE管材，直徑大于套管直徑、小于探洞直徑，壁厚為5～8 mm。

(2)優(yōu)化套管連接方式

對(duì)長PE管進(jìn)行分節(jié)加工(切割成長約80 cm)，各節(jié)PE管兩端分別打兩個(gè)孔，通過鋼絲連接(見圖3)。

圖3 塑料套管對(duì)接示意(單位：m)

(3)套管支護(hù)操作

待挖探穿透凍土層后，如下方存在砂土層，將長80 cm的PE管分別放進(jìn)探洞中，各管節(jié)通過鋼絲條連接。隨著挖探深度的加大，塑料管持續(xù)跟進(jìn)。

5 季節(jié)性凍土挖探效果分析

為了驗(yàn)證新裝置的挖探效率，對(duì)某凍土區(qū)域的16孔挖探數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表5。

從表5可以看出，挖探組每小時(shí)開挖凍層進(jìn)尺約為0.56～0.82 m，其挖探效率較直接挖探提高了560%。

表5 探洞開挖作業(yè)效率統(tǒng)計(jì)

注：①挖組每組2人;②采用新熱源。

6 結(jié)論

(1)新型融化裝置采用煤作為熱源融化凍土，具有熱源持久、熱量大、溫度高、操作相對(duì)安全的優(yōu)點(diǎn)。

(2)融化設(shè)備自帶煤渣收集器，煤渣不易掉入探洞中，可提高作業(yè)效率。

(3)采用了改進(jìn)的套管連接方式，增加了孔壁強(qiáng)度，便于地表挖探人員作業(yè)。

(4)挖探組開挖凍層進(jìn)尺達(dá)到0.56～0.82 m/h，極大提高了季節(jié)性凍土挖探效率。