高路堑机械劈裂和破碎硬质岩石技术研究

发表时间:2019/4/9   来源:《建筑学研究前沿》2018年第34期   作者:王杨雷
[导读] 液压劈裂技术目前广泛的应用在高路堑机械劈裂和破碎硬质岩石。本文通过对机械液压劈裂机的构造进行介绍,对施工流程进行分析,同时对机械劈裂机工作过程中的受力特性进行研究,分析了孔壁边缘的应力构造,通过对比分析发现,采用液压劈裂进行施工,无论是从经济性还是环境保护方面分析,都是具有较大的优势。

王杨雷
       中铁二十四局集团新余工程有限公司  江西省新余市  338000
       摘要:液压劈裂技术目前广泛的应用在高路堑机械劈裂和破碎硬质岩石。本文通过对机械液压劈裂机的构造进行介绍,对施工流程进行分析,同时对机械劈裂机工作过程中的受力特性进行研究,分析了孔壁边缘的应力构造,通过对比分析发现,采用液压劈裂进行施工,无论是从经济性还是环境保护方面分析,都是具有较大的优势。
       关键词:机械劈裂;破碎;硬质岩石;高路堑
      
      
1研究背景
       近些年来,随着社会的发展,城市城镇化跨步迈进,随着车辆的不断增加,对城镇道路的要求也越来越高,因此道路交通工程飞速发展,无论是里程数还是难度系数都有了较大的提升。在一些山区农村修建道路,不可避免的会遇到高路堑施工,目前对于高路堑施工,最常用的方式依然是采用常规爆破施工,在人口居住密集的城镇采用爆破法施工,不可避免的会造成安全风险,并且导致施工效率低。因此静态开挖的施工方法逐渐应用开来,从上世纪80年代开始,陆续有一些施工方,采用劈裂机破岩,目前的劈裂机主要分为机械类和非机械类两大类。机械劈裂技术目前在国内已有广泛应用,属近年来新技术新工艺,特别是为坚硬石方工程而因条件所限制无法使用常规爆破方法施工的项目所采用。但目前国内相关主管部门还没有制定出相应的技术规范以及相应的定额标准。在实际应用中,该方法成本最低、进度快,而且极大的降低了震动对临近建筑物的影响。目前已经有一些学者进行了研究,但是针对其传力特性和工艺流程研究较为不完善,由于我国西南地区地理位置原因,普遍存在城镇沿河靠山而形成狭长场镇,人口密度很大,周边环境复杂,受到地形的限制,静态施工、文明施工、安全施工,成为独有特点,也是设计和施工的难点。因此对高路堑机械劈裂和破碎硬质岩石研究具有重要的意义。
       2钻孔劈裂破岩发展现状
       钻孔劈裂破岩装置主要分为机械破坏装置和非机械破岩装置。机械破岩装置是通过机械运动传递动力,将动力施加到孔壁上,如液压劈裂机。非机械劈裂器,是通过水压、气体等将孔口的压力传递到孔壁上。
       2.1静态径向劈裂器
       静态劈裂器是最早采用的一种劈裂破岩装置,主要通过动力装置、控制装置、动力传输系统、液压缸、破岩系统构成。通过液压推动活塞向下移动,带动两侧楔形翼片扩展,作用于孔壁,当劈裂力足够大的时候,岩块发生破碎。这种形式的劈裂器,实用方法简单且便于携带,但是破岩效果不稳定。
       2.2动态径向劈裂器
       动态劈裂器主要由液压泵系统、楔块组件和冲击系统组成,可以采用多种不同组合的冲击速度。工作中,将楔块组件放在孔中,由冲击锤打击楔块组件,通过翼片传递到孔壁上,将孔壁破裂,动态劈裂器的组成较为复杂,在一些交通条件较差的施工现场实用不方便,因此限制了动态劈裂机的应用。
       2.3液压劈裂机器
       液压劈裂机是将动力系统、劈裂系统、钻孔系统集成与一体的机械,具有独立的移动系统和控制系统。主要的工作原理是先进行钻孔,在通过旋转组件将劈裂系统移动到孔洞进行破岩工作,液压劈裂机集成钻孔和破岩系统与一身,工作时可以依次进行钻孔和破岩工作,极大的提高了工作效率,实现自动化控制。液压劈裂机具有安全性、环保性、经济性、精确性和适用性的特定,在静态的环境下即可达到控制工作,不会产生爆破方法破岩产生的安全性问题,同时也不会产生粉尘等污染空气的问题,在人口稠密区和建筑物集中区都可以使用。
       本开挖方式中增加了机械液压劈石机、钻机配合钻孔,插入劈石机配套的劈裂枪,利用液压分裂力将一定深度范围内的岩石分层分段的劈裂开,再配合常规的短臂勾机、大型破碎机、挖掘机等进行清理、翻挖、移位、解小破碎。岩体开挖,通过自上而下的顺序进行施工,首先在施工场地进行清理,随后进行布点打孔,采用Φ42mm钻机钻孔,再采用岩石液压劈裂机挤裂,辅以50t破碎锤二次破碎和2台短臂勾机配合移动和调整大块石方位置的工艺。按照设计进行分层破碎,同时清除岩块,破碎将至设计坡面时,停止机械破碎,最后挖机进行全断面整修坡面。
       3高路堑机械劈裂和破碎硬质岩石施工技术
       3.1石方劈裂工艺
       3.1.1劈裂点设置。劈裂点的设置对于岩体劈裂破碎工作的质量和效率十分关键,关键点主要以下三个方面:(1)底孔轴线是否在同一平面;(2)底孔深度;(3)底孔间距。
       例如该项目采用的液压劈裂机在劈裂泥岩、砂岩的时候,一般劈裂l㎡面积的泥岩、砂岩需要40t劈力。如劈开长约5m,高约2m的泥岩、砂岩,一般设置3~4个劈力点。本项目所用劈裂机配6套枪,每次可以设6个劈力点。
       3.1.2底孔参数选择及钻孔。参数的选择直接影响现场施工的质量和效率,主要对底孔直径、底孔深度、底孔间距和钻孔参数四部分。底孔直径的大小取决于劈裂组件的外外径,劈裂组件外径的大小取决于岩体的大小进行选择。底孔深度也是主要取决于劈裂组件的尺寸。
       


       图1劈裂枪                        图2钻机
       3.1.3劈裂。将劈裂枪插人孔中之前,一定要先检查孔的深度,深度不够的话,对于墙头很容易产生破坏,甚至无法取出枪头。一台劈裂机配备6把劈裂枪,在工作时,将6把劈裂枪,集中放在6个孔内,而且楔块方向(劈裂方向)要一致,这样劈力集中,劈裂的效果更好,工作效率跟高。可以考虑用2台(12把劈裂枪)同时劈裂,可以大大提高劈裂的效率。
      
       图3劈裂机
       3.2出现问题和解决方法
       3.2.1劈裂点设置不合理问题。在施工现场经常会出现劈裂失败或者劈裂不彻底的情况,因此在施工前要先进行观察,对岩体的纹理、节理面、孔洞缺陷进行观察,合理的布置劈裂点。
       3.2.2钻杆折断。在施工过程中,钻杆的消耗是非常大的,主要是由于钻杆的角度出现问题,钻杆与孔洞出现偏斜,因此要防止出现钻杆折断的现象要对施工技术人员的职业水平进行严格的培训和考核。
       3.2.3粉尘危害。粉尘危害是施工过程中不可避免的问题,对施工人员的职业健康非常有危害,因此需要对施工人员进行专业的防护,防护工具采用专业的防护口罩,最大程度上减少对施工人员造成的危害。
       3.2.4提高效率。提高施工效率提高了经济效益,因此需要结合施工设备的数量,进行合理的打孔布置和施工人员分配,增加岩石的劈裂速度。
       4工程概况
       4.1地质情况
       本文以泸州市叙永县龙凤镇境内国道G321升级改造段高路堑开挖作为研究对象,海拔高度240—1902m,境内为低山、浅丘地貌,地势起伏总体较小,高差一般小于100m。山体丘顶多呈椭圆状、长埂状。沟谷发育纵多,但多切割较浅。线路经过地区的海拔在330~450m。区域内出露地层岩性主要为紫红色泥岩、石英砂岩为主。
       地层岩性:本项目区域根据钻探揭露和地表调查,按由新到老的地层顺序分为:第四系全新统素填土(Q4ml)、第四系全新统崩坡积层(Q4c+dl)、第四系全新统冲洪积(Q4al+pl)层、第四系全新统层残坡积层(Q4el+dl)、第四系全新统坡洪积(Q4dl+pl)层、中生界侏罗系中统沙溪庙组(J2s)、遂宁组(J2sn)以及侏罗系上统蓬莱镇组(J3p)地层。
       4.2施工工艺流程
       4.2.1定位放线。采用全站仪进行中心线的放出,采用白石灰进行施工位置的标注,依据设计进行,提高放线的精度,经质检人员确认后进行下一步开挖工作。
       4.2.2开挖施工。采用挖机进行岩体表面覆土的清理,采用四桥自卸车进行渣土的外运。
       4.2.3劈裂机试破石方。首先在施工现场选择典型岩体进行预试验,对不同的孔径、孔深,进行试验,分别进行劈裂,确定本次施工的合理参数和设备组合。
       4.2.4劈裂施工。根据预试验得出的参数,进行正式的施工,合理布点,分层进行破裂施工。
       4.2.550t破碎锤二次破碎。对于较大体积的岩体,可采用50t破碎锤二次破碎,液压岩石破碎锤破碎施工时,利用破碎锤的冲击力,将岩石破碎;
       4.2.6下一循环。第一级施工平台上的岩层破到位后,进行下一岩体平面的施工,直至达到施工目标。
       5高路堑岩石力学分析
       5.1劈裂器动力输出分析
       图4所示为液压劈裂器劈裂原理,图5是液压劈裂器工作过程中裂尖的受力分析。在楔块上,在Z方向上根据受力平衡关系可知:
       式中P为液压缸总液压力(kN),NZ为斜面处正压力N在轴向的分力,即
       
             图4液压劈裂器劈裂原理               图5受力示意图
      
       为斜面处承受的摩擦力轴向分力,即
       一般,角很小,可取,,则:
       式中μ为斜面处的摩擦系数,p为工作液压力(MPa),d为液压缸的直径(cm)。
       如图7所示,在翼片上,在Z方向和X方向根据受力平衡条件可知:
        
       式中P1为翼片与缸体接触面的压力(kN),μP1/2为运动时的摩擦阻力(kN),Fr为岩石的反作用力,即实际的劈裂力(kN),由于α角很小,取,连利益上方程得:。
       5.2岩体孔壁上压力分布
       岩体孔壁所受的应力非均匀分布,假设劈裂器输出的力通过楔形转换器后,孔壁的压力分布形式呈轴对称分布,孔壁压力服从以下函数:
       σr=-psin2θ
       其中θ为与X轴的夹角,p为压力函数,如图6所示。
      
       图6 孔壁压力分布形式
       6劈裂机与传统工艺对比
       6.1安全性
       液压劈裂机在静态液压的作用下就可以工作,不会产生爆破开采那样出现飞石的情况,对施工人员的安全没有危害,在建筑物密集区工作的时候,液压劈裂不会对周围建筑物产生太大的影响。
       6.2环保性
       粉尘是施工过程中最大的污染,但是液压静态劈裂极大程度的解决了这个问题,即使在人口密集区,也可以保证不出现这样的问题。
      
       (a)                             (b)
       图7 应力分布规律
       表1劈裂机与传统方法对比
       工艺
       项目 劈裂机 炸药 膨胀剂 破碎锤 手工
成本 低 低 较高 较高 高
消耗 电、燃油  炸药、雷管 膨胀剂 燃油 人力
生产成本 低 高 高 高 高
安全 安全 不安全 较安全 较安全 较安全
效率 较高 高 一般 一般 低
经济性 高 高 一般 一般 低
应用工况 很广 广 局限 局限 局限
环境友好 非常好 查 比较好 比较好 好
通过以上分析可知,采用液压劈裂进行施工,无论是从经济性还是环境保护方面分析,都是具有较大的优势。
       7结论
       目前对于高路堑施工,最常用的方式依然是采用常规爆破施工,在人口居住密集的城镇采用爆破法施工,不可避免的会造成安全风险,并且导致施工效率低。机械劈裂技术目前在国内已有广泛应用,属近年来新技术新工艺,特别是为坚硬石方工程而因条件所限制无法使用常规爆破方法施工的项目所采用。本文通过,对机械液压劈裂机的构造进行介绍,对施工流程进行分析,同时对机械劈裂机工作过程中的受力特性进行研究,分析了孔壁边缘的应力构造,通过对比分析发现,采用液压比劈裂进行施工,无论是从经济性还是环境友好性方面分析,都是具有较大的优势。
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