論高速公路工程紅砂巖路基的開挖技術(shù)

婁方德

摘要 某高速公路施工區(qū)域土石方主要為紅砂巖，開挖規(guī)模較大，施工時為有效降低對周邊自然環(huán)境的影響，決定利用路塹挖方進(jìn)行路基回填施工，其經(jīng)濟(jì)效益顯著。文章根據(jù)紅砂巖的基本特征并結(jié)合某高速公路實際施工案例，對高速公路工程中紅砂巖路基開挖技術(shù)進(jìn)行了全方位研究，并對其質(zhì)量、安全、進(jìn)度以及造價等方面的綜合比選，確定了最佳施工方案，確保工程建設(shè)的順利完成，為后續(xù)同類工程施工提供了參考和借鑒。

關(guān)鍵詞 紅砂巖開挖;新設(shè)備;新工藝

中圖分類號 U416.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）10-0098-03

0 引言

項目地處湘中南，地表覆蓋層為高、低液限粘土、粉土及砂礫，底下全部為紅砂巖。由于紅砂巖遇水崩解的特性，加之在湘中南降水比較豐富的地區(qū)施工，如何保證紅砂巖開挖的施工進(jìn)度及開挖后邊坡的穩(wěn)定性成為本項目一大難題。文章在參考以往高速公路紅砂巖施工案例，結(jié)合該項目的實際情況，闡述了采用大型一體臂勾機(jī)開挖紅砂巖路基的施工工藝及影響。

1 紅砂巖的特性及其對施工的影響

紅砂巖也被稱作紅巖，廣泛分布于我國南部地區(qū)，主要存在于泥巖、含泥質(zhì)砂巖以及頁巖等沉積巖體內(nèi)。紅砂巖由于內(nèi)部存在較多的鐵氧化物，因此呈現(xiàn)顏色為紅、深紅或褐色。其主要構(gòu)造形態(tài)為粒狀破碎結(jié)構(gòu)及泥狀膠凝結(jié)構(gòu)，由于膠結(jié)物質(zhì)及風(fēng)化程度的不同，其實際強(qiáng)度存在較大差異。大部分紅砂巖長期暴露在空氣中會出現(xiàn)膨脹裂解現(xiàn)象，最終形成泥質(zhì)狀態(tài)，其顆粒尺寸和顆粒級配會因暴露時間的延長而不斷改變，物理性能也隨之發(fā)生變化。

1.1 紅砂巖分類

紅砂巖根據(jù)強(qiáng)度及裂解形式可分成下列三種形式：

（1）一類紅砂巖巖體天然單軸抗壓強(qiáng)度不超過15 MPa，經(jīng)105 ℃高溫處理并在水中浸泡24 h，逐步裂解碎化成渣狀和泥狀。

（2）二類紅砂巖巖體天然單軸抗壓強(qiáng)度不超過15 MPa，部分稍高于15 MPa，經(jīng)105 ℃高溫處理并在水中浸泡24 h，逐步裂解碎化成塊狀。

（3）三類紅砂巖巖體天然單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)到15 MPa，部分高于15 MPa，經(jīng)105 ℃高溫處理并在水中浸泡24 h，逐步裂解成較大塊狀。

1.2 紅砂巖的結(jié)構(gòu)特征和礦物成分

結(jié)合該高速公路施工地段巖石試樣的檢測結(jié)論，紅砂巖構(gòu)造形態(tài)具體分為粒狀碎屑結(jié)構(gòu)和泥狀結(jié)構(gòu)兩類，而根據(jù)巖相學(xué)類別，又可將其進(jìn)一步劃分為碎屑巖類和粘土巖類，前者主要由泥質(zhì)砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥質(zhì)細(xì)砂巖、粉砂巖、砂巖等組成;而后者則主要分為泥巖、頁巖、砂質(zhì)泥巖及砂質(zhì)頁巖等。在紅砂巖內(nèi)部的氧化物大部分呈侵染狀態(tài)，其碎屑顆粒之間產(chǎn)生多種形式的膠結(jié)。但由于鐵質(zhì)在諸多巖體中是以游離形態(tài)存在，所以其主要決定巖體的外觀顏色，對巖性并不會產(chǎn)生影響。結(jié)合最新道路土工試驗標(biāo)準(zhǔn)，測得紅砂巖化學(xué)成分及物理力學(xué)特性，見表1～3。

1.3 紅砂巖的崩解特性及顆粒集配

泥狀結(jié)構(gòu)的粘土巖類紅砂巖通常容易產(chǎn)生膨脹軟化現(xiàn)象，在干燥和潮濕環(huán)境的長期反復(fù)作用下，砂巖逐漸呈現(xiàn)碎裂現(xiàn)象，最終形成泥狀結(jié)構(gòu)，在一定程度上導(dǎo)致顆粒級配發(fā)生改變。試驗證明，在干濕循環(huán)作用的持續(xù)影響下，隨裸露時間的逐漸增加，巖塊逐步產(chǎn)生膨脹碎化，經(jīng)過50～60天不斷變化逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)，不再出現(xiàn)膨脹碎化。粒狀結(jié)構(gòu)的紅砂巖通常碎裂成粒徑較小塊狀，碎裂后的小塊巖體總體處于穩(wěn)定形式或碎化極為緩慢，粒徑低于0.5 mm的塊體極少。

1.4 紅砂巖的物理性質(zhì)和狀態(tài)指標(biāo)

（1）紅砂巖的物理性質(zhì)和狀態(tài)指標(biāo)見表4～6。

（2）參照具體試驗數(shù)據(jù)指標(biāo)，根據(jù)最新《公路路基設(shè)計規(guī)范》判定標(biāo)準(zhǔn)，一類巖為弱膨脹巖。紅砂巖各項力學(xué)指標(biāo)如表7所示。

1.5 各種紅砂巖擊實試件抗剪強(qiáng)度及滲透性指標(biāo)

經(jīng)現(xiàn)場試驗充分證明，紅砂巖在充分壓實后滲透性能極差，當(dāng)壓實度超過標(biāo)準(zhǔn)擊實90%狀態(tài)下的紅砂巖，其抗?jié)B性能較強(qiáng)，表面積水通常極難向下滲透，只對表層土體含水量產(chǎn)生影響，二類紅砂巖在壓實狀態(tài)下抗?jié)B能力明顯高于粘土。針對水穩(wěn)性能較低的一類紅砂巖，在進(jìn)行開挖時，應(yīng)提前在開挖區(qū)域端部位置做好防排水處理，以避免地表較淺部位的紅砂巖遇水軟化，導(dǎo)致硬度變小，甚至出現(xiàn)膨脹開裂。

2 紅砂巖路基開挖

2.1 施工工藝流程

紅砂巖路基施工工藝流程見圖1。

2.2 傳統(tǒng)爆破開挖模式

貴州省在多條高速公路建設(shè)中都有紅砂巖施工的成功經(jīng)驗。以往紅砂巖的開挖多采用爆破的方式，隨著國家對民爆器材的管控越來越嚴(yán)，關(guān)于民爆器材的申領(lǐng)、保管、清點(diǎn)及退回，手續(xù)繁雜，安全風(fēng)險大，大大增加了項目的管理成本;鉆孔施工時，帶來的揚(yáng)塵嚴(yán)重影響了項目的文明施工形象及對周邊環(huán)境的破壞;爆破中必須精確控制炸藥藥量，偏少則需第二次鉆孔和爆破，影響工期。偏多則加大了對邊坡的擾動，也增加了紅砂巖裂隙的發(fā)展，雨后地表水的下滲容易引起邊坡的垮塌，增加了安全隱患，也增大了棄方量，不符合節(jié)約臨時用地的原則。

2.3 大型一體臂勾機(jī)開挖

為積極響應(yīng)“管理創(chuàng)新、降本增效”攻堅戰(zhàn)的決策，優(yōu)化調(diào)整資源要素配置方式，降低項目成本，充分發(fā)揮施工隊伍在常規(guī)工程和常規(guī)設(shè)備方面的產(chǎn)能，與集團(tuán)自有資源實現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)。項目對全線石方紅砂巖爆破采用規(guī)模租賃施工模式，將紅砂巖石方開挖施工任務(wù)的爆破工程改用大型機(jī)械（新型PC460、PC650一體臂鉤機(jī)）直接勾松，并輔助以小松300型鑿巖機(jī)解小后裝車運(yùn)至填筑現(xiàn)場進(jìn)行填方施工。新型PC460一體臂鉤機(jī)整機(jī)工作質(zhì)量（kg）：46 000;額定功率（kW/rpm）：257/1 900;發(fā)動機(jī)型號：小松SAA6D125E-5。

結(jié)合紅砂巖性質(zhì)，開挖時必須根據(jù)現(xiàn)場具體情況配置機(jī)械設(shè)備，并選取合理的開挖方式，確保邊坡施工的順利實施。為確保刷坡質(zhì)量，在實際施工中可提前制作專用靠尺（見圖2），對刷坡質(zhì)量進(jìn)行檢查。實踐證明，采取簡易坡度尺對坡度質(zhì)量進(jìn)行全程把控，效果顯著。

2.4 方案對比

2.4.1 質(zhì)量、安全、進(jìn)度比較

根據(jù)設(shè)計圖紙及地質(zhì)情況和認(rèn)真調(diào)查，項目全線為Ⅰ至Ⅲ類紅砂巖。采用大型機(jī)械勾松，質(zhì)量上較爆破挖方邊坡擾動少、平整美觀，減少虧坡現(xiàn)象，且可解小至最大直徑1 m內(nèi)，利于填方堆碼法壓實質(zhì)量及效率控制;安全上，減少了雷管炸藥管理及使用帶來的重大風(fēng)險;進(jìn)度上，原傳統(tǒng)爆破方式，遇到重大節(jié)假日，都會停止炸藥供應(yīng)，且有協(xié)調(diào)困擾，影響施工進(jìn)度，PC460效率100～150方/h（中風(fēng)化）、PC650效率80～100方/h（弱風(fēng)化），機(jī)械勾松可增配數(shù)量，且機(jī)械施工可以24 h作業(yè)，進(jìn)度可控。

2.4.2 經(jīng)濟(jì)比較

（1）價格的對比，節(jié)約成本（直接成本）：石方松動價格為6.02元/m3，裝運(yùn)價格為8.115元/m3，合價14.135元/m3（不含稅），相較類似石方爆破挖運(yùn)15元/m3（不含稅），節(jié)約直接成本200萬元。

（2）間接成本：采用傳統(tǒng)的爆破模式，項目部還應(yīng)承擔(dān)炸藥庫建設(shè)費(fèi)用及專人管理工作，費(fèi)用預(yù)估不低于80萬元，爆破資質(zhì)使用費(fèi)用不低于60萬元，炮損帶來的賠償費(fèi)用，不低于100萬元，節(jié)約間接成本約200萬元。

（3）稅費(fèi)節(jié)約：可開具13%的設(shè)備租賃費(fèi)專用發(fā)票，進(jìn)項稅抵扣約100萬元。

3 結(jié)論

結(jié)合施工現(xiàn)場紅砂巖分層的地質(zhì)情況，鉤機(jī)能通過裂縫將自重破挖優(yōu)勢發(fā)揮，但面對整塊微風(fēng)化紅砂巖破挖效果不明顯，項目約有10余萬m3該類石方通過松動爆破挖除。采用大型一體臂勾機(jī)開挖紅砂巖路基，質(zhì)量容易受控，施工過程安全性增強(qiáng)，能滿足工期要求，綜合經(jīng)濟(jì)效益顯著。

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