砂巖地層深基坑機械法施工研究

王清海

中鐵二十二局集團軌道工程有限公司 北京 100000

砂巖地層是一種常見的地質條件，其工程性質復雜，施工難度較大。深基坑的施工對于建筑工程的順利進行具有重要意義。傳統的砂巖地層深基坑施工主要依賴于人工挖掘，存在著工期長、效率低、施工質量難以保證等問題。因此，研究砂巖地層深基坑機械法施工具有重要的實際意義。

1 巖石臂挖掘機概述

1.1 巖石臂挖掘機構成

巖石臂挖掘機是一種專門用于巖石挖掘的工程機械設備。它具有高效、精確的挖掘能力，適用于砂巖地層深基坑的施工。巖石臂挖掘機主要由挖掘機主體、巖石臂、鉆桿和鉆頭等部分組成，通過巖石臂的旋轉和挖掘機主體的移動實現對砂巖地層的挖掘。

1.2 工藝原理

巖石臂挖機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破碎。這是一種高效、強大的挖掘破碎技術，廣泛應用于各類建筑工程中，尤其在山地、丘陵等復雜地形中表現出色。在實際應用中，巖石臂挖機的破碎原理具有顯著的優勢。首先，這種破碎方式能夠快速、高效地破碎大量巖石，提高挖掘效率。其次，精確的控制使得破碎過程更加安全、可靠，降低操作人員的工作強度和風險。此外，巖石臂挖機還具有廣泛的應用范圍，可以適應不同類型和硬度的巖石，以及各種不同的工作環境。然而，盡管巖石臂挖機的破碎原理具有許多優點，但在實際操作中還需要注意一些問題。例如，操作人員需要具備專業的技能和經驗，以確保正確的操作和合理的使用。此外，對于不同類型和硬度的巖石，可能需要調整挖掘機的參數和操作方法，以確保有效的破碎效果。

2 砂巖地層深基坑巖石臂挖掘機施工特點

砂巖地層深基坑巖石臂挖掘機施工具有以下特點：

（1）高效快速：巖石臂挖掘機具備高效的挖掘能力，這使得它能在短時間內完成大量的挖掘工作，進而有效地提高施工效率。在城市改造、地下空間開發等需要大量挖掘的工程中，巖石臂挖掘機的優勢尤為凸顯。（2）精確控制：巖石臂挖掘機能夠通過操作挖掘機主體的移動和巖石臂的旋轉，可以實現對挖掘位置和深度的精確控制，這使得挖掘過程更加準確無誤，同時也能減少對周圍環境的破壞，提高施工安全性。（3）適應性強：實際施工中，能夠根據不同的地質條件和挖掘要求，選擇合適的巖石臂挖掘機型號和挖掘工藝。它可以適應各種地質環境和巖石性質，如砂巖地層，能夠有效地應對不同的挖掘難度和挖掘深度。（4）施工質量高：巖石臂挖掘機具備精確的挖掘能力和穩定的操作性能，能夠保證施工的質量和穩定性。它能夠準確地控制挖掘的形狀和尺寸，確保挖掘面的光滑度和平整度，從而提高基坑的穩定性和施工質量。同時，由于其強大的挖掘能力，可以顯著縮短施工周期，降低工程成本。

3 砂巖地層深基坑巖石臂挖掘機施工要點

3.1 工程概況

成都軌道交通18號線三期工程官堰站為成都軌道交通18號線三期工程終點站，位于簡陽市石板凳鎮官堰村四組，機場高速北側兩條規劃路交叉口，為地下兩層三跨14m島式明挖車站，車站右線總長度500m。車站基坑深14.40～32.5m，寬27.5～40.06m，車站標準段主體結構位于中風化～強風化巖層中，主要采用放坡開挖的圍護結構形式，局部軟土較厚段采用圍護樁+內支撐的支護方法。基底主要巖層為泥巖及砂巖，采用巖石臂開挖基坑縮短了施工工期，并降低造價，也為類似工程的施工提供借鑒。

3.2 地質條件

中等風化砂巖（J3p）：紅褐色、淺灰色、紫紅色，中厚層狀。砂質結構，中厚層狀構造，節理隙較發育，巖質較硬，錘擊聲脆，易擊斷。部分地段軟弱夾層或差異風化明顯，易風化，遇水易軟化。巖芯多呈柱狀，少量呈碎塊狀。根據室內試驗：天然密度ρ=2.23～2.54g/cm3，天然含水率w=5.68～9.93%，天然抗壓強度4.2～24.75MPa（標準值：15.7 MPa），自由浸水飽和抗壓強度1.32～27.5MPa（標準值：12.35 MPa），在場地廣泛分布。

3.3 工藝流程

在石方開挖的施工過程中，施工人員采取了自上而下、分層開挖、同步支護的施工策略[1]。采用巖石臂挖掘機進行砂巖地層深基坑開挖施工流程見圖1所示。

圖1 巖石臂挖掘機施工示意圖

3.4 基坑開挖

3.4.1 施工準備

在施工開始之前，必須進行詳盡的施工準備工作。這不僅包括對施工圖紙的熟悉和理解，還要對施工現場進行詳細的勘察和評估。在準備工作中，應特別注意對施工基坑周邊的環境進行全面的調查和研究，以便在后續的施工過程中能夠順利地進行土方開挖和截水溝的修建。

其中，施工基坑周邊的截水溝是一項重要的準備工作。在雨季施工時，能夠有效地防止地表水流入基坑，從而保證施工的順利進行。在修建截水溝時，應根據現場的地形、地質條件以及施工圖紙的要求進行合理的設計和施工。同時，為了確保截水溝的施工質量和使用效果，還需要在施工過程中嚴格控制施工工藝和質量標準[2]。

在完成施工準備后，接下來就是按照圖紙分段開挖至設計場坪標高。在開挖過程中，應遵循圖紙設計的開挖順序和坡度要求，并密切關注施工現場的地質情況和安全狀況。當遇到地質條件突變或者存在安全隱患時，應及時采取措施進行處理，以確保施工的順利進行。

3.4.2 按照圖紙設置排水溝、擋水坎、標準圍擋

開挖至場坪標高后，按照圖紙要求進行以下工作：

（1）設置排水溝：根據圖紙要求，在場坪周邊適當位置挖掘排水溝，確保場坪排水暢通。排水溝應具備良好的排水能力，防止積水。（2）設置擋水坎：在場坪邊緣設置擋水坎，用于防止雨水流入場坪，確保場坪干燥。擋水坎應具備良好的防水效果，防止水滲透。（3）構建標準圍擋：根據圖紙要求，搭建標準圍擋，用于圍合場坪區域。標準圍擋應具備穩固性和安全性，確保場坪區域的安全使用。（4）便道混凝土硬化：對于場坪周邊的便道，進行混凝土硬化處理，增加便道的承載能力和耐久性。混凝土硬化應按照標準施工，確保便道平整牢固。

3.4.3 抗拔樁施工

在砂巖地層深基坑開挖施工中，為了增強場坪的穩定性和承載能力，需根據實際施工需要進行抗拔樁支護施工，以確保場坪在使用過程中不會發生沉降、變形等問題。抗拔樁施工的要點如下：

（1）方案設計：根據場坪的特點和需要，制定抗拔樁施工方案。方案應考慮樁的數量、位置、深度和直徑等要素，確保樁基能夠有效地抵抗外力和承載荷載。（2）施工準備：在施工前，需要準備好所需的材料、設備和人力資源。包括樁材、鋼筋、混凝土、振動錘、鉆機等工具和設備。（3）樁基施工：根據設計要求，在場坪標高位置鉆孔并安裝樁材。鉆孔的深度和直徑應根據設計要求確定，確保樁材能夠深入穩定的地層。（4）鋼筋加固：在樁材安裝完成后，根據設計要求進行鋼筋加固。鋼筋應按照規范進行布置和固定，以增強樁基的抗拉能力和穩定性。（5）混凝土灌注：在鋼筋加固完成后，進行混凝土灌注。混凝土應按照施工規范進行配制和澆筑，確保樁基的牢固性和穩定性。（6）樁頂處理：待混凝土充分凝固后，對樁頂進行必要的處理。處理方式可根據實際情況選擇，如修剪、打磨等，以確保樁頂平整牢固。（7）檢驗驗收：完成抗拔樁施工后，進行驗收工作。驗收應嚴格按照設計要求和施工規范進行，確保樁基的質量和穩定性。

3.4.4 土方開挖

在建筑工地上，挖掘土地是一項至關重要的任務，現場土方開挖見圖2所示。首先，挖掘工作按照設計要求進行，邊坡掛網及噴射混凝土護坡的措施有序展開，以確保土方開挖過程中的安全與穩定。

圖2 現場松土施工

兩側掛網噴混平臺開挖至場坪下2m后，工程便進入掛網噴混施工階段。掛網噴混技術是一種有效的邊坡防護方法，通過噴射混凝土和掛網的方式，為邊坡提供堅固的保護。在這個過程中，每層放坡的坡腳處都設置了臨時的截水溝，與坡腳保持至少0.5m的距離。這樣設計可以有效地截留水流，防止水分對邊坡造成損害[3]。

為了更好地排水，施工人員在沿排水溝每隔15m設置一個臨時的集水井。這些集水井就像一個個小小的水庫，收集并排放地下水，防止地下水對邊坡造成損害。在掛網噴混施工等待強度的時間里，施工人員著手進行中部土方的開挖。在這個過程中，施工人員始終關注邊坡的穩定性，防范土方的塌方。

當兩側掛網噴混達到設計強度后，施工人員繼續進行下層土方的開挖。每次取土的厚度控制在2～3m之間，這樣的厚度既保證了邊坡的穩定性，又不會給土方帶來過大的壓力。在這個過程中，施工人員在基坑的中部隨著開挖進度設置了一個坡度為10%的便道。這個便道就像一條康莊大道，為施工車輛的進出提供了便利，提高了施工效率。重復步序3、4開挖方法進行下層土方開挖。

3.4.5 掛網噴混施工

在挖掘深基坑的過程中，為了保護基坑底部不受擾動，施工人員采取了特殊的施工方法。當挖掘平臺開挖至距離基坑底0.3m時，施工人員停止了挖掘。為了防止基底受到擾動，施工人員采用挖機配合人工進行清理。在清理過程中，施工人員進行了掛網噴混施工，這是一種有效的防護措施，可以防止基坑底部受到水侵蝕和風化。

在挖掘過程中，施工人員還設置了便道以便于人員和物資的運輸。便道位于基坑中部，坡度為10%，這樣可以在保證安全的前提下，提高運輸效率。此外，施工人員還進行了排水溝施工，以確保基坑內的水能夠及時排出，防止積水對基坑底部的穩定性造成影響[4]。

在完成基坑挖掘后，施工人員對基底進行了驗槽。驗槽是對基底質量的最后一道把關，施工人員仔細檢查了基底的平整度、強度和穩定性。在確認基底質量合格后，施工人員才進行了后續的施工工作。

3.4.6 抗拔樁破除樁頭、施作樁帽

在建筑工程中，抗拔樁是一種重要的結構形式，用于抵抗外部荷載和自然力的作用。在抗拔樁施工完成后，需要破除樁頭并進行樁帽施工。這一環節不僅涉及到工程的外觀質量，還對整個結構的穩定性有著至關重要的影響。

在破除樁頭之前，需要對樁頭進行清理，確保沒有雜質和污染物。破除的方法可以根據具體情況選擇，一般包括人工破除和機械破除兩種方式。人工破除適用于樁頭較小的工程，可以通過錘子和鑿子的配合使用將樁頭敲掉。機械破除適用于樁頭較大的工程，可以通過使用切割機、鉆機等設備將樁頭割除。

在破除樁頭后，需要進行樁帽施工。樁帽是抗拔樁的重要組成部分，可以有效地傳遞和分散上部荷載。樁帽的施工需要根據設計要求進行，一般包括鋼筋的綁扎、模板的支設、混凝土的澆筑和養護等環節。在施工過程中，需要嚴格控制鋼筋的數量、規格、布置和連接方式，確保樁帽的承載力和穩定性符合設計要求。

此外，在墊層、防水、底板等施工環節中，也需要對抗拔樁進行相應的處理。例如，在墊層施工時，需要將墊層材料鋪設平整、密實，確保墊層的質量和穩定性；在防水施工時，需要對樁頭進行防水處理，防止地下水和雨水的侵蝕；在底板施工時，需要將底板與樁帽連接牢固，確保結構的整體穩定性。

3.5 效益分析

3.5.1 經濟效益

為驗證巖石臂挖掘機開挖深基坑施工的經濟效益情況，將該方法與爆破法進行了對比分析，具體見表1。

表1 兩種施工方法經濟效益對比

從表1中可以看出，兩種施工方法經濟效益對比，采用巖石臂挖掘機進行開挖的費用為14.8元/立方，而爆破法費用為24.68元/立方，前者經濟效益明顯。同時，相比巖石臂開挖，爆破具有危險性大、振動影響大、審批流程多、專業性強、炸藥采購、運輸、存儲安全風險高、鉆孔爆破工序多、影響鄰近區域的生產生活等。而巖石臂開挖既沒有污染，投入成本比破碎錘低很多，非常適用于本工程的地層地質。

3.5.2 社會效益

（1）巖石臂挖掘機開挖法可實現多種機械組合開挖堅硬巖石基坑，較一般常規開挖施工而言，是一種技術上的突破，雖然由于地理位置導致的施工不便，場地受限等因素限制，但依據此方案，不僅顯著的節約了工期，還保障了周邊建筑的安全，為今后同類型的工程提供了參考依據。（2）巖石臂挖掘機開挖法是采用多種機械組合開挖施工，減小了對周邊建筑的破壞和影響，能給老百姓留下良好的口碑。

4 結論

砂巖地層深基坑機械法施工是提高施工效率和保證施工質量的重要手段。巖石臂挖掘機具有高效、精確的挖掘能力，適用于砂巖地層深基坑的施工。在施工過程中，要注意合理選擇挖掘機型號、控制挖掘速度和力度，以及進行地質勘察和監測，以保證施工的安全和穩定。