边坡开挖工程, 最根本的任务是要有效破碎岩石, 同时控制边坡开挖过程对周边复杂环境的影响。随着路基工程、边坡工程建设的发展, 施工环境日益复杂, 采用传统的钻爆法施工带来一系列安全隐患, 寻求新的方法破碎岩石显得尤为重要。基于岩石抗拉强度远小于抗压强度的特点, 机械胀裂法在边坡开挖工程中得到推广使用, 并且能够达到安全可靠、节能环保、提高效率的目的^[1,2,3]。

本文基于佛山某边坡工程, 以数值分析结果为基础, 通过现场岩石胀裂试验, 探讨了机械胀裂法在边坡开挖工程中的适用性。

边坡开挖工程位于佛山某住宅小区施工现场附近, 距离正在施工的建筑物7~10m, 周边环境复杂, 如采用钻爆法施工将对周边环境造成极大危害, 因此采用机械胀裂法进行边坡开挖。

边坡岩石为花岗岩, 岩体较为完整, 适合胀裂作业;边坡开挖高度为10~15m。现场施工环境如图1所示。

柱式岩石胀裂棒是一种新型劈岩装置, 胀裂棒机体上布置有10~14个类似于千斤顶的小活塞。工作时, 将胀裂棒安放在预先钻好的孔内, 当向胀裂棒提供140~180MPa的超高油压时, 小活塞便伸出直接对孔壁产生作用力, 从而使岩石沿垂直于布孔的方向膨胀开, 达到高效、无振动、安全破岩^[4,5]。

柱式岩石胀裂棒有2种型号, 棒长分别为1.0, 1.4m (见图2) , 选用时根据现场条件确定。该胀裂棒的活塞间距为70mm, 活塞直径为46mm, 伸缩进程45mm。

边坡开挖时, 坡体一般有2个自由面, 因此胀裂法施工时, 基于数值模拟及现场试验, 优选抵抗线、钻孔间距、排距等参数, 即可进行胀裂作业。其基本施工流程为:钻孔→机械胀裂→二次破碎→出渣。边坡开挖机械胀裂法施工原理如图3所示, 图中钻孔采用梅花形布置, 可以充分利用前次胀裂产生的裂隙进行下一步胀裂, 从而减少胀裂施工成本^[6,7,8]。

根据前述, 边坡岩体开挖施工, 周围环境复杂, 建筑物密集, 故采用机械胀裂法旨在形成较为光滑的边坡面, 同时不会产生明显的振动和飞石, 充分控制施工对周围环境的影响。基于数值模拟结论, 胀裂破岩施工技术参数:钻孔直径为90mm, 钻孔间距0.8m, 抵抗线为0.6m, 并排钻孔4个, 如图4所示。

施工时, 将岩石胀裂棒放置于钻孔内, 活塞方向垂直于抵抗线向外, 连通液压泵, 试验就绪 (见图5) ;开启电源, 油压泵工作, 油压在数秒内升至160MPa左右, 胀裂棒的活塞依次伸出, 岩石开始出现裂隙, 并有明显的顺层发展趋势。

当胀裂力达到160MPa时, 岩石在很短时间内出现裂隙。由于现场岩体为花岗岩, 完整性较好, 一旦裂隙生成, 就会顺着钻孔连线方向或者岩体本身的节理裂隙发展, 最终形成贯通裂隙。现场胀裂试验结束后, 可观察到胀裂棒伸缩进程利用率较高, 形成的裂隙最大处20~60mm, 后续进行二次破碎即可将岩石剥离开来。胀裂效果如图6所示。

通过现场试验可以看出, 在一定胀裂参数下, 胀裂器能在数秒之内将钻孔连线和抵抗线之间的岩体剥离开来, 其工作效率较高, 噪声很小, 并且没有明显的粉尘产生, 后续的二次破碎也可顺利地按照需求将碎石处理妥当。相对于传统的爆破作业, 钻孔胀裂法具有良好的可控性和环保性, 可避免岩体开挖过程中对围岩的损害及超挖等, 而且还可避免爆破带来的其他有害效应, 因而其应用范围广泛, 不仅适用于边坡岩体开挖、石材开采、矿岩二次破碎等各种岩体开挖作业, 还适用于城市复杂环境下不允许进行爆破作业的岩体剥离工程。

1) 岩石胀裂效果与其强度密切相关, 若岩石强度高, 则胀裂棒进程利用率高, 胀裂效果好;若岩石强度过低, 过大的胀裂力会造成钻孔附近岩石破坏, 胀裂棒进程损失, 进而导致胀裂失败。

2) 岩体节理裂隙对胀裂效果影响十分明显。钻孔孔位设计时, 应充分利用岩体本身裂隙的走向, 顺纹胀裂, 这样既可保证胀裂效果, 不过分破坏保留岩体的强度, 同时可节约胀裂成本。

3) 机械胀裂法在露天项目施工中可充分体现其灵活可控、无振无尘、低耗高效的特点。