繩鋸切割配合破碎錘在巖石開挖中的應用

莫大源，閆志勇，謝世班

（廣西建工集團海河水利建設有限責任公司，南寧 530000）

1 工程概況

賀州市金泰湖水生態綜合治理工程位于賀州市中心城區，黃田鎮排洪河上游的分支上，生態新城核心區中部，金泰湖總占地面積為0.35 km2。工程建設內容：新建金泰湖一座、金泰湖護岸、整治育才河、新建育才河護岸、新建育才河液壓升降壩一座。工程區出露地層變化較大，主要有泥盆系（D）、石炭系下統（C1）、下侏羅統（J1）、下第三系（E）和第四系（Q4），主要為砂巖、灰巖、白云巖和花崗巖。工程施工重點、難點為石方開挖，石方開挖量達70 多萬m3，平均開挖深度3.7 m。石方開挖區附近有加油站、居民區、城市主干道，附近建筑物距離石方開挖區最近處不到30 m。根據城市管理要求，該區域為禁爆區。因此，石方開挖只能采用靜態爆破或機械破碎開挖。

2 石方開挖方案選擇

傳統的禁爆區石方開挖方法有機械破碎法、劈裂機開挖法、膨脹劑靜態爆破法等。機械破碎法效率低，成本高（90～150元/m3）[1]，噪音大，容易擾民。劈裂機開挖法鉆孔機械投入多，劈裂機開挖分層厚度小于0.8 m，需要大量的鉆孔設備，湖底開挖高程、平整度均難以控制，前期采用了劈裂機開挖法，工效低（200 m3/ d）、成本高，嚴重影響了工程施工進度。膨脹劑靜態爆破法主要是需鉆孔多，每平方米大約需要鉆孔25 個左右[2]，效率較低，爆破周期長，污染較大，成本高。結合地質勘測資料和現場實際開挖情況，考慮巖石的整體性、巖石硬度較高、地下水及熔巖滲透水等因素，通過比較分析，采用繩鋸切割機結合破碎錘開挖巖石的施工方法。繩鋸切割是先把巖體切割成一塊塊大巖石，然后再用破碎錘進行破碎分解，巖體經切割后，破碎錘破碎分解難度大大減少，大大提高了開挖效率，且噪音也明顯降低，開挖成本也相應降低；該方法避免了爆破對周邊建筑、油庫、車輛及行人安全的影響，施工過程安全可靠，開挖基礎面平整，且適用于大部分巖石地質條件。

3 繩鋸切割機的施工原理和特點

（1）繩鋸切割機的施工原理。施工原理是先進行水平孔和垂直孔的鉆孔（水平鉆機和手風鉆鉆孔），再用金剛石繩索穿過鉆好的水平孔和垂直孔，然后把金剛石繩索連接繩鋸切割機，金剛石繩在馬達驅動下繞切割面高速研磨切割體，最后完成切割作業。金剛石繩索穿過兩個水平孔時切割的是水平面，穿過一個水平孔和一個垂直孔時切割的是垂直平面。切割出大塊巖體后，采用的液壓破碎錘進行巖塊破碎，破碎成適當的小塊后即可進行裝運，完成開挖運輸作業。

（2）繩鋸切割機的特點。繩鋸切割機體積小，造價低，操作簡便，對操作技術要求不高，移動方便，可同時布置多個工作面，工期有保證；繩鋸切割可設計四方體、長方體、三角體等多個形體，方便多種結構面的開挖。繩鋸切割機是使用金剛石單晶做為研磨串珠頭，可以對巖石等堅硬物體進行切割，污染少。切割是在液壓馬達驅動下進行，通過油管（高壓）控制，運行穩定，可以遠距離操作，連續作業。切割操作安全、噪音和震動小。

4 施工資源配置

（1）機械設備配置。一般一個工作面布置2臺水平鉆孔機、1 臺YT28 手風鉆（鉆垂直孔）、1 臺DWS-55AX-6PG 繩鋸機（切割石塊）、1 臺卡特365型液壓破碎錘（石塊破碎）、1臺1 m3挖掘機（配合破碎錘石方破碎）及1臺6 m3空壓機（供手風鉆用風）。

（2）人員配置。根據施工設備配置人員，一個工作面配置現場管理人員1人，機械操作人2人，切割工4人，鉆工3人，測量工2人（可與其他工區配合使用），其他協助配合工種4人。

5 繩鋸切割施工方法

5.1 施工工藝流程

施工工藝流程圖見圖1

5.2 施工方法

（1）測量放線。①利用經復測的控制網點，實施開挖范圍內的施工放樣。首先，加密控制網點，測放施工控制基準點；②開挖工程施工放樣使用經檢定合格的全站儀，直接由等級控制點或由加密點進行放樣；③施工過程中，要經常測量基礎輪廓點及散點，檢查開挖部位的超欠挖情況并以實地標出。邊坡放樣，除放出起鉆位置外，還應放出鉆孔的平面方向及鉆孔的角度、深度。

（2）切割塊體劃分。測量放線確定開挖區域后，再將開挖區域進行分塊，最后根據地形地貌進行開挖順序設計，若該工作面巖石側面有兩個臨空面，則直接采用正方形底面進行切割；若在該開挖工作面區域內側面只有一個臨空面，則先采用三角形底面在中間掘進，給兩邊巖石制造兩個側面臨空面，下一塊體再采用正方形底面按階梯式順序進行設計開挖。

（3）水平孔鉆孔。塊體劃分完成后，用測量儀器放樣出鉆孔中心線及開孔高程。由于鉆機鉆桿（孔徑Φ75 mm）與底座不在同一平面上，為了水平鉆孔中心線能與設計開挖面同一平面上，鉆孔機具底板安裝高程必須比設計開挖面低一定的距離，該距離為多少，根據具體鉆孔機具底板與鉆桿中心距來定。在水平鉆孔機安裝前，在水平鉆孔機安裝位置用破碎錘開鑿一定深度的條形槽以安放水平鉆孔機。水平鉆孔機要安裝牢固，并對其進行安全防護檢查后即可鉆孔。鉆水平孔時，鉆進速度先慢后快，然后保持勻速。每進尺1 m，使用測量儀器監控糾偏，以確保水平孔能按預期位置鉆進并順利和垂直孔貫通。在鉆孔過程中控制水平孔的進尺深度，以確定切割體的長度及寬度，水平度偏差控制在±3 cm以內。第一個水平孔鉆完后，用同樣的方法再在另一側同一水平面上鉆另一個水平孔與第一個水平孔連接。正常情況下，水平鉆孔孔深為12～15 m，水平鉆孔機鉆孔速度為5 m/h。

（4）垂直切割面鉆垂直孔。水平鉆孔完成后，將水平硬質管放入已造好的水平孔內，孔外露出一定長度。在巖石頂用兩根硬質桿件拉線吊鉛坨確定垂直鉆孔位置。然后使用手風鉆（孔徑Φ38 mm）鉆垂直孔。鉆垂直孔時，鉆進速度先慢后快，然后保持勻速。控制垂直孔的垂直度與孔深以確保垂直孔鉆至預期位置。每進尺1 m，利用激光儀、水平管等測量儀器監控糾偏，垂直度偏差控制在±3 cm。其開孔鉆進深度用硬質桿件刻度檢查。最后從底部兩個水平孔查看是否有氣流流出，有則說明已與水平孔貫通。正常情況下，垂直鉆孔速度為4 m/h。

（5）孔內穿接金剛石串珠繩。水平孔和垂直孔鉆孔完成并貫通后，在硬質管一端固定上一段鐵件，用硬質管帶鐵件一頭從水平孔外伸向垂直孔底部，在垂直孔上用耐磨尼龍繩綁上一塊強力磁鐵往下放，磁鐵吸住鐵件后即可將水平硬質管（端頭帶鐵件）帶動尼龍繩拉出孔外，另一個水平孔也使用同樣方法，然后用兩條已穿孔的尼龍繩綁住金剛石串珠繩兩端分別拉向兩個水平孔穿過孔內，在孔外采用金剛石串珠繩連接器進行連接。垂直面切割孔內穿接金剛石串珠繩方法與水平面切割孔內穿接金剛石串珠繩相同。

（6）安裝繩鋸機。切割機導軌水平架設，并墊平穩固。導向輪一定要安裝穩固，且保證輪和水平孔在同一高程，嚴格按精度要求安裝，以確保切割面的精準度，避免超欠挖，保證切割效率。

（7）金剛石串珠繩與繩鋸機連接。根據已設計劃分塊體形狀，將金剛石繩索按順序繞在主動輪及輔助輪上，繩子的方向和主動輪驅動方向相同。采用金剛石繩鋸專用液壓鉗，將鋼質活接接頭扣壓緊，接頭和相鄰的串珠要無縫隙。

（8）開機切割。先切割水平底面，固定導軌，然后將主機安放至導軌上，確認金剛繩活接好后，接通電源即可切割。啟動控制盤調整主動輪使金剛石繩適當繃緊，啟動切割機，驅動主動輪帶動金剛石繩索切割。切割時采用冷卻水冷卻。切割過程中要注意觀察切割機及導軌的穩定情況，如導向輪偏移時，要及時調整，以確保金剛石繩索在同一平面內。金剛石繩鋸主機通過導軌后退進行切割，循環后退，每次進尺6 m 后又重新接繩鋸。金剛石繩鋸機將水平底面切割好后，再切割垂直立面。切割垂直立面時可先切割一面，待半小時后，加入另一臺繩鋸機設備，即可同時切割相鄰兩個垂直面，切割速度8～10 m2/h。

（9）破碎錘破碎。由繩鋸切割機切割巖石完成后，即可用破碎錘配合液壓反鏟挖掘機進行破碎開挖，根據開挖面積進行配置破碎錘，一般為1 臺CAT365 液壓破碎錘配合1 臺1 m3斗容的液壓反鏟挖掘機。破碎錘碎巖石后，由液壓反鏟挖掘機進行清理出工作面，以增加破碎錘開挖效率。正常情況下破碎錘破碎效率為350 m3/d。

6 質量控制

（1）嚴格按照相關施工規范以及施工圖的要求進行施工。

（2）施工前，認真察看工程處地質勘察資料，查明地質構造、巖性、巖石風化層厚度、風化程度、破碎程度、軟弱夾層情況和地下水的狀態，做好技術交底。

（3）切割面鉆孔時，使用測量儀器監控垂直度、水平度及進尺深度，發現偏差大于±3 cm時，及時糾偏。

（4）切割過程中保證金剛石繩運轉速度在30 m/s 左右，可通過操作控制盤調整切割參數來達到控制運轉速度。切割過程中要確保足夠的沖洗液，以確保對切割繩的冷卻，確保能把磨削下來的粉屑帶走。

（5）巖塊清理后要校核分塊基坑的尺寸、深度，出現偏差時應及時糾正，確保開挖面滿足設計要求。

7 安全措施

（1）嚴格執行有關施工現場安全管理的法律、法規，針對工程特點、施工方法、施工環境，編制切實可行的安全管理制度，做好安全技術交底。

（2）切割過程中，繩子運動方向的前方必須使用安全防護設施進行安全防護，并在施工區域內設置安全警示標志。

（3）經常對機械設備進行檢查、保養，確保機械狀況良好，經常檢查金剛石串珠連接是否牢固，防止機械事故發生。

（4）如遇到發生卡繩、斷繩等現象要有相應應急預案。防止斷掉的金剛石繩串珠傷人。

（5）切割過程中通過操作控制盤調整切割參數，確保金剛石繩運轉線速度在30 m/s 左右，要有一定的富余度，防止鋸繩斷裂傷人。

8 效益分析

8.1 經濟效益分析

對劈裂機結合破碎錘開挖法與繩鋸切割結合破碎錘開挖法進行施工成本對比分析，結果見表1。

由表1 可知，采用繩鋸切割結合破碎錘開挖法比采用劈裂機結合破碎錘開挖法節約成本約10元/m3。賀州市金泰湖水生態綜合治理工程石方開挖量達70 多萬m3，可節約成本約700 萬元，經濟效益明顯。

表1 石方開挖施工成本分析對比表

8.2 工期效益分析

劈裂機結合破碎錘開挖法每個作業面施工效率為200 m3/d，而繩鋸切割結合破碎錘開挖法每個作業面施工效率為350 m3/d。繩鋸切割施工設備費相對較低，且為小型小備，一個工區可布置多套切割和鉆孔設備，繩鋸切割施工方法效率更高、工期更短，工期效益更明顯。

8.3 社會效益分析

禁爆區采用繩鋸切割結合破碎錘開挖巖石施工，保證了禁爆區巖石開挖的施工進度和安全，質量有保證。鉆孔相對較少，減少了鉆孔粉塵及噪音的污染，降低了對周圍居民及環境的影響，社會效益顯著。

9 結語

禁爆區采用繩鋸切割結合破碎錘開挖巖石施工方法，操作簡便、安全高效、外觀質量高、縮短工期、節約施工成本，經濟效益、工期效益和社會效益顯著，采用繩鋸切割結合破碎錘開挖巖石施工方法在禁爆區施工中有較大的推廣價值。