砂岩地层深基坑机械法施工研究

王清海

中铁二十二局集团轨道工程有限公司 北京 100000

砂岩地层是一种常见的地质条件，其工程性质复杂，施工难度较大。深基坑的施工对于建筑工程的顺利进行具有重要意义。传统的砂岩地层深基坑施工主要依赖于人工挖掘，存在着工期长、效率低、施工质量难以保证等问题。因此，研究砂岩地层深基坑机械法施工具有重要的实际意义。

1 岩石臂挖掘机概述

1.1 岩石臂挖掘机构成

岩石臂挖掘机是一种专门用于岩石挖掘的工程机械设备。它具有高效、精确的挖掘能力，适用于砂岩地层深基坑的施工。岩石臂挖掘机主要由挖掘机主体、岩石臂、钻杆和钻头等部分组成，通过岩石臂的旋转和挖掘机主体的移动实现对砂岩地层的挖掘。

1.2 工艺原理

岩石臂挖机的破碎原理就是在沉重的大小臂的重力作用下，利用前端的尖状勾对岩石进行破碎。这是一种高效、强大的挖掘破碎技术，广泛应用于各类建筑工程中，尤其在山地、丘陵等复杂地形中表现出色。在实际应用中，岩石臂挖机的破碎原理具有显著的优势。首先，这种破碎方式能够快速、高效地破碎大量岩石，提高挖掘效率。其次，精确的控制使得破碎过程更加安全、可靠，降低操作人员的工作强度和风险。此外，岩石臂挖机还具有广泛的应用范围，可以适应不同类型和硬度的岩石，以及各种不同的工作环境。然而，尽管岩石臂挖机的破碎原理具有许多优点，但在实际操作中还需要注意一些问题。例如，操作人员需要具备专业的技能和经验，以确保正确的操作和合理的使用。此外，对于不同类型和硬度的岩石，可能需要调整挖掘机的参数和操作方法，以确保有效的破碎效果。

2 砂岩地层深基坑岩石臂挖掘机施工特点

砂岩地层深基坑岩石臂挖掘机施工具有以下特点：

（1）高效快速：岩石臂挖掘机具备高效的挖掘能力，这使得它能在短时间内完成大量的挖掘工作，进而有效地提高施工效率。在城市改造、地下空间开发等需要大量挖掘的工程中，岩石臂挖掘机的优势尤为凸显。（2）精确控制：岩石臂挖掘机能够通过操作挖掘机主体的移动和岩石臂的旋转，可以实现对挖掘位置和深度的精确控制，这使得挖掘过程更加准确无误，同时也能减少对周围环境的破坏，提高施工安全性。（3）适应性强：实际施工中，能够根据不同的地质条件和挖掘要求，选择合适的岩石臂挖掘机型号和挖掘工艺。它可以适应各种地质环境和岩石性质，如砂岩地层，能够有效地应对不同的挖掘难度和挖掘深度。（4）施工质量高：岩石臂挖掘机具备精确的挖掘能力和稳定的操作性能，能够保证施工的质量和稳定性。它能够准确地控制挖掘的形状和尺寸，确保挖掘面的光滑度和平整度，从而提高基坑的稳定性和施工质量。同时，由于其强大的挖掘能力，可以显著缩短施工周期，降低工程成本。

3 砂岩地层深基坑岩石臂挖掘机施工要点

3.1 工程概况

成都轨道交通18号线三期工程官堰站为成都轨道交通18号线三期工程终点站，位于简阳市石板凳镇官堰村四组，机场高速北侧两条规划路交叉口，为地下两层三跨14m岛式明挖车站，车站右线总长度500m。车站基坑深14.40～32.5m，宽27.5～40.06m，车站标准段主体结构位于中风化～强风化岩层中，主要采用放坡开挖的围护结构形式，局部软土较厚段采用围护桩+内支撑的支护方法。基底主要岩层为泥岩及砂岩，采用岩石臂开挖基坑缩短了施工工期，并降低造价，也为类似工程的施工提供借鉴。

3.2 地质条件

中等风化砂岩（J3p）：红褐色、浅灰色、紫红色，中厚层状。砂质结构，中厚层状构造，节理隙较发育，岩质较硬，锤击声脆，易击断。部分地段软弱夹层或差异风化明显，易风化，遇水易软化。岩芯多呈柱状，少量呈碎块状。根据室内试验：天然密度ρ=2.23～2.54g/cm3，天然含水率w=5.68～9.93%，天然抗压强度4.2～24.75MPa（标准值：15.7 MPa），自由浸水饱和抗压强度1.32～27.5MPa（标准值：12.35 MPa），在场地广泛分布。

3.3 工艺流程

在石方开挖的施工过程中，施工人员采取了自上而下、分层开挖、同步支护的施工策略[1]。采用岩石臂挖掘机进行砂岩地层深基坑开挖施工流程见图1所示。

图1 岩石臂挖掘机施工示意图

3.4 基坑开挖

3.4.1 施工准备

在施工开始之前，必须进行详尽的施工准备工作。这不仅包括对施工图纸的熟悉和理解，还要对施工现场进行详细的勘察和评估。在准备工作中，应特别注意对施工基坑周边的环境进行全面的调查和研究，以便在后续的施工过程中能够顺利地进行土方开挖和截水沟的修建。

其中，施工基坑周边的截水沟是一项重要的准备工作。在雨季施工时，能够有效地防止地表水流入基坑，从而保证施工的顺利进行。在修建截水沟时，应根据现场的地形、地质条件以及施工图纸的要求进行合理的设计和施工。同时，为了确保截水沟的施工质量和使用效果，还需要在施工过程中严格控制施工工艺和质量标准[2]。

在完成施工准备后，接下来就是按照图纸分段开挖至设计场坪标高。在开挖过程中，应遵循图纸设计的开挖顺序和坡度要求，并密切关注施工现场的地质情况和安全状况。当遇到地质条件突变或者存在安全隐患时，应及时采取措施进行处理，以确保施工的顺利进行。

3.4.2 按照图纸设置排水沟、挡水坎、标准围挡

开挖至场坪标高后，按照图纸要求进行以下工作：

（1）设置排水沟：根据图纸要求，在场坪周边适当位置挖掘排水沟，确保场坪排水畅通。排水沟应具备良好的排水能力，防止积水。（2）设置挡水坎：在场坪边缘设置挡水坎，用于防止雨水流入场坪，确保场坪干燥。挡水坎应具备良好的防水效果，防止水渗透。（3）构建标准围挡：根据图纸要求，搭建标准围挡，用于围合场坪区域。标准围挡应具备稳固性和安全性，确保场坪区域的安全使用。（4）便道混凝土硬化：对于场坪周边的便道，进行混凝土硬化处理，增加便道的承载能力和耐久性。混凝土硬化应按照标准施工，确保便道平整牢固。

3.4.3 抗拔桩施工

在砂岩地层深基坑开挖施工中，为了增强场坪的稳定性和承载能力，需根据实际施工需要进行抗拔桩支护施工，以确保场坪在使用过程中不会发生沉降、变形等问题。抗拔桩施工的要点如下：

（1）方案设计：根据场坪的特点和需要，制定抗拔桩施工方案。方案应考虑桩的数量、位置、深度和直径等要素，确保桩基能够有效地抵抗外力和承载荷载。（2）施工准备：在施工前，需要准备好所需的材料、设备和人力资源。包括桩材、钢筋、混凝土、振动锤、钻机等工具和设备。（3）桩基施工：根据设计要求，在场坪标高位置钻孔并安装桩材。钻孔的深度和直径应根据设计要求确定，确保桩材能够深入稳定的地层。（4）钢筋加固：在桩材安装完成后，根据设计要求进行钢筋加固。钢筋应按照规范进行布置和固定，以增强桩基的抗拉能力和稳定性。（5）混凝土灌注：在钢筋加固完成后，进行混凝土灌注。混凝土应按照施工规范进行配制和浇筑，确保桩基的牢固性和稳定性。（6）桩顶处理：待混凝土充分凝固后，对桩顶进行必要的处理。处理方式可根据实际情况选择，如修剪、打磨等，以确保桩顶平整牢固。（7）检验验收：完成抗拔桩施工后，进行验收工作。验收应严格按照设计要求和施工规范进行，确保桩基的质量和稳定性。

3.4.4 土方开挖

在建筑工地上，挖掘土地是一项至关重要的任务，现场土方开挖见图2所示。首先，挖掘工作按照设计要求进行，边坡挂网及喷射混凝土护坡的措施有序展开，以确保土方开挖过程中的安全与稳定。

图2 现场松土施工

两侧挂网喷混平台开挖至场坪下2m后，工程便进入挂网喷混施工阶段。挂网喷混技术是一种有效的边坡防护方法，通过喷射混凝土和挂网的方式，为边坡提供坚固的保护。在这个过程中，每层放坡的坡脚处都设置了临时的截水沟，与坡脚保持至少0.5m的距离。这样设计可以有效地截留水流，防止水分对边坡造成损害[3]。

为了更好地排水，施工人员在沿排水沟每隔15m设置一个临时的集水井。这些集水井就像一个个小小的水库，收集并排放地下水，防止地下水对边坡造成损害。在挂网喷混施工等待强度的时间里，施工人员着手进行中部土方的开挖。在这个过程中，施工人员始终关注边坡的稳定性，防范土方的塌方。

当两侧挂网喷混达到设计强度后，施工人员继续进行下层土方的开挖。每次取土的厚度控制在2～3m之间，这样的厚度既保证了边坡的稳定性，又不会给土方带来过大的压力。在这个过程中，施工人员在基坑的中部随着开挖进度设置了一个坡度为10%的便道。这个便道就像一条康庄大道，为施工车辆的进出提供了便利，提高了施工效率。重复步序3、4开挖方法进行下层土方开挖。

3.4.5 挂网喷混施工

在挖掘深基坑的过程中，为了保护基坑底部不受扰动，施工人员采取了特殊的施工方法。当挖掘平台开挖至距离基坑底0.3m时，施工人员停止了挖掘。为了防止基底受到扰动，施工人员采用挖机配合人工进行清理。在清理过程中，施工人员进行了挂网喷混施工，这是一种有效的防护措施，可以防止基坑底部受到水侵蚀和风化。

在挖掘过程中，施工人员还设置了便道以便于人员和物资的运输。便道位于基坑中部，坡度为10%，这样可以在保证安全的前提下，提高运输效率。此外，施工人员还进行了排水沟施工，以确保基坑内的水能够及时排出，防止积水对基坑底部的稳定性造成影响[4]。

在完成基坑挖掘后，施工人员对基底进行了验槽。验槽是对基底质量的最后一道把关，施工人员仔细检查了基底的平整度、强度和稳定性。在确认基底质量合格后，施工人员才进行了后续的施工工作。

3.4.6 抗拔桩破除桩头、施作桩帽

在建筑工程中，抗拔桩是一种重要的结构形式，用于抵抗外部荷载和自然力的作用。在抗拔桩施工完成后，需要破除桩头并进行桩帽施工。这一环节不仅涉及到工程的外观质量，还对整个结构的稳定性有着至关重要的影响。

在破除桩头之前，需要对桩头进行清理，确保没有杂质和污染物。破除的方法可以根据具体情况选择，一般包括人工破除和机械破除两种方式。人工破除适用于桩头较小的工程，可以通过锤子和凿子的配合使用将桩头敲掉。机械破除适用于桩头较大的工程，可以通过使用切割机、钻机等设备将桩头割除。

在破除桩头后，需要进行桩帽施工。桩帽是抗拔桩的重要组成部分，可以有效地传递和分散上部荷载。桩帽的施工需要根据设计要求进行，一般包括钢筋的绑扎、模板的支设、混凝土的浇筑和养护等环节。在施工过程中，需要严格控制钢筋的数量、规格、布置和连接方式，确保桩帽的承载力和稳定性符合设计要求。

此外，在垫层、防水、底板等施工环节中，也需要对抗拔桩进行相应的处理。例如，在垫层施工时，需要将垫层材料铺设平整、密实，确保垫层的质量和稳定性；在防水施工时，需要对桩头进行防水处理，防止地下水和雨水的侵蚀；在底板施工时，需要将底板与桩帽连接牢固，确保结构的整体稳定性。

3.5 效益分析

3.5.1 经济效益

为验证岩石臂挖掘机开挖深基坑施工的经济效益情况，将该方法与爆破法进行了对比分析，具体见表1。

表1 两种施工方法经济效益对比

从表1中可以看出，两种施工方法经济效益对比，采用岩石臂挖掘机进行开挖的费用为14.8元/立方，而爆破法费用为24.68元/立方，前者经济效益明显。同时，相比岩石臂开挖，爆破具有危险性大、振动影响大、审批流程多、专业性强、炸药采购、运输、存储安全风险高、钻孔爆破工序多、影响邻近区域的生产生活等。而岩石臂开挖既没有污染，投入成本比破碎锤低很多，非常适用于本工程的地层地质。

3.5.2 社会效益

（1）岩石臂挖掘机开挖法可实现多种机械组合开挖坚硬岩石基坑，较一般常规开挖施工而言，是一种技术上的突破，虽然由于地理位置导致的施工不便，场地受限等因素限制，但依据此方案，不仅显著的节约了工期，还保障了周边建筑的安全，为今后同类型的工程提供了参考依据。（2）岩石臂挖掘机开挖法是采用多种机械组合开挖施工，减小了对周边建筑的破坏和影响，能给老百姓留下良好的口碑。

4 结论

砂岩地层深基坑机械法施工是提高施工效率和保证施工质量的重要手段。岩石臂挖掘机具有高效、精确的挖掘能力，适用于砂岩地层深基坑的施工。在施工过程中，要注意合理选择挖掘机型号、控制挖掘速度和力度，以及进行地质勘察和监测，以保证施工的安全和稳定。