提高凍土挖探效率的研究和實踐

呂鳳鎖

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300251)

在地質勘探過程中，特別是在城市地下管線復雜的情況下，應先進行場地周邊環境的調查和探測，再聯系管線產權單位進行現場確認，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，應首選人工挖探，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路面進行大面積開挖，只允許采用點探查的方式，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-20 ℃，季節性凍土厚度及硬度較大，人工挖探效率很低，容易造成鉆探設備處于長時間等待狀態，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 凍土挖探的研究現狀

目前，已有部分學者對提高季節性凍土挖探效率開展研究工作，如姚必全等[6]對凍土邊坡開挖方法進行研究，認為凍土開挖只能通過大型機械或爆破方式提高施工進度和效率。楊春艷[7]對樁周凍土的融化方法進行研究，認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]認為凍土開挖可以采用人工、機械、爆破開挖相結合的方法，使用鋸末做燃料融化凍土，其效率約為30 cm/24 h。唐克昌[9]采用遠紅外線輻射箱的熱輻射進行凍土融化。這些研究方法[6-14]在現場適用性方面還存在缺陷：如燜火烘烤法會對周邊環境造成污染且容易發生火災；電熱法對電源要求嚴格，易造成觸電事故；液化氣罐法危險性較大，容易產生火災和爆炸等。

2 常規挖探效率研究

2.1 直接挖探法

在某地鐵勘察項目中，按照以往的季節性凍土挖探作業習慣，采用人工挖探，挖探深度為4 m(穿透的凍層約為2 m)，其統計數據見表1。

表1 探洞開挖作業效率統計

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(挖探組每小時開挖凍層進尺為0.1～0.15 m)，不同巖土層作業效率不同，凍層挖探效率較低。

2.2 濃鹽水侵泡法

某市區勘察項目中，采用先在探洞中倒入濃鹽水浸泡，再進行人工挖探的方式。挖探深度為4 m(穿透的凍層厚度一般為1.6 m)，其統計數據見表2。

表2 探洞開挖作業效率統計

注：①挖組每組2人;②鹽水侵泡。

從表2可以看出，開挖組每小時開挖凍層進尺為0.13～0.2 m，不同巖土層作業效率不同，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“頭腦風暴”的形式，就影響冬季城區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)，對其進行對比分析，認為其中有2條為主要因素，分別是：

(1)凍土融化方法不當；

(2)孔壁支護方法不當。

表3 要因分析論證

4 改進挖探效率的措施

4.1 解決目標

針對凍土融化方法不當、孔壁支護方法不當等兩個主要因素，制定了相應的對策(見表4)。

4.2 改進凍土融化方法

(1)制作凍土融化設備

表4 解決目標

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

圖2 改進的融化設備示意(單位：m)

(2)備置優質熱源

采購高熱量、低硫、燃燒時不冒煙的無煙煤塊，通過煤塊燃燒效果對比，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備的金屬桶中并點燃，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 改進洞壁支護方式

(1)套管

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

(2)優化套管連接方式

對長PE管進行分節加工(切割成長約80 cm)，各節PE管兩端分別打兩個孔，通過鋼絲連接(見圖3)。

圖3 塑料套管對接示意(單位：m)

(3)套管支護操作

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

5 季節性凍土挖探效果分析

為了驗證新裝置的挖探效率，對某凍土區域的16孔挖探數據進行分析，其結果統計如表5。

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

表5 探洞開挖作業效率統計

注：①挖組每組2人;②采用新熱源。

6 結論

(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、操作相對安全的優點。

(2)融化設備自帶煤渣收集器，煤渣不易掉入探洞中，可提高作業效率。

(3)采用了改進的套管連接方式，增加了孔壁強度，便于地表挖探人員作業。

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