路基土石方機械破碎設備選型研究

摘" 要：近年來應用廣泛的挖掘機巖石臂是風化石、頁巖、紅砂巖和石灰巖等挖掘破碎的利器。較于傳統的破碎錘及爆破作業，具有高效率、低成本的特點。以儀隴縣宜居縣城建設PPP項目迎賓大道路基土石方開挖施工為例，對在30 MPa以內的石方機械破碎方案進行比選，為同類工程土石方施工方案比選及機械設備選型提供借鑒。

關鍵詞：石方明挖；挖掘機巖石臂；破碎錘；切削鉆；靜態爆破

中圖分類號：TH16" " " "文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）10-0079-04

Abstract： In recent years， the widely used rock arm excavator is a sharp tool for digging and breaking wind fossils， shale， red sandstone， limestone and so on. Compared with the traditional crushing hammer and blasting operation， it has the characteristics of high efficiency and low cost. Taking the roadbed earthwork excavation construction of Yingbin Road in the livable county seat of Yilong County as an example， the stone mechanical crushing schemes within 30 MPa are compared and selected， which can provide reference for the comparison and selection of earthwork construction schemes and mechanical equipment of similar projects.

Keywords： stone open excavation; excavator rock arm; crushing hammer; cutting drill; static blasting

隨著我國交通需求量持續增大，交通總量不斷上升，高速公路擴建、城市市政道路拓寬改造類型項目建設體量也在持續增長。而在道路拓寬改造中，為保證既有道路交通通行，常采取局部占道施工的形式，不允許進行爆破作業。在此背景下靜態爆破、靜態機械爆破和機械破碎等方式逐步開始應用，而因對機械功效的了解程度不夠透徹，方案的比選及機械的選型對施工單位而言始終為一個難點。本文以儀隴縣宜居縣城建設PPP項目迎賓大道路基土石方開挖施工為例，對砂巖、泥巖工程地質情況下的大噸位挖掘機、破碎錘、巖石臂、切削鉆和液壓劈石機等機械進行實地比選分析。

1" 工程概況

迎賓大道道路提升改造項目位于四川省南充市儀隴縣，道路總長5.93 km。建設內容為將既有的40 m雙向4車道城市主干路兩側拓寬為58 m的雙向6車道的城市主干路，路基土石方挖方269萬m3，填方89萬m3。項目場地位于川中北西向褶皺帶，巖石主要有砂巖、泥巖，物理力學性質差異性較大，場地內巖層產狀呈近水平狀，邊坡的巖土性質變化較大。根據地勘資料，該段落地層巖性及其物理力學性質參數詳見表1。

因項目地處市區，施工期間需保證既有道路通行，無法采取爆破施工，故路基石方明挖作業采取機械作業的方式。K3+100-K3+700段邊坡最大高度達到69 m，最高邊坡9級，段落挖方數量約140萬m3，該段落挖方主要為砂巖、頁巖，巖石單軸天然抗壓強度為5～37.3 MPa。因該段落巖層界面清晰，且基本呈水平狀，隨著路基開挖的深入，地質情況也隨之改變，故需對石方明挖機械設備進行合理選型以匹配各類工況，以實現保證工期、控制成本的目標。

2" 路基石方破碎機械簡介

2.1" 大型挖掘機

挖掘機作為土石方開挖的首選機械，適用于極軟巖及較破碎的石方開挖，西南地區多泥巖、泥質砂巖、頁巖，按GB 50218—94《工程巖體分級標準》均屬軟質巖石，強度較低，40 t以上的大型挖掘機在西南區域強風化的泥巖、砂巖、頁巖施工中得以大規模運用，對于部分中風化泥質砂巖可采取60 t甚至80 t以上的大型挖掘機，但遇到巖體強度10 MPa以上的巖層采用大型挖掘機功效較低。

2.2" 液壓破碎錘

破碎錘俗稱炮頭，作為挖掘機可換工作裝置，其原理是利用高頻率的沖擊破碎既大又硬的脆性物體，適用于建筑混凝土拆除、大塊石頭破碎和混凝土路面破除等。對于風化程度低、巖體裂隙較少的山體開挖，破碎錘因作用深度淺、效率低和成本高等缺點，在大體量石方路基機械破碎中運用較少，多用于爆破后的二次石方解小。

2.3" 挖掘機松土器（傳統巖石臂）

松土器即鷹嘴鉤，是挖掘機或推土機配套的破碎、 翻松功能的可換工作裝置，有單齒斗鉤、雙齒斗鉤和雙齒斗鉤等多種類型，其中單齒斗鉤是最常見的一種。其主要優點為作用力大、耐用、高效，常用來對巖石進行松動，因松土器安裝僅替換挖掘機鏟斗，仍存在挖掘機小臂整體剛性較小的問題，對于10 MPa以上巖石開挖受其性能影響功效極低，長時間作業易造成挖掘機液壓系統損壞的情況，故多用于一般土或軟巖的松動，不適用于大體量的路基石方開挖作業。

2.4" 挖掘機巖石臂

巖石臂又稱鉤機鷹嘴臂、超級勾、穿山甲、金剛臂和實心臂（圖1），2012年前后開始投入實際工程使用，在近10年的發展中，機械廠家對巖石臂的設計加工進行了多次迭代升級。目前市場上巖石臂有一體式巖石臂和傳統巖石臂（即挖掘機松土器），相對于傳統的巖石臂，一體式巖石臂的設計取消了鏟斗油缸，將小臂和松土器連為一體，使前臂形成一個整體的臂，同時對大臂進行了縮短和加粗加重，并將大小臂均采用實心臂設計，很大程度增加了挖掘機的挖掘力度以應對更強的沖擊力。巖石臂的破碎原理就是在沉重的大小臂的重力作用下，利用前端的尖狀勾對巖石進行暴力破碎，開挖效率高，通過增加自重來提升松土器的破壞力。巖石臂適用范圍為硬土處理及碎石、次堅石、風化巖的粉碎；適用場合為石場、礦場、煤場及特殊場合。

2.5" 挖掘機改潛孔鉆（切削鉆、沖擊鉆）

通過對挖掘機大小臂進行改造，更換工作裝置為潛孔鉆、切削鉆機或沖擊鉆機。其原理為利用沖擊器高速的沖擊頻率將巖石打碎，同時旋轉鉆桿帶動鉆頭將石頭研磨為粉末狀，再利用風壓將灰塵排出達到鉆孔效果。因挖掘機改潛孔鉆與傳統履帶式潛孔鉆相比，具備較好的機動能力及較高功效，在石方路基明挖機械作業中對于巖體較為完整。遇到強度在20 MPa以上的巖石，可鉆設80～200 cm的鉆孔作為巖石臂、破碎錘的著力點以增加石方開挖破碎效率，亦可作為劈石機的劈裂棒孔眼。

2.6" 液壓劈石機

劈石機又稱劈裂機、開山機和靜態破石機等，其使用原理為利用安裝在劈裂棒側的千斤頂，將劈裂棒放置于已鉆設好的孔位中，通過加壓使千斤頂將巖石在數秒至數分鐘內劈開，可使堅硬的巖石從山體中按預定方向分離。液壓劈石機在膨脹劑靜態破碎具備的無振動、無沖擊、無噪音、無粉塵的基礎之上使巖石劈裂效率得到巨大提升，可通過調整液壓千斤頂性能使其適用于各類堅硬巖石的破碎。

3" 路基石方破碎機械選配

結合該項目實際情況及當地機械市場租賃行情，因石方破碎不可采用爆破方式，而巖石強度范圍為5～40 MPa，對石方破碎擬采取大型挖掘機、挖掘機巖石臂、挖掘機改潛孔鉆+挖掘機巖石臂3種方式實施。

1）對于20 MPa以內的軟弱巖石，因四川區域大型挖掘機、巖石臂數量較多，設備型號、種類齊全，租賃較為方便，故選用大型挖掘機、挖掘機巖石臂的組合進行機械破碎。

2）對于20 MPa以上較為致密巖層，巖石臂功效低的情況，采用挖掘機改沖擊鉆鉆孔+巖石臂開挖的方式進行，結合地質情況及配合的巖石臂型號，可采用40 cm×40 cm至100 cm×100 cm方格網形式布置，鉆孔深度0.6～1 m，鉆孔需同巖石平面呈30°～40°傾角，便于巖石臂松土器作為著力點用以松動巖石。

對于該方案功效分析需考慮巖層強度、鉆孔時間、鉆孔密度、巖石臂型號和巖石臂破碎時間等。為便于功效分析，僅考慮采用三一SANY-335c-8型挖掘機改潛孔鉆+SANY-550H挖掘機改巖石臂作為組合進行功效分析，對巖體強度20～40 MPa范圍內的石方鉆孔布置采取80 cm×80 cm方格網形式，孔深1 m。經現場試驗，單孔鉆孔時間約20～30 s，取中間值25 s，扣除挖掘機沖擊鉆就位、移動等時間，取工作效率為0.8，則鉆孔功效為115孔/h，鉆孔面積為60 m2。在通過沖擊鉆造孔后，采用50 t巖石臂進行破碎，破碎功效約為150～220 m3/h。但存在巖石臂功效遠大于挖掘機改潛孔鉆功效，1臺巖石臂需配置2臺挖掘機改潛孔鉆。

3）液壓劈石機+巖石臂。因該項目巖石強度為5～37.3 MPa，采用挖掘機或巖石臂可實現破碎，且液壓劈石機主要用于大體量山體的分離，破碎后形成的石塊較大，仍需采用巖石臂或破碎錘進行解小，故不考慮液壓劈石機方案。

4" 路基石方破碎機械成本分析

結合機械設備功效分析，對上述擬選用破碎機械進行成本分析，設備采用租賃形式，租賃費用及柴油費用按照2022年6月份南充市當地市場詢價確定，設備月定額臺班選定270 h/月，機械操作手由租賃公司配備。在上述前提下，結合現場實際施工所收集的數據統計柴油使用數量，匯總石方破碎機械臺班費用，見表2。

5" 路基石方破碎機械功效分析

結合該項目實際情況，因石方破碎不可采用爆破，而巖石強度范圍為5～40 MPa，對石方破碎擬采取大型挖掘機、挖掘機巖石臂、挖掘機改潛孔鉆+挖掘機巖石臂3種方式實施。為進一步了解上述設備組合性能，結合現場施工收集的相關信息對各類巖層破碎效率、破碎成本進行匯總，見表3。

結合功效分析可得出下述結論。

1）40 t、60 t級別的大型挖機用作石方破碎因受性能限制，石方破碎效率低；80 t級別的大型挖掘機石方破碎效率與60 t巖石臂相近，但破碎成本更高。大型挖掘機其破碎功效較挖掘機巖石臂相比較低，隨著挖掘機、巖石臂的型號增大其功效也相應增大。

2）隨挖掘機、巖石臂型號的增大，其破碎效率、破碎平均成本均有所降低。但對于強度在20 MPa以上的各類巖層，50 t、60 t巖石臂的效率已十分低下，需配置80 t巖石臂方可滿足施工破碎效率要求。

3）潛孔鉆與巖石臂組合可適用于30 MPa以上的巖層破碎。綜合破碎成本較巖石臂低，但潛孔鉆造孔效率與巖石臂相比較為低下，需合理配置潛孔鉆、巖石臂組合。

6" 確定石方機械破碎機械選型

該項目路基石方巖石強度跨度為5～25 MPa，且巖層產狀呈近水平狀，各類砂巖、泥巖通過肉眼即可辨別其大致強度。通過石方機械破碎機械設備的效率分析、成本分析及現場實地試驗，對石方機械破碎選型確定如下方案。

1）強度在5 MPa范圍內的巖石，配置40 t、50 t巖石臂進行機械破碎，在該強度范圍內的巖石破碎中，40 t巖石臂破碎效率約為80 t巖石臂的1/2，多臺設備可多點同步作業，可增加石方運輸效率。

2）強度在5～15 MPa范圍內的巖石，配置60 t巖石臂或80 t挖掘機進行機械破碎，其中80 t挖掘機破碎成本較高，可在石方機械破碎后期進場，以石方破碎作業為主，配合石方裝運，合理調配工序，保證其使用效率。

3）強度在15～25 MPa范圍內的巖石，配置80 t巖石臂進行破碎，在該強度范圍內其破碎功效仍可保持在100 m3/h以上，且性能穩定，在通過該類巖層后可繼續破碎其余低強度巖石。

4）強度在25 MPa以上的巖石，配置挖掘機改潛孔鉆+50 t巖石臂作業，該配置在40 MPa以內巖層適用，但功效較低，需合理組織，通常情況采取挖掘機改潛孔鉆不間斷作業，巖石臂僅在日間施工，以降低窩工造成成本增加的情況。

5）對于巖質邊坡刷坡，40 t巖石臂可適用于各類巖石，在石方機械破碎或爆破破碎中可推廣巖石臂刷坡。

7" 結束語

隨著技術水平提升，機械設備更新迭代速度也愈加快速。巖石臂、液壓劈石機目前已廣泛運用于西南、東北地區的路基機械破碎、礦山開采等，石方機械破碎與傳統的爆破作業相比雖功效降低，但其安全風險極大程度降低。該項目石方破碎機械選型及研究，可為城市道路新改建及高速公路拓寬中的同類項目提供借鑒。

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