目前, 我国正处在城镇化和工业化快速发展时期, 建筑用地随着社会的发展也越来越紧缺, 城市周边的工矿区深坑规划便势在必行。工矿区的改造工程, 会涉及岩石的开挖。岩石开挖有诸多方法, 如人工开挖法^[1], 施工人员采用钢钎凿眼, 而后将钢楔放入眼中, 多个钢楔形成一条线, 逐步将岩石剥离。爆破法, 工程上主要应用炸药进行岩石爆破;静态膨胀剂开挖法^[2], 原理是利用氧化钙加水发生化学反应, 氧化钙由立方晶体变成氢氧化钙的复三方偏三角面体, 在自由膨胀条件下, 体积可增大3~4倍, 将膨胀剂按一定比例与水混合搅匀后灌入钻孔内, 并对孔口堵塞, 经过密闭反应后, 就能产生很大的膨胀压力作用于孔壁, 并沿着钻孔形成裂缝, 从而使岩体开裂;机械开挖法, 采用金刚石圆盘锯进行切割或采用金刚石串珠绳锯进行岩石开挖^[3];综合开挖法, 将上面所述方法取2种或以上综合使用。在实际工程中, 机械开挖法运用最广泛, 本文将结合长沙百米深矿坑冰雪世界项目来阐述机械开挖法的具体运用。

长沙冰雪世界工程主体结构位于矿坑中上部。矿坑长约440m, 宽约350m, 深约100m。上宽下窄, 坡度较陡, 坡角80°~90°, 上口平面面积约18万m², 下口平面面积约27 000m²。建筑物标高±0.000相当于绝对高程53.000m (黄海高程) , 坑面处绝对标高为53.000m。坑底存在多种不同标高:绝对标高-41.000, -32.000, -20.000m等。基于BIM技术, 运用3D激光扫描机器人以及无人机进行矿坑三维点源数据收集后得到的岩壁地形如图1所示。

长沙冰雪世界工程主体结构下部支撑体系为48根钢筋混凝土墩柱和18道剪力墙。基础为独立基础, 通过连系梁相互连系。岩体质量等级为三级以上, 单体强度达80MPa, 独立基础进入完整持力岩石深度≥1.5m, 基础连系梁嵌入岩石深度≥0.5m。基础尺寸最小为1.5m×1.5m×1.5m (长×宽×高) , 最大为6m×6m×15m (长×宽×高) 。鉴于现场局部地区浅层岩质质量等级不能满足设计要求, 故某些基础嵌岩深度达15m。运用BIM技术, 建立长沙冰雪世界工程主体结构下部支撑体系三维模型, 如图2所示。

针对基础嵌岩部分的开挖方式, 项目部提出2种方案:爆破法和机械配合人工开挖的方式。

采用一般爆破法开挖岩石时, 施工效率高, 但基础成型难以控制, 且容易影响周边岩石承载力和施工作业。若采用特殊爆破技术, 如光面爆破技术, 基础成型相对较好, 对周边环境扰动小, 且能尽量避免裂隙的扩大和产生新的裂缝, 但炮眼数多于一般爆破法, 钻眼准确性要求较高, 钻爆作业的单项工序时间长于一般爆破法。光面爆破技术需一些特殊器材, 如专用炸药、毫秒雷管、导爆索 (传爆线) 等。鉴于施工行业的粗犷型特征, 冰雪世界工程的设计方———上海华东建筑设计院否定了爆破开挖基础的方案。

机械配合人工开挖方式, 即借助水钻和切割机切出独立基础和基础连系梁的形状, 而后采用风钻在大块岩石上钻眼, 将钢钎杆斜插入钻眼中, 人工锤击, 直至基础部位的岩石与基岩彻底分离。

水钻主要构件为圆柱形刀片和竖向轨道。刀片附着于轨道上, 沿着轨道逐步旋转向下切割岩石。刀片规格为:直径为150mm, 深600mm。切割机为自带轨道式切割机, 切割机可在导轨上移动, 从而提高切割效率。切割机规格为:刀片有效切割深度为500mm;轨道最小长度为2 800mm;设备宽度为1 350mm;轴承凸出锯盘50mm。切割机主要组成构件及相关尺寸如图3所示。受切割机轨道长度、设备宽度限制, 其操作空间最短边≥1 350mm, 最长边≥2 800mm, 否则无法放置设备。

冰雪世界工程现场地形复杂, 可将独立基础、基础连系梁分为2大类:①基础、连系梁位于平坦地段;②基础、连系梁坐落于有错台位置, 即高低平台高差达10m以上。

根据基础形式及平面尺寸采用3种方式进行基槽切割。

1) 对于边长≤2.8m的独立基础, 采用水钻沿基础外沿“无间距取芯”, 使该部位岩石与周围岩石分离, 取芯深度为600mm, 中间用风钻钻眼, 间距为400mm。由于基础嵌岩深度要求≥1.5m, 垫层厚度为150mm, 故基坑开挖深度≥1.65m。考虑岩面凹凸不平, 分3层开挖, 每层开挖深度为600mm, 最终满足设计嵌岩要求。

2) 对于边长>2.8m的独立基础, 采用圆盘锯对基础进行切割。基础中部切割间距为0.5m, 每层切割深度为500mm, 为防止过量切割致基础边角损伤, 四角向两侧400mm的范围采用水钻取芯 (见图4) 。鉴于坑底岩面高低不平, 基础须切割3~4次, 才能保证基础最低点嵌岩深度≥1.5m。另一方面, 由于切割机轴承凸出锯盘50mm, 因此, 现场放线前需预判切割次数, 计算出每边须预留的操作空间为50n (n为切割次数) 。举例说明如下。

基础尺寸为3.6m×3.6m×2.5m, 嵌岩深度为1.5m, 垫层厚度为0.15m, 岩面高差0.25m。切割机从基岩顶面开始切割, 共须切割4层, 才能满足要求, 过程示意如图5所示。考虑轴承凸出厚度, 所以下一层切割宽度要比上一层窄5cm×2=10cm, 为保证基槽底部尺寸满足设计基础尺寸要求, 由下往上每一层切割边长应为:①3.6m×3.6m;②3.7m×3.7m;③3.8m×3.8m;④3.9m×3.9m。

对于基础连系梁, 设计梁宽为1m, 长度为24m。若采用水钻切割, 则单条梁每切割一层须钻近400个孔, 单台水钻每钻1个孔需1h, 共需50个台班, 2台设备同时作业, 每开挖1条梁槽需25d (含基槽切割和岩石破除) , 无法满足现场进度要求, 人工成本高;采用圆盘切割机则工效提高明显, 2d即可切完整条基础连系梁。圆盘切割机切割地梁基槽, 亦须根据现场地形确定切割工艺, 具体如下。

1) 根据现场地形, 若切割1层, 1/5~1/3梁长度范围内的基础梁槽深度只有35~45cm, 无法满足设计深度65cm的设计要求 (嵌岩厚50cm, 垫层厚15cm) , 因此, 大部分基础连系梁须切割2层。

2) 考虑梁宽仅有1m, 而切割机操作宽度为1.35m, 每切割1层, 预留切割机操作空间, 如图6所示。图6a中, 按设计梁边线后退25cm切割第1层;图6b中, 调转切割设备方向, 切割基础梁对边。

切割完毕后, 用风钻在形成的大块基岩上钻眼, 间距约300mm。而后将钢钎杆斜插入风钻的钻眼中, 采用人工锤击, 直至基础部位的岩石与基岩彻底分离。由于岩理分布不规则, 在大面破岩完成后, 基槽底部尚有10~15cm凹凸起伏岩石, 须采用人工配合风钻将基底凿平。

以图7中16, 17, 24号柱为例, 高低平台高差最大为9m。

在基础周边自上而下搭设扣件式钢管操作架。操作架位于高低平台上的立杆均不少于3排, 斜坡上的立杆根据水平距离确定;操作架沿岩壁方向不少于4跨。立杆跨距1.5m, 排距0.9m, 大横杆步距1.8m。操作架如图8所示。

切槽采取自上而下的方式, 针对边长<2.8m的基础, 主要采用“水钻”配合人工进行基槽开挖, 开挖宽度较基础宽400mm (每个方向200mm) ;对于边长≥2.8m的基础, 主要采用“圆盘锯”配合人工进行基槽开挖, 为保证施工操作过程的安全性, 宜尽可能将设备重心置于岩壁上。考虑操作架放置空间, 将3个方向开挖宽度扩大200~500mm, 如图9所示。

再以31号柱为例介绍高落差基础的切割技术, 31号柱基础离崖壁2~3m, 高差17m, 地基条件无法满足设计要求。此基础无法采取爆破方式, 原因有3点:①基础西面紧临岩壁, 爆破会影响岩壁稳定性;②基础西南角6m处为1处集水井, 爆破易使集水井岩壁现有裂缝扩大并产生新的裂缝, 岩壁堵漏难度大, 集水井容纳3 000m³水体, 水体渗漏将严重影响基础区正常施工;③爆破将导致下坑道路和其余基础停工, 同时, 爆破将产生上千m³碎石, 清理碎石周期长。因此, 采取机械配合人工开挖的形式开挖基础, 操作架搭设方式同前所述。31号柱基槽开挖与其余部位施工平行作业、相互独立, 因此不影响工程整体进度。该部位基础采用分次、分层开挖:第1次开挖深度5m, 采用圆盘锯自基础1m控制线开始向下开挖, 每次向下开挖0.5m、向内收进50mm (工艺要求) , 开挖至5m深后, 通知设计、甲方、监理等各方验槽, 若地基满足设计要求, 则继续向下开挖1.65m后封底、封边;若不满足要求, 则根据各方意见, 继续向下开挖, 直至满足设计要求。每次开挖出的碎石采用铁盆装载, 塔式起重机调离基槽。两处基础岩石实际开挖深度为15m, 地基方可满足设计要求。

目前, 长沙冰雪世界工程基础均切割完毕, 基础成型效果好, 未对周边岩质产生影响。现场基础岩石切割, 采取流水施工作业, 有效确保了坑内施工作业的进度。