一種新型的振動裂石機巖石開挖方法與傳統(tǒng)非爆破巖石開挖方法對比研究

摘? 要：本文結(jié)合振動裂石機的施工經(jīng)驗總結(jié)，與其他非爆破開挖施工的方法的對比，闡述了振動裂石機這種新的非爆破開挖施工方法的特點、優(yōu)缺點及適用范圍。為該該工藝的推廣及應(yīng)用提供參考，為非爆破開挖工程提供更多的選擇。

關(guān)鍵詞：非爆破;巖石開挖;裂石機;振動破碎

中圖分類號：U416? 文獻標識碼：A??? 文章編號：2096-6903（2021）08-0000-00

0前言

進入二十一世紀以來，隨著國內(nèi)外環(huán)境保護要求越來越高，舊城改造、各路網(wǎng)升級越來越多，非爆破開挖在在國內(nèi)外的應(yīng)用越來越廣泛。國內(nèi)在市政領(lǐng)域、環(huán)境保護區(qū)建設(shè)、運營結(jié)構(gòu)物或建筑物附近等的巖石開挖均要求采取非爆破開挖方式;國外歐美地區(qū)、特別是中東地區(qū)爆炸物的使用極為嚴格，非爆破開挖的需求很大。

目前在國內(nèi)外，非爆破巖石開挖施工常用的方法主要有破碎錘開挖方法、巖石劈裂機開挖方法、切割法、銑刨機法。近幾年在國內(nèi)興起了一種新的非爆破巖石開挖施工方法，主要依靠強力振動裂石機，這里稱為“振動裂石機法”，該設(shè)備主要依靠共振原理破碎巖石。下面我們對以上方法做依次介紹，并作對比分析。

1 常用非爆破巖石開挖施工方法

1.1液壓破碎錘開挖方法

液壓破碎錘最為破碎巖石工具，可以與挖掘機、挖掘裝載機、輪式裝載機、礦山碎石機等配套使用，土工程中主要與反鏟挖掘機配合使用。其原理通過高頻次短行程的打擊破碎巖石。

其特點是：可以配合多種液壓施工設(shè)備使用，靈活多變;適用于大多數(shù)施工環(huán)境;

缺點：施工效率相對較低，特別是對堅硬的弱風化巖石;噪音大擾民，在市政工程中的應(yīng)用局限;能耗相對較高。

1.2巖石劈裂機開挖方法

液壓劈裂機的結(jié)構(gòu)主要由兩個部分，一是分裂器，一是液壓動力站。其中分裂器是液壓劈裂機核心部分，分裂器有一個三個楔塊組成的楔塊組，中間的楔塊上寬下窄，可以上下移動。液壓動力站提供液壓動力，推動中間楔塊下行，將兩側(cè)支撐楔塊撐開，支撐楔塊作用在巖石孔內(nèi)即可分裂開巖石。

施工時，首先采用鉆孔設(shè)備或工具在巖石上鉆孔，鉆孔深度和間距根據(jù)巖石特性和巖石劈裂機的性能確定，或通過試驗確定;然后把液壓劈裂機的楔塊組放進鉆孔中，啟動液壓動力站，在中間楔塊的作用下楔塊組經(jīng)向增加，撐破巖石。

劈裂機劈裂巖石過程如下圖1。

在大面積開挖時，鉆孔設(shè)備可以采用履帶式潛孔鉆機，施工速度快;劈裂機可以安裝在反鏟挖掘機上，既為劈裂機提供動力又具有行走能力，操作方便、工效高。布孔可以采取梅花布置，多臺劈裂機按孔排布置，效率更高。

大小面積多點開挖時，可以采用反鏟挖掘機配潛孔錘打孔，再用反鏟挖掘機配劈裂機巖石，進行開挖。

其特點：原理上采取巖石劈裂，破壞的是巖石內(nèi)部應(yīng)力，工效高能耗小;劈裂機本身噪聲小，有利于在市區(qū)施工;對大規(guī)模開挖和小規(guī)模可以分別采取適用的方案，應(yīng)用面廣。

缺點：雖然劈裂機本身噪聲小，但相配合鉆孔施工噪聲污染很難避免;開挖完成后石塊較大，運輸成本相對高。

1.3切割法

切割法主要分為兩種，一種是圓盤鋸切割法，一種是繩鋸切割法。

（1）圓盤鋸切割法：顧名思義是采用圓盤鋸沿軌道切割，首先將巖石在豎直方向上切成塊狀或條狀，圓盤鋸的直徑一半不小于1m，切割深度40左右，否則工效較低。然后采用其他的輔助破碎方法將巖石破碎，如風鎬、電鎬、劈裂工具等。

特點：對周圍建筑物、構(gòu)筑物或地層的擾動小，適用于對周圍擾動要求高的情況;噪聲較小，適用于人口密集區(qū);由于是靠磨損切割巖石，工效較低、成本較高。

缺點：工效較低、成本較高，不適用于大面積的巖石開挖。

（2）繩鋸切割法：切割巖石的繩鋸主要有合金繩鋸、金剛石繩鋸。首先在巖石上定位孔，采用導向輪固定繩鋸鏈條路徑，在動力驅(qū)動器的作用下切割，過程中采用加水措施降溫。

特點：可以克服較大的巖石強度，適用于花崗巖等強度高巖石;切割面規(guī)則，適于采石的施工。

缺點：成本高、工效相對較低，不適于大面積的巖石開挖。

1.4銑刨機類開挖方法

有一種強力的開發(fā)法原理是在履帶或滾筒上安裝各種合金刀具或齒具，采用大動力將巖石切成碎屑;類似于TBM和雙輪銑槽機的切削原理。市場上有用于平面開挖的銑刨機、采礦機;有開挖溝槽用的挖溝機。如圖2、圖3所示。銑刨機原本設(shè)計用于瀝青路面的銑刨，采礦機主要用于煤礦的露天連續(xù)開采，加大機型后可用于部分巖石開采。

特點：可用于大面積的施工，工效較高。

缺點：成本極高，更換刀具齒具頻繁;故障率高;不適用于30M以上的巖石，不適用于微風化或弱風化的巖石。

1.5化學材料膨脹開挖法和氣體膨脹開挖法

這兩種方法類似于爆破，但沒有爆破時的危險，各國及地方政府對其施工限制較少，這里把這兩種方法也歸類為免爆破的開挖方法，也稱靜力爆破法。

目前化學材料膨脹法應(yīng)用最廣泛的是生石灰（即氧化鈣）作為主要膨脹劑，并摻入一定量的物催化劑，催化劑可以加劇生石灰的膨脹速度。其施工過程與爆破類似，首先在巖石上鉆孔，然后將膨脹劑裝置加入孔內(nèi)，所有布孔完成后，同時向膨脹劑裝置內(nèi)加水，此時會迅速產(chǎn)生化學反應(yīng)使孔內(nèi)體積膨脹，一般壓力可達到30Mpa～50Mpa，在這個壓力的作用下巖石破碎。

目前氣體膨脹法應(yīng)用最廣泛是以二氧化碳氣體爆破。施工方法也與傳統(tǒng)爆破類似。主要原理是液態(tài)二氧化碳向氣態(tài)轉(zhuǎn)變的過程中體積膨脹，可高達600倍，在局限空間中形成20MPa～60MPa的壓力，從而將巖石破碎。二氧化碳的相變通過化學加熱的方法。

特點：沿用了傳統(tǒng)爆破工藝的原理，減弱了爆破效果，減少了爆破不利影響。

缺點：化學材料膨脹開挖法需要在準備破裂的巖石上開出溝槽或按一定布局圖形鉆孔，然后將化學膨脹材料灌入溝槽或孔內(nèi)，膨脹材料需要一定時間進行膨脹，這種方法裂石沒有連續(xù)性，每個作業(yè)流程需要時間長、效率低，成本高;在巖石較發(fā)育的地層，膨脹力會被卸掉，無法發(fā)揮應(yīng)用有的作用。氣體膨脹開挖法成本很高，對周圍的擾動較大。

2 振動裂石機法

在傳統(tǒng)的爆破開挖中其優(yōu)點是，用于大規(guī)模大面積的開挖，成本低。以上介紹的各種非爆破開挖的方法都無法實現(xiàn)或替代爆破開挖的應(yīng)用場景。下面我們介紹一下振動裂石機巖石開挖法，在一定程度上可以替代爆破開挖。

振動裂石機巖石開挖法的核心設(shè)備是強力裂石機。強力裂石機是北京陽光五洲科技公司研發(fā)的設(shè)備，主要采用推土機作為前進動力，推土機后面設(shè)犁型裝置。運行過程中類似于農(nóng)業(yè)犁地，推土機提供動力帶動犁，犁插入巖石（40cm左右），將巖石破碎翻起。工作時，操縱操作控制裝置，使松土裂石驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動犁體產(chǎn)生非垂直于地面運動，使得犁刀進行松土裂石。犁體帶動犁刀工作不是垂直地面的運動，這樣就減小了與地面的阻力，能耗低，工作效率高，實現(xiàn)了連續(xù)機械裂石施工，替代了傳統(tǒng)爆破施工，裂石施工不產(chǎn)生環(huán)境污染、施工安全高效。

犁型結(jié)構(gòu)的破碎巖石的主要原理是在強大的拉力同時高頻振動，可調(diào)節(jié)至近似巖石共振的頻率，達到快速開挖的目的。這種高頻振動與破碎錘的振動不同。效果如圖4、圖5。

結(jié)構(gòu)：

經(jīng)試驗及應(yīng)用，該方法可以完成每小時可破裂巖石1000～3500m3，在50MPa以下的、弱風化以下巖石的產(chǎn)能較高。使用過程中配合裝載機、挖掘機裝車運輸，效率極高，可以用于采礦。

應(yīng)用：該工藝在國內(nèi)外已有不少案例，如克拉瑪依市金龍湖免爆破開挖工程、宜昌瀾山一品場平工程、宜昌夷陵萬達三期項目、宜昌點軍至長陽龍舟坪公路項目、松滋臨港工業(yè)園項目、委內(nèi)瑞拉CANTV OPSUT項目、土庫曼斯坦鐵道部通訊項目等。

特點：適用于大面積巖石開挖施工，場地越大效率越高，在復雜地址地形使用適應(yīng)性更強;推土機牽引力和推力更大，開挖速度快;推土使用轉(zhuǎn)向靈活便捷，施工方便。高頻振動共振原理充分利用巖石內(nèi)部應(yīng)力，大程度減小能耗，成本低。在復雜地址地形使用適應(yīng)性更強。

缺點：不適于小面積小規(guī)模的開挖;該產(chǎn)品為陽光五洲的專利產(chǎn)品，該公司只做承包施工不出售設(shè)備，無法快速推廣。

3 對比分析

就對于代替爆破開挖的大場景而言，傳統(tǒng)的免爆破開挖方法與振動裂石機法對比如下表1：

從整體上看，在大規(guī)模、大面積巖石開挖場景中，振動裂石機法效果最好，成本最低，是代替爆破開挖的最佳方法。

4 結(jié)語

通過以上情況的對比，我們也認識到大規(guī)模免爆破巖石開挖無法比肩爆破開挖。新型振動裂石機的出現(xiàn)及應(yīng)用很大程度上縮小了免爆破巖石開挖與爆破巖石開挖的差距。雖然由于專利保護和科技公司經(jīng)營限制，導致了目前該項施工技術(shù)沒有得到推廣;但是隨著市場需求的日益增大，該方法會得到推廣，也會有更多的企業(yè)開發(fā)類似產(chǎn)品，從而推動免爆破巖石開挖施工工藝進步。

參考文獻

[1]周立偉.一種強力松土裂石機：CN105019499A[P].2015.11.04.

[2]衛(wèi)芷，劉暉.石方基坑入巖非爆破開挖施工方法：CN 107217674 A[P].2017.09.29.

收稿日期：2021-07-05

作者簡介：王煥震（1987—），男，河北石家莊人，本科、中級工程師，研究方向：地下工程含隧道工程及基礎(chǔ)工程。

Comparative Study on a new Type of rock Excavation Method with Vibratory rock Cracker and Traditional Non-blasting rock Excavation Method

WANG Huanzhen

（China Gezhouba Group Municipal Engineering Co.， Ltd.， Yichang Hubei ?443002）

Abstract： Based on the summary of construction experience of vibrating rock cracker and comparison with other non-blasting excavation methods， this article expounds the characteristics， advantages and disadvantages and scope of application of the new non-blasting excavation method of vibrating rock cracker. It provides a reference for the promotion and application of the technology， and provides more choices for non-blasting excavation projects.

Keywords： Non-blasting; rock excavation; rock cracker; vibration crushing