CN116373134A - 一种静态破碎与机械凿除结合的硬岩基坑施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及建筑工程技术领域，公开了一种静态破碎与机械凿除结合的硬岩基坑施工方法，其包括下列步骤：S1：联合破岩技术方案设计，将硬岩基坑深化为阶梯式工序；S2：测量放线；S3：基于裂纹扩展规律设计静态破碎参数，随后钻孔及自由面施工；S4：在钻孔内灌注静态破碎剂浆体；S5：机械振动法二次凿除破碎，通过对裂纹扩展方向施加振动效应提升机械凿除破碎硬岩的效率；S6：装填搬运碎石，将碎石块装填并运输到弃土场。本发明提供的施工方法将静态破碎技术与机械冲击振动凿除技术相结合，兼顾解决施工的方便灵活和削弱硬岩基坑的开挖难度的问题，在保障安全文明施工的基础上还提升了施工进度和项目整体的经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及建筑工程技术领域，尤其涉及一种静态破碎与机械凿除结合的硬岩基坑施工方法。
背景技术
近年来随着城市地下空间的开发利用，市政和公共基础项目建设越来越收到青睐。根据城市文明施工的要求，基坑施工中禁止采用爆破和环境危害大的工艺工法，常见的机械凿除、液压劈裂法遇到硬岩时，对工作面要求高，破岩效率低下，且施工成本较高。
现有技术一
使用机械凿除技术，如现有文献《地铁深基坑支护和石方开挖施工工艺》，来源《交通世界(工程技术)》；2021年第001期|34-35|共2页；作者为刘宇，其以某地铁车站基坑施工项目为例，结合项目现场施工环境及水文地质条件,在分析项目技术难点的基础上,阐述冠梁及混凝土支撑施工、基坑硬岩开挖的工艺要点,涉及施工流程、机械设备选型、破岩施工等环节,以期为类似深基坑工程建设提供参考与借鉴，现有技术一的缺陷为工作面要求高，开裂范围小不适合大范围的连续破岩，裂岩机器的机械寿命在硬岩环境下较短。
现有技术二
使用静态破碎技术，如现有文献《静态爆破技术——无声破碎剂及其应用》作者:游宝坤；中国建材工业出版社；出版时间:2008-04；ISBN:9787802274150,其介绍了无声破碎剂及其静态爆破技术。从静态爆破技术发展概况，无声破碎剂的物理化学性能，无声破碎剂的研制、生产工艺、水化和膨胀机理、破碎机理，以及无声破碎剂膨胀压的影响因素等方面阐述了静态破碎的原理、技术、方法和工程实例，现有技术二的缺陷为静态破碎剂反应时间长，当岩石产生裂纹损伤时能量在岩石内部耗散较快，破碎效果与单位体积内的药剂量成反比，破岩效率低。
单独使用静态破碎技术，其所需破岩时间长会拖慢工程进度，常见的做法是对于静态破碎后的硬岩基坑辅助机械凿除方法进行二次破碎，可极大地提高破碎效果。该方法虽结合了两种施工方法，但是并未考虑到硬岩的裂纹扩展规律，实际施工中对于工程进度和经济效益的提升有限。
发明内容
为了克服以上技术问题，本发明目的是提供一种静态破碎与机械凿除结合的硬岩基坑施工方法，充分利用了岩石等脆性材料的断裂特征，施加振动效应加速开裂破坏进程，结合静态破碎与机械冲击振动凿除两种工法特点，因地制宜，既优化了原有技术方法，也保证了现场施工进度、经济效益的要求，破岩精确度的提升也减少了施工对周围环境、城市管网、建(构)筑物的扰动。
本发明提供了如下的技术方案：
本发明提供了一种静态破碎与机械凿除结合的硬岩基坑施工方法，其包括下列步骤：
S1：联合破岩技术方案设计，将硬岩基坑深化为阶梯式工序；
S2：测量放线；
S3：基于裂纹扩展规律设计静态破碎参数，随后钻孔及自由面施工；
S4：在钻孔内灌注静态破碎剂浆体；
S5：机械振动法二次凿除破碎，通过对裂纹扩展方向施加振动效应提升机械凿除破碎硬岩的效率；
S6：装填搬运碎石，将碎石块装填并运输到弃土场。
在上述实施方式中，采用静态破碎和机械振动凿除结合的方法，利用SCA裂岩规律，控制岩石内部断裂带的分布方向，然后再通过机械设备对损伤后的岩石进行冲击振动加载，以达到预期硬岩破碎效果。
根据一些实施方式，所述步骤S1具体包括以下步骤：
S101：工序优化，根据施工现场静态破碎和机械破碎技术的特点，挖掉覆盖在岩层上的土层，将硬岩基坑深化为阶梯式工序；
S102：确定技术参数，根据施工现场岩石和环境的特点，确定静态破碎和钻孔工艺参数。
在上述实施方式中，S101步骤中将硬岩基坑深化为阶梯式工序具体采用分台阶单排劈裂方式进行，根据施工要求，进行现场实施测量，首先建立试验段，根据现场实际岩层属性，进行施工效率的控制施工。静态破碎施工台阶高度1.5～2.5m，钻孔位置距离临空面距离0.8～1.5m，钻孔深度1.7～2.7m，孔距15～40cm，孔径30～45mm。
根据一些实施方式，静态破碎工艺参数包括静态破碎剂的型号，所述静态破碎剂选自HSCA-Ⅰ、HSCA-Ⅱ、HSCA-Ⅲ中的一种，其分别对应环境温度25℃～40℃、10℃～25℃、-5℃～10℃。
根据一些实施方式，所述钻孔工艺参数，包括孔型、孔数、孔距，孔径、孔间距和孔深。
根据一些实施方式，所述步骤S3具体包括以下步骤：
S301：水平钻孔时保持12°～18°左右的倾角，垂直孔和斜向孔按设计参数钻孔，钻孔后清理干净孔内的液体及其他杂物；
S302：孔间距与孔排距设置，预留不灌注的空孔作为自由面。
根据一些实施方式，所述步骤S301中，钻孔采用钻孔径向切槽及预留空孔法。
根据一些实施方式，所述步骤S4具体包括以下步骤：
S401：静态破碎剂浆体配置，按静态破碎剂和水的配合比0.25～0.35调制，在保证膨胀压力的同时也需考虑其流动性；
S402：灌注所述静态破碎剂浆体，对静态破碎剂浆体进行振捣排出内部空气，装填至孔口。
在上述实施方式中，静态破碎剂浆体的主要成分为f-CaO，在静态破碎过程中发生水化反应，反应式为：CaO+H2O→Ca(OH)2+64.8KJ/mol，反应过程中固相体积增大释放能量并产生膨胀压力使岩石张拉破坏。
根据一些实施方式，所述步骤S5具体包括以下步骤：
S501：机械改进，动力机械用于破碎岩体，所述动力机械的液压伸缩装置包括冲击钻头与振动钻头，通过冲击钻头施加竖向冲击荷载的同时，同时通过振动钻头施加横向的振动效应，使静态破碎后的已损伤的岩体沿结构断裂面开裂破坏；
S502：岩块解小，对破碎后的大块岩石再次破碎，使其满足二次搬运的要求。
根据一些实施方式，所述动力机械的额定功率至少为280kw。
相比于现有技术，本发明具备以下有益效果：
本发明提供的一种静态破碎与机械凿除结合的硬岩基坑施工方法，根据硬岩基坑的力学特点及环境限制因素，将静态破碎技术与机械冲击振动凿除技术相结合，具有以下优点：
1、施工方便：现场不需要清理工作面，便可首先使用静态破碎技术进行破岩。
2、环境扰动小：施工过程中能量冲击小，对周围的管线及原有构筑物产生的扰动程度可降到最低。
3、破岩效率高：静态破碎技术只需将静态破碎剂浆体装填进预留孔中即可，可以连续施工，硬岩产生裂缝后，二次破碎时机械凿除的效果和效果将大大提高。
4、质量易控制：在施工过程中，大部分的工序及施工情况都可以肉眼观察到，因此利于把握施工进度和质量。
5、本发明的施工方法中静态施工方法的应用，兼顾解决施工的方便灵活和削弱硬岩基坑的开挖难度的问题，在保障安全文明施工的基础上还提升了施工进度和项目整体的经济效益，保障了周围管线、邻近构筑物环境扰动小的优化目标，同时也提高了破碎效率，提升了施工进度。
附图说明
图1为根据本发明提供的实施例，本发明提供施工方法的流程图。
图2为根据本发明提供的实施例一，本发明提供施工方法的现场施工示意图。
图3为根据本发明提供的实施例一，本发明提供施工方法中的动力机械钻孔示意图。
图4为根据本发明提供的实施例一，本发明提供的静态破碎布孔示意图。
图5为根据本发明提供的实施例一，本发明提供的基坑横断面破岩示意图。
图6为根据本发明提供的实施例一，本发明提供的纵断面破岩示意图。
图7为根据本发明提供的实施例二，本发明提供的静态破碎与机械凿除结合施工示意图。
图8为根据本发明提供的实施例二，本发明提供的碎石二次搬运示意图。
图9为根据本发明提供的实施例三，本发明提供的使用钻孔径向切槽及预留空孔法钻孔的示意图。
附图中标号为：
1、待破碎物；2、SCA灌注孔；3、施工阶梯；4、静态破碎剂；5、机械钻头；6、动力机械；7、运输车；8、装载机械；9、静态破碎后的岩体；10、液压伸缩装置；11、冲击钻头；12、振动钻头。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明进行详细描述，但需要理解的是，所述实施例和附图仅用于对本发明进行示例性的描述，而并不能对本发明的保护范围构成任何限制。所有包含在本发明的发明宗旨范围内的合理的变换和组合均落入本发明的保护范围。
下面结合附图对本发明进行进一步说明。
实施例一
如图2所示，在本实施例中，待破碎物1为硬岩，其包含微风化和中风化灰岩岩层，岩石单轴抗压强度为60～109MPa，其体量约为12.08万m3，车站基坑尺寸约长度80m、标段宽度23.5m～27.4m、开挖深度26.13m～26.99m。如图1所示，采用本发明提供的静态破碎与机械凿除结合的硬岩基坑施工方法，对其进行破碎，具体包括下列步骤：
S1：联合破岩技术方案设计；
更具体的，S1包括以下S101和S102步骤：
S101：工序优化，根据施工现场静态破碎和机械破碎技术的特点，采用明挖发顺做法，第一阶段挖掉覆盖在岩层上的土层，第二阶段将硬岩基坑深化为阶梯式工序，先基于硬岩的张拉破坏特点和裂纹扩展规律，合理地设计静态破碎的技术参数，控制岩石内部断裂带的分布方向，然后再通过机械设备对损伤后的岩石进行冲击振动加载，以达到预期硬岩破碎效果；
S102：确定技术参数，根据施工现场岩石和环境的特点，确定静态破碎工艺参数，其中根据施工季节和环境温度，静态破碎剂4的型号选自HSCA-Ⅰ(25℃～40℃)、HSCA-Ⅱ(10℃～25℃)或HSCA-Ⅲ(-5℃～10℃)，其中温度越低静态破碎所需的时间越长，膨胀压力在低温环境下增长缓慢，破碎效果比较差。如图4所示，基于钻孔位置和孔型分布的裂纹扩展规律特征设计静态破碎施工方法的孔型布置为梅花型、孔径38mm、孔排距20cm、孔间距25～30cm、孔深(拟破碎高度的90％)、临空面距离1.0m、钻孔方向垂直、水平、斜向，确定二次破碎时机械功率为280kw以上。
S2：测量放线；测量放线是测量分段破碎的边界位置、竖向孔的水平布置点、水平与斜向孔的点位和标高，以及拟破碎深度的标高尺寸，简单清理岩层表面并进行红油漆的标注，方便后续施工。
S3：钻孔及自由面施工，按上述静态破碎技术参数，将竖向的SCA灌注孔2按破碎目标高度的百分之九十的深度钻孔，水平的SCA灌注孔2需向上倾斜15°，以方便左右方向灌注SCA浆体，其余斜向孔按设计角度开孔，钻孔后清干净孔中杂物，设置好孔间距、孔排距与自由面。
更具体的，S3包括以下的S301和S302步骤，
S301：钻孔时将竖向的SCA灌注孔2按破碎目标高度的百分之九十的深度，水平孔向上倾斜15°左右方便灌注SCA浆体，斜向孔按设计角度开孔，清理干净孔内的液体及其他杂物；
S302：孔间距与孔排距设置，事先预留不灌注的空孔作为自由面，通过合理设计灌浆孔位置、形状和自由面，硬岩孔壁膨胀压力局部产生集中效应，从而控制力的加载方向得到预期的断裂面方向；
S4：灌注静态破碎剂浆体，静态破碎剂浆体即SCA浆体，对其配合比进行控制灌注过程进行振捣减少气泡；
更具体的，S4包括以下S401和S402步骤：
S401：静态破碎剂浆体配置，按设计配合比调制，在保证膨胀压力的同时也需考虑其流动性；
硬岩静态破碎施工中，静态破碎剂浆体由静态破碎剂4与水的配合比通常为0.25～0.35，配合比过高SCA水化反应，破碎效果差，配合比过低SCA浆体流动性差不易灌注到破碎孔内。
S402、灌注SCA浆体，用细长钢棒进行振捣排出内部空气，装填至孔口；
进一步地，静态破碎剂主要成分为f-CaO，在预制孔内发生水化反应，反应式为：CaO+H2O→Ca(OH)2+64.8KJ/mol，固相体积增大释放能量将在待破碎物的钻孔中产生膨胀压力，岩石内部的纹理结构和天然裂隙导致应力集中，在张拉作用下岩石内部出现损伤和微裂纹，并迅速以周围岩体为介质传递到表面形成断裂带。
S5：如图5所示，机械二次凿除破碎，静态破碎后的岩体9已产生内部损伤，整个岩体的裂纹损伤程度达到40～70％，再利用360kW的动力机械6进行振动和冲击加载，进行二次凿除破碎。
更具体的，S5包括以下S501和S502步骤：
S501：振动冲击加载，先使用冲击钻头11对静态破碎后的岩体9进行冲击加载，岩体局部发生破碎，再通过液压伸缩装置10将冲击钻头11回缩至振动钻头12内部，将振动钻头12放置于静态破碎后的岩体9内部进行振动加载，内部的微裂纹迅速聚结扩展成宏观裂纹直至岩体开裂破坏。
S502：如图6所示，岩块解小，将大块孤石凿开，使用振动钻头12将石块解小，保证被破碎后的岩石碎片符合搬运和运输要求；在待破碎的岩石强度达到中风化程度以上，每台机械日破碎方量要求在100m3以上，以及在静态破碎效果较差的工况下，机械二次破碎中机械破碎机的额定功率选用280kw以上，机械凿除部分的冲击钻头11和振动钻头12为耐磨高强钻头，通过螺栓及液压传动装置连接大功率发动机。
S6：装填搬运碎石，将碎石块通过装载机械8装填于运输车7中，并运输到弃土场，确保后续工序的顺利进行。
上述施工过程在工作面满足的情况下，可交叉进行施工作业，进一步提升施工效率。
实施例二
如图7所示，待破碎物1为花岗岩分布的硬岩基坑，基坑长度为283.2m、标段宽度26.15m、开挖深度24.3m～25.5m，其技术参数选用HSCA-Ⅱ型春秋用静态破碎剂，动力机械6功率为360kW。
按照本发明提供的静态破碎与机械凿除结合的硬岩基坑施工方法，进行静态破碎与机械凿除两种工序结合进行台阶法施工。在施工台阶3上设置SCA灌注孔2，静态破碎阶段通过潜孔钻按照施工设计的孔型、钻孔位置、钻孔方向、孔距、孔深等参数开设直径为30～40mm的SCA灌注孔2，其中将空孔穿插于SCA灌注孔2中，以增加自由面数量。竖向临空面上设置有水平孔，控制裂纹的扩展深度与水平方向的断裂结构面方向。灌注静态破碎剂后，静态破碎后的岩体9内部产生损伤，以机械加载的方式进行二次破碎。动力机械6通过液压系统和高强螺栓装配有冲击钻头11和振动钻头12，在液压伸缩装置10的控制下由两种类型的钻头依次向岩体施加竖向冲击荷载和横向振动荷载，使岩石在在张拉作用下沿内部损伤断裂带产生宏观裂纹，其宽度和深度持续扩展直至岩体完全开裂破坏。
运输搬运阶段，再次通过动力机械6施加冲击、振动荷载将大块的孤石分解为满足运输车7和装载机械8尺寸的岩石小块，运输至场地外。
基坑分段开挖过程重复以上工序，如图8所示，基坑分段为西区和东区，西区和东区之间设置止水墙，完成东区后，再进行西区的开挖，即可高效经济地完成硬岩基坑工程。
实施例三
在此实施例中，以鸣泉变电站基坑工程为例，硬岩宽度12～16.5m，基坑深度为18～20m，标段长度50m，地质情况为下覆微风化白云交代质灰岩，岩石单轴抗压强度为90～110MPa，紧邻市政管网和已运行的地铁线路，施工技术参数选用HSCA-Ⅰ型夏季用静态破碎剂，动力机械6功率为360kW。
按照本发明提供的静态破碎与机械凿除结合的硬岩基坑施工方法，进行静态破碎与机械凿除两种工序结合进行导向式台阶法施工。如图9.a为钻孔径向切槽及预留空孔法钻孔俯视图，钻孔工艺选用方形孔切槽-预留空孔法，对两个SCA灌注孔2按一定角度进行切槽，根据现场孔距调整切槽角度，在此案例中两切槽延长线夹角φ＝40°，切槽的目的是引导被破碎物内应力集中方向，控制开裂方向，实现定向精准破碎；图9.b为钻孔径向切槽及预留空孔法的钻孔在纵截面的剖面图，图中2#和5#孔为导向空孔，其余孔内填充静态破碎剂。调整静态破碎剂灌注孔中的斜向孔，如3#孔与自由面之间的夹角θ＝60°，从而控制开裂方向以满足精确破碎岩石的要求，结合机械破碎达到定向破碎岩石和混凝土的效果，可最大限度减少对既有管线与构筑物的施工扰动。最后通过机械解小岩块，二次搬运至场外，达到经济高效定向破碎的目标。
凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种静态破碎与机械凿除结合的硬岩基坑施工方法，其包括下列步骤：
S1：联合破岩技术方案设计，将硬岩基坑深化为阶梯式工序；
S2：测量放线；
S3：基于裂纹扩展规律设计静态破碎参数，随后钻孔及自由面施工；
S4：在钻孔内灌注静态破碎剂浆体；
S5：机械振动法二次凿除破碎，通过对裂纹扩展方向施加振动效应提升机械凿除破碎硬岩的效率；
S6：装填搬运碎石，将碎石块装填并运输到弃土场。
2.根据权利要求1所述的硬岩基坑施工方法，其特征在于：所述步骤S1具体包括以下步骤：
S101：工序优化，根据施工现场静态破碎和机械破碎技术的特点，挖掉覆盖在岩层上的土层，将硬岩基坑深化为阶梯式工序；
S102：确定技术参数，根据施工现场岩石和环境的特点，确定静态破碎和钻孔工艺参数。
3.根据权利要求2所述的硬岩基坑施工方法，其特征在于：所述静态破碎工艺参数包括静态破碎剂的型号，所述静态破碎剂选自HSCA-Ⅰ、HSCA-Ⅱ、HSCA-Ⅲ中的一种，其分别对应环境温度25℃～40℃、10℃～25℃、-5℃～10℃。
4.根据权利要求2所述的硬岩基坑施工方法，其特征在于：所述钻孔工艺参数，包括孔型、孔数、孔距、孔径、孔间距和孔深。
5.根据权利要求1所述的硬岩基坑施工方法，其特征在于：所述步骤S3具体包括以下步骤：
S301：水平钻孔时保持12°～18°左右的倾角，垂直孔和斜向孔按设计参数钻孔，钻孔后清理干净孔内的液体及其他杂物；
S302：孔间距与孔排距设置，预留不灌注的空孔作为自由面。
6.根据权利要求5所述的硬岩基坑施工方法，其特征在于：所述步骤S301中，钻孔采用钻孔径向切槽及预留空孔法。
7.根据权利要求1所述的硬岩基坑施工方法，其特征在于：所述步骤S4具体包括以下步骤：
S401：静态破碎剂浆体配置，按静态破碎剂和水的配合比0.25～0.35调制，在保证膨胀压力的同时也需考虑其流动性；
S402：灌注所述静态破碎剂浆体，对静态破碎剂浆体进行振捣排出内部空气，装填至孔口。
8.根据权利要求1所述的硬岩基坑施工方法，其特征在于：所述步骤S5具体包括以下步骤：
S501：机械改进，动力机械用于破碎岩体，所述动力机械的液压伸缩装置包括冲击钻头与振动钻头，通过冲击钻头施加竖向冲击荷载的同时，同时通过振动钻头施加横向的振动效应，使静态破碎后的已损伤的岩体沿结构断裂面开裂破坏；
S502：岩块解小，对破碎后的大块岩石再次破碎，使其满足二次搬运的要求。
9.根据权利要求8所述的硬岩基坑施工方法，其特征在于：所述动力机械的额定功率至少为280kw。
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