非爆破条件下岩石臂钩机开挖泥岩施工技术研究.pdf

云南水力发电YUNNAN WATER POWER129第 40卷第 1期0 引言在高速公路建设过程中经常会遇到互通式立交离既有高速线路比较近无法采用爆破施工的情况，通过凯里环虎庄互通项目对非爆破条件下岩石臂钩机开挖泥岩施工技术的研究，对施工效率和经济效益与传统机械开挖进行对比分析，结果表明岩石臂钩机开挖可以节约施工成本，加快施工进度，缩短对既有高速的影响时间。研究成果为后续邻近既有高速线路施工提供良好的技术支撑，以便安全、高效、高质量地完成施工。1 工程概况凯里环城高速公路北段项目施工线路全长 73.013 km（主 线 58.419 km，麻 江 联 络 线14.594 km），全线设有多处落地式互通枢纽。其中虎庄互通共计 11 处匝道涉及涉路施工，开挖工程量 10104m3禁止进行爆破作业。虎庄匝道涉及涉路施工表见表 1。根据地勘成果显示，互通区下伏基岩为志留系中统翁向组（S2w)根据场区岩体的节理发育特征、硬度与完整性等将场区基岩划分为强、中微风化两层1。强风化层：灰黄色，薄中厚层状，节理裂非爆破条件下岩石臂钩机开挖泥岩施工技术研究白晓英，刘民军（中国水利水电第十四工程有限公司，云南 昆明 650041）摘要：随着我国公路交通运输的发展，新建高速与既有高速交叉增多无法进行爆破施工，通过凯里环高虎庄互通使用岩石臂钩机对泥岩进行非爆破开挖研究，表明利用岩石臂钩机进行开挖缩短了对既有高速的影响时间，又节约施工成本、加快施工进度，通过该项目的研究可为今后类似路基大体积泥岩地区路基非爆破开挖施工以及规范的编制提供理论和技术储备，长期经济效益显著。关键词：非爆破；岩石臂钩机；泥岩；开挖中图分类号：U416.1+11；U415.5+19文献标识码：B文章编号：1006-3951(2024)01-0129-04DOI：10.3969/j.issn.1006-3951.2024.01.030Research on Construction Technology of Rock Arm Hook Machine Excavating Mudstone under Non-blasting ConditionsBAI Xiaoying,LIU Minjun(POWERCHINA SINOHYDRO ENGINEERING BUREAU 14 CO.,LTD.,Kunming 650041,China)Abstract:With the development of highway transportation in our country,the number of new highways intersecting with existing highways is increasing,and blasting construction cannot be carried out.The study on non explosive excavation of mudstone using rock arm hook machine at Huzhuang Interchange of Kaili Ring Expressway shows that using rock arm hook machine for excavation shortens the impact time on existing highways,saves construction costs,and accelerates construction progress.The research of this project can provide theoretical and technical reserves for the future non blasting excavation construction and standardization of roadbeds in areas with large volumes of mudstone,and has significant long-term economic benefits.Keywords:non-blasting;rock arm hook machine;mudstone;excavate收稿日期：2023-12-19作者简介：白晓英（1981-），女，山西大同人，高级经济师，主要从事经营和项目管理工作。*130云南水力发电2024 年第 1 期隙发育，岩体破碎，岩芯多呈块状、砂状,少量呈短柱状，厚 3 11.4 m。中微风化层：浅灰色、青灰色，薄中厚层状，节理发育不发育，岩体较破碎较完整，岩芯多呈短柱状、块状，少量呈柱状2。其物理力学试验指标见表 2。虎庄互通区域泥岩强度平均值为 10.6 MPa，遇水即变成黏土状，因此只能采取非爆破方式进行开挖施工。2 岩石臂钩机工作、生产效能分析2.1 工艺原理岩石臂钩机，岩石臂也叫凿岩臂，由于其的主要结构是个硕大的像鹰嘴一样的前臂，也叫鹰嘴臂或者钩机臂。其大臂相比普通的挖掘机加粗，加重了很多，使其有更强的冲击力3。岩石臂的破碎原理是在其沉重的大小臂重力下，对岩石进表 2 中微风化粉砂质泥岩物理力学试验指标统计表样本名称参数名称标准值最大值最小值平均值标准差值变异系数样本数量中微风化粉砂质泥岩重度/（kN/m3)/23.1522.8623.02/6单轴天然抗压强度/MPa9.612.39.310.61.2110.114表 1 虎庄匝道涉及涉路施工表项目建设方式主要施工内容原余凯高速公路路基改桥，废除原有匝道两处1.路丛改桥上跨 L、J 匝道匝道 E驶出余凯高速（余庆方向驶来），进入凯里环城高速1.与余凯高速路丛拼宽2.与余凯高速桥梁拼宽，拼宽桥上跨到 N 原有利用段3.连接 N 匝道匝道 F驶出余凯高速（凯里方向驶来），进入凯里环城高速1.与余凯高速路基拼宽匝道 J从凯里环城高速驶入余凯高速（往凯里方向）1.新建 J 匝道 1#桥临近既有匝道2.新建 J 匝道 2#桥上跨 S3083.与余凯高速路基拼宽匝道 L从凯里北收费站驶入余凯高速（往余庆方向）1.新建 L 匝道桥临近既有匝道2.与余凯高速路基拼宽3.与 N 匝道连接匝道 N利用原匝道并接长1.新建 N 匝道接长既有 N 匝道匝道 I匝道调整纵坡1.IK0+360 IK0+412.68纵坡调整行暴力破碎，挖掘力度能够进行成倍增加，基本上选择 30T 机位以上的改装，甚至 70T 位以上。具有很高的工作效率。2.2 施工工艺流程岩石臂钩机设计加工组装施工准备 钩机行走、就位斗杆、挖掘作业移动装渣设备，启动装渣下一循环4。针对虎庄互通粉砂质泥岩特性，中微风化粉砂质泥岩强度 10.6 MPa，选用日立 850 挖机改装为日立 850 岩石臂钩机。2.3 岩石臂钩机机施工效率路基开挖采取至上而下逐层开挖的方式，进行开挖施工，根据泥岩不同风化程度，每层开挖深度约 0.6 1m5，水平层采取后退开挖的方式进行开挖，每层开挖完成后，由传统挖机配合出渣车进行运渣，运输完成后进行下层开挖，循环进行。岩石强度：中微风化粉砂质泥岩强度10.6 MPa。生产能力：针对该强度泥岩，每台日立 850型岩石臂钩机每小时开挖方量为 120 200 m3，每台班开挖方量约为 960 1 600 m3。2.4 岩石臂钩机适用范围岩石臂钩机是一种广泛应用于非爆破开挖场景的强力松土装置，可极大扩展挖掘机的适用范围。适用范围：适用于风化石、页岩石、红沙岩、硬质岩土、冻土层以及中、强风化岩石层等地质条件。优点：作业重心低，作业摆动及震动小，对主机的损伤小，操作更舒适，具有性能稳定、效率高、可靠性高等特点。3 泥岩开挖施工成本对比分析在同等施工条件下对采用不同设备的开挖单价进行定额单价计算及实际施工单价测算并进行对比分析。3.1 传统机械破碎开挖实际施工效率实测记录测算及采用传统破碎白晓英，刘民军 非爆破条件下岩石臂钩机开挖泥岩施工技术研究131开挖单价测算情况见表 3、表 4。表 3 虎庄互通（XK78+620）徐工 360 机械破碎施工效率实测记录表施工日期设备数量工作时间/h开挖方量/m3平均开挖量/（m3/h）徐工 360 卡特 230 自卸车2020/3/23-251112432513.542020/3/26-291112427911.612020/3/30-4/021112831011.062020/4/03-061113235611.13合计111108126911.75表 4 XK78+620 段泥岩路基机械破碎开挖石方单价测算表日期徐工 360型挖掘机卡特 230型挖掘机自卸车合计2020/3/23-4/0613.5d4d4 台/d单价（租赁）/(元/d)1 5001 0001 0003 500.00单价（油耗）/(元/d)561.99468.345001 530.33开挖/元27 837.875 873.366 00039 711.23玻碎锤开挖平均单价/（元/m3）31.29开挖方量/m31269方量/m3单价/(元/m3)合价/元钩机开挖1 26921.942 7841.86挖机开挖及装车1 2694.635 875.47自卸车运输1 2694.736 002.37根据现场实际施工统计，每台班配置 1 台徐工 360 型挖机破碎锤进行破碎，1 台卡特 230 型挖机进行装运，1 辆自卸车进行渣土运输。结合现场实际完成工程量及成本发生费用，即完成泥岩石方开挖1 269 m3，发生成本39 710元，测得岩石臂钩机开挖单价为 39 7101 269 31.29元/m3。3.1.3 采用传统破碎开挖单价定额计算查 JTG-TB06-03-2007公路工程机械台班费用定额计算得，传统挖机破碎开挖单价为（8.949.2+31 350+2.3924.52+50.381 091.28+9.16685.04）1 000=67.87 元。3.2 采用岩石臂钩机开挖3.2.1 实际施工效率实测记录测算根据虎庄互通现场实际施工情况统计，每台日立 850 型岩石臂钩机每小时平均开挖方量约为252 m3，每台班开挖方量约为 2 016 m3，见表 5。表 5 虎庄互通（F-N 匝道）日立 850 型岩石臂钩机施机施工效率实测记录表施工日期设备数量工作时间/h开挖方量/m3平均开挖量/（m3/h）850 型岩石臂钩机自卸车2020/3/23-2020/4/061710827197251.823.2.2 采用岩石臂钩机开挖单价测算FK0+460-NK1+060 段泥岩路基岩石臂钩机开挖石方单价测算见表 6。表 6 FK0+460-NK1+060 段泥岩路基岩石臂钩机开挖石方单价测算表日期日立 850 岩石臂钩机徐工 470 挖掘机徐工 470 挖掘机卡特 320D 挖掘机自卸车合计2020/3/23-4/613.5d13.5d13.5d13.5d98 台/d单价（租赁）/(元/d)9 000.002 666.672 666.671 0001 00016 333.34单价（油耗）/(元/d)3 334.4576.37576.37468.335005 455.48开挖/元172 68243 78143 78119 823147 000427 067.00钩机开挖平均单价/（元/m3）15.7开挖方量/m3271.97方量/m3单价/(元/m3)合价/元钩机开挖27 1976.35172 700.95挖机开挖及装车27 1973.95107 428.15自卸车运输27 1975.41147 135.77132云南水力发电2024 年第 1 期根据现场实际施工统计，每台班配置 1 台日立 850 型岩石臂钩机进行初始破碎，1 台卡特 320型炮锤进行二次破碎，2 台卡特 470 型挖机进行装运，7 辆自卸车进行渣土运输。结合现场实际完成工程量及成本发生费用，即 完 成 泥 岩 石 方 开 挖 27 197m3，发 生 成本 427 006 元，测 得 岩 石 臂 钩 机 开 挖 单 价 为427 00627 197 15.70 元/m3。3.3 成本单价对比分析成本单价对比分析见表 7。表 7 成本单价对比分析表元类别定额单价实际施工测算传统机械破碎开挖67.8731.29岩石臂钩机开挖-15.70 综上对比分析，在凯里环城高速公路虎庄互通非爆破条件下实际施工中，采用岩石臂钩机进行泥岩路基石方开挖施工，同比传统机械破碎开挖每立方节约成本 31.29-15.7=15.59 元。则在非爆破条件下大体积泥岩开挖同比传统破碎锤开挖的成本优化率可达到（31.29-15.7）31.29=49.82%。4 岩石臂钩机开挖泥岩经济效益分析在虎庄互通大体积泥岩路基非爆破开挖施工中，对利用传统机械破碎和岩石臂钩机开挖进行了经济效益对比分析。4.1 传统开挖方式经济成本测算采用传统机械破碎开挖，传统挖机破碎开挖单价约 31.29 元/m3；则，使用传统破碎开挖 每 10 000 m3成 本6为 10 000m331.29 元/m3=312 900 元。4.2 采用岩石臂钩机开挖经济成本测算采用日立 850 岩石臂钩机进行开挖，岩石臂钩机开挖单价约 15.70 元/m3；则，使用岩石臂钩机开挖每 10 000 m3成本7为 10 000m315.70 元/m3=157 000 元。4.3 经济成本对比综上对比，采用岩石臂钩机进行泥岩路基开挖施工中，每开挖 10 000 m3节约成本 10 000m3（31.29-15.70）元/m3=155 900 元。通过采用岩石臂钩机节约了施工人力，缩短了每循环的施工时间，极大地缩短了整体施工工期，为路基开挖施工节约了成本。5 结束语依托据凯里环城高速公路北段虎庄互通泥岩路基工程，研究岩石臂钩机如何在泥岩特性下的加工组装、机施工效率和利用岩石臂钩机开挖邻近、搭接既有高速公路，根据研究得到主要结论如下。1）采用岩石臂钩机进行泥岩开挖施工，大大节约了施工人力及机械使用量，大幅度降低了每立方米的开挖单价，为工程施工大幅节约了经济成本、工期成本的投入。为项目创造了显著的经济效益，具有推广价值8。2）在施工过程中减小噪音影响，保障施工人员的劳动健康，提高工作积极性；3）岩石臂钩机施工方案合理，节约成本，保障施工安全、质量，值得推广9。参考文献：1刘齐军.山区高速公路高填方斜坡软土路基治理技术研究J.中外公路，2012,（4）:67-68.2徐应生.山区河谷大跨径桥梁岸坡稳定性研究D.贵阳：贵州大学，2021.3胡守海,马辉文,李钊.浅谈爆破与岩石臂挖机在石方明挖中的应用J.水利水电施工，2020,（5）:15-18.4王科.临近既有高速大体积石方非爆破快速开挖施工J.云南水力发电，2023,（10）：1-4.5宋海俊.浅论路基挖方的施工技术J.城市建设，2012，（4）：26-27.6宋明奇.高速公路改扩建工程高边坡机械破碎成型施工技术J.交通世界，2021,（21）：105-106.7付进,刘欣意.国内悬臂式掘进机隧洞开挖的成本分析J.四川水利，2016,（1）：50-52.8蒲昌权,万崇东,张乃华,等.三峡重庆库区农村户用沼气建设项目经济效益比较分析J.现代农业，2008，（8）：43-44.9吴飞.液压劈裂机在输电线路工程岩石基础开挖中的应用A.福建省科协第十三届学术年会分会场福建省电机工程学会第十三届学术年会序论文集C,2013.