深基坑开挖过程中常遇到硬度高、体积大、埋藏浅的岩体需要破碎挖除。传统炸药爆破振动大、危险性高, 在城区内或周边有重要建 (构) 筑物时往往被禁止采用, 而静力爆破费用高、药剂受天气影响大、反应时间长, 施工效率低。针对此类项目的岩石开挖特点, 提出一项新型开挖技术:利用绳锯将待破除岩体切割分块, 然后在绳锯切割缝隙安放气袋, 气袋经空压机充气膨胀后将待破除岩石向外顶推, 岩石沿裂隙发生破碎, 有效降低下一步岩石破除难度, 提高施工效率。该项技术经多个项目实践, 效果良好, 获得各方一致好评, 具有显著社会效益和经济效益。

博林腾瑞项目基坑支护工程场地位于惠州市惠阳区, 大亚湾区比亚迪南门, 龙海三路南侧, 场地北侧地下外墙线 (基础外边缘) 距红线最近处为15m, 南侧地下外墙线 (基础外边缘) 距红线最近处为16m, 东侧地下外墙线 (基础外边缘) 距红线最近处17.9m, 西侧地下外墙线 (基础外边缘) 距红线最近处9.1m。北面设地下室1层, 南面设地下室2层, 基坑实际开挖深度为2.90~6.80m。基岩类型为砂砾岩, 按基岩的风化程度可划分为如下。

1) 强风化砂砾岩褐红色, 原岩结构大部分被破坏, 裂隙较发育, 岩芯呈半岩半土状、碎块状, 中下部含多量中风化岩块, 原岩结构清晰, 岩芯碎块质软, 手可折断。破碎属极软岩, 岩体基本质量等级为Ⅴ类。

2) 中风化砂砾岩褐红色, 泥质或铁锰质胶结, 厚层状构造, 岩芯呈短柱状、柱状, 岩石为软岩, 岩体较完整, 基本质量等级为Ⅳ类。

本工法工艺原理主要表现为2部分: (1) 采用绳锯沿设计标高对岩体进行水平及竖直切割, 使待破除岩石与本体脱离, 形成临空面; (2) 将气袋置于绳锯竖向切割缝内, 采用空压机对气袋进行充气, 气袋膨胀将待破碎岩石顶推出去并沿裂隙破碎。

采用气动潜孔锤, 在岩体下部水平向及内壁竖向钻凿90mm绳锯孔, 各孔贯通、穿绳锯。

先使用绳锯切割待破除岩体底部, 如图1所示, 再分别切割岩体的2个内侧面, 如图2所示, 使之与原岩分离, 形成11mm临空面间隙。

顶推气袋采用国外进口高分子材料, 厚度为7mm。放置气袋前, 先在绳锯切割自由面两侧放置保护橡胶皮垫, 以防气袋膨胀过程中被尖锐的岩石刺破;然后选择最佳省力点将气袋置入待破除岩石与原岩的竖向绳锯切割缝中, 通过空压机不断向气袋内输送空气, 控制台压力表控制在0.3~0.4MPa, 气袋内气压不断增加膨胀, 在两侧岩石水平方向形成500~2 000k N顶推力, 将待破除岩石向外推出。

为最大限度发挥气袋的顶推效果, 当单个气袋效果不佳时, 可采用2个气袋共同顶推, 通过多个气袋、多点布置增加气袋顶推力, 从而增加单次岩石顶推量。采用2个气袋叠加放置可以将最大顶推行程增加至2m。不同方式气袋顶推破岩如图3所示。

基坑硬质岩体绳锯切割、气袋顶推开挖综合施工技术流程为:施工准备→潜孔锤竖直、水平方向钻绳锯孔→绳锯水平、竖直方向切割岩体→气袋放置、顶推→气袋放气拆除→机械破碎岩体、岩块外运。

1) 施工前对施工场地地质条件、作业环境、工程量、周边布局、工期要求、气候条件及硬岩分布、岩面标高、设计图纸等进行详细调查并分析研究。

2) 根据现场施工条件规划好绳锯钻孔位置、绳锯切割范围、气袋顶推岩体区域及挖掘机出渣场地, 合理布置流水施工, 根据工期要求配备足够的施工机械设备和作业人员。

1) 根据岩体性质、硬度、高度、设计标高及待顶推破除的岩体质量等, 对确定的依次破碎区域撒灰线, 应控制好合理的切割范围, 若切割范围太大, 绳锯花费时间长, 上部岩体质量大, 切割过程中岩石易断裂压住绳锯, 且气袋压力不足以推出已切割岩体。根据实践经验, 每次分割岩体方量宜为50m³左右。

2) 使用气动潜孔锤钻90mm竖向绳锯孔, 再沿设计标高面引90mm水平绳锯孔, 钻孔依据“先长孔、后短孔”的原则, 做好定位和水平测量。根据实践经验, 长孔控制在15~18m为宜, 过长容易偏孔, 短孔控制在5m左右, 以利于2个钻孔贯通。

1) 从长孔一端穿进绳锯, 用钩子从短孔一端拉出并与机械连接, 也可采用磁铁方式穿绳锯。

2) 绳锯切割过程中, 在已切割绳锯缝位置插入钢钎, 以免上部岩体断裂将绳锯压在岩体内。绳锯机械下铺设导轨进行导向。

1) 为保证气袋膨胀的作用力足以推出岩石, 首先应选用适当尺寸的气袋。单个气袋技术参数指标如表1所示。

2) 如单点单个气袋顶推效果不佳时, 可采用≥2个气袋配合使用, 气袋顶推距离可达1.3~2m。多个气袋共同使用需保证气袋共同发挥作用, 气袋需重叠安装;采用控制台操作同时充气, 保障气袋进气压力平衡, 以免气袋相互挤压造成损坏。

3) 气袋置入待破除岩石与原岩的竖向绳锯切割缝中需放置橡胶皮垫进行保护。胶垫伸出缝外通过石头压住固定, 防止保护垫掉落在绳锯切割缝中。

4) 将气袋、控制台、空压机连接好后启动空压机进行供气, 压力表值控制在0.3~0.4MPa。

5) 当岩石被推开5~10cm后, 在石缝中加填石块, 顶住岩体反推力, 减轻气袋压力。

气袋膨胀推出待破碎岩石后关闭进气阀。连接气袋快速放气装置, 快速放气。气体完全排出后, 取出气袋及橡胶保护垫。

1) 操作安全可靠绳锯切割过程中通过金刚绳的转动摩擦岩石达到切割效果, 整个过程安全可靠。使用气袋顶推时, 通过控制台对气袋进行加压, 当气袋压力达到其最大允许值时停止加压, 确保气袋整个膨胀过程安全可控, 顶推完成后通过快速放气装置放气。

2) 无噪声, 无扬尘, 绿色环保施工绳锯通过转动摩擦对岩石进行切割, 切割过程中持续加水润滑降噪, 可以在几乎不产生噪声的情况下完成岩石切割。气袋通过空压机充气膨胀, 整个过程匀速加压, 不产生任何噪声和扬尘, 对周边居民影响小, 同时为现场工作人员提供良好的作业环境。

3) 对周边管线及建 (构) 筑物无影响城市基坑施工过程中周边往往存在复杂管线和较多建 (构) 筑物。本技术在气袋顶推之前通过绳锯将待破除岩石与原岩分离, 再使用气袋将岩体凸出一段距离, 从而切断待破除岩体在破除过程中振动传递的介质, 实现对周边管线及建 (构) 筑物的保护。

4) 顶石气袋可反复施工, 节约成本顶推气袋使用国外进口材料和先进技术制成, 气袋充满气再放气后也不产生变形。在绳锯切割缝中采用橡胶皮垫贴于切割缝两侧用于保护气袋, 从而实现气袋的循环利用。

5) 操作步骤少, 简单易学相比于岩石明爆及静爆需要严格控制药剂的调配及使用量, 绳锯加气袋综合施工工艺操作简便, 气袋气压通过控制台数字显示, 操作人员无需丰富的相关经验, 即可达到岩石破除效果。

6) 存储简易, 无须公安审批气袋在充气之前厚度薄且具有防潮耐高温的特性, 易于使用和存储。气袋通过膨胀推出待破除岩体, 无须使用爆破药剂, 无须公安部门审批。

1) 水平及竖直方向采用绳锯法预先切割岩体, 增加硬岩破裂自由面依据岩体开挖设计标高, 采用绳锯在待破除岩体底部水平面及后缘垂直向下位置进行切割, 创造各个方向的临空面, 使待破除岩体与原岩分离, 提高岩体破裂的效果。

2) 气袋顶推技术将特殊制作的充气气袋置入绳锯切割缝, 将已在各个方向上形成临空面的待破除岩体推出一段距离。气袋压力通过控制台控制, 实现安全施工。

3) 通过2个甚至多个气袋并列或重叠增加推程, 提升破岩效果采用特制的专用气袋, 其厚度仅7mm, 可用于绳锯切割或场地硬岩的缝隙中, 尤其是通过多个气袋的重叠加压顶推, 可将待破除岩体推离原岩1.3~2m, 扩大破岩空间, 提升破碎硬岩的效果和速度。

绳锯切割后, 分开待破除岩体与原岩, 后续顶推过程中缓慢推进。由于待破除岩体已与周边岩体分开, 在后续施工中可实现对周边建 (构) 筑物及管线的零扰动。

基坑开挖深度越来越大, 绿色环保施工要求越来越高, 对周边管线、建 (构) 筑物的保护越来越重视。基坑开挖常遇到硬质岩石破除情况, 在基坑硬质岩石开挖领域一直没有可以有效平衡施工成本、进度、安全及环保的施工技术, 特别是城市更新建设施工项目对环保及安全的要求高, 基坑硬质岩体绳锯切割、气袋顶推开挖综合施工技术适用范围广、效果显著, 将在城市基坑岩石开挖领域中起到重要作用。