呂鳳鎖
(中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,天津 300251)
在地質(zhì)勘探過程中,特別是在城市地下管線復(fù)雜的情況下,應(yīng)先進(jìn)行場地周邊環(huán)境的調(diào)查和探測,再聯(lián)系管線產(chǎn)權(quán)單位進(jìn)行現(xiàn)場確認(rèn),在確保挖探孔下方無管線后,方可開展鉆探工作[1-5]。在開展挖探工作時(shí),應(yīng)首選人工挖探,以免造成地下管線的破壞。目前,很多城市市政管理部門不允許對(duì)路面進(jìn)行大面積開挖,只允許采用點(diǎn)探查的方式,探洞直徑一般不能太大(一般情況下不允許超過20 cm)。
北方冬季氣溫可達(dá)-20 ℃,季節(jié)性凍土厚度及硬度較大,人工挖探效率很低,容易造成鉆探設(shè)備處于長時(shí)間等待狀態(tài),無法滿足工期要求。因此,提高凍土挖探效率顯得尤為重要。
目前,已有部分學(xué)者對(duì)提高季節(jié)性凍土挖探效率開展研究工作,如姚必全等[6]對(duì)凍土邊坡開挖方法進(jìn)行研究,認(rèn)為凍土開挖只能通過大型機(jī)械或爆破方式提高施工進(jìn)度和效率。楊春艷[7]對(duì)樁周凍土的融化方法進(jìn)行研究,認(rèn)為可以通過紅外線加熱爐和液化氣罐加熱融化凍土。孫劍濤等[8]認(rèn)為凍土開挖可以采用人工、機(jī)械、爆破開挖相結(jié)合的方法,使用鋸末做燃料融化凍土,其效率約為30 cm/24 h。唐克昌[9]采用遠(yuǎn)紅外線輻射箱的熱輻射進(jìn)行凍土融化。這些研究方法[6-14]在現(xiàn)場適用性方面還存在缺陷:如燜火烘烤法會(huì)對(duì)周邊環(huán)境造成污染且容易發(fā)生火災(zāi);電熱法對(duì)電源要求嚴(yán)格,易造成觸電事故;液化氣罐法危險(xiǎn)性較大,容易產(chǎn)生火災(zāi)和爆炸等。
在某地鐵勘察項(xiàng)目中,按照以往的季節(jié)性凍土挖探作業(yè)習(xí)慣,采用人工挖探,挖探深度為4 m(穿透的凍層約為2 m),其統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表1。
表1 探洞開挖作業(yè)效率統(tǒng)計(jì)
注:①挖組每組2人;②直接挖探。
從表1可以看出,因凍土硬度較大,人工挖探非常困難(挖探組每小時(shí)開挖凍層進(jìn)尺為0.1~0.15 m),不同巖土層作業(yè)效率不同,凍層挖探效率較低。
某市區(qū)勘察項(xiàng)目中,采用先在探洞中倒入濃鹽水浸泡,再進(jìn)行人工挖探的方式。挖探深度為4 m(穿透的凍層厚度一般為1.6 m),其統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表2。
表2 探洞開挖作業(yè)效率統(tǒng)計(jì)
注:①挖組每組2人;②鹽水侵泡。
從表2可以看出,開挖組每小時(shí)開挖凍層進(jìn)尺為0.13~0.2 m,不同巖土層作業(yè)效率不同,濃鹽水浸泡后,凍層挖探效率仍然較低。
采用“頭腦風(fēng)暴”的形式,就影響冬季城區(qū)凍土層挖探效率的因素展開分析(如圖1)。
圖1 挖探效率低的原因分析
通過分析,尋找到8條影響因素(見表3),對(duì)其進(jìn)行對(duì)比分析,認(rèn)為其中有2條為主要因素,分別是:
(1)凍土融化方法不當(dāng);
(2)孔壁支護(hù)方法不當(dāng)。
表3 要因分析論證
針對(duì)凍土融化方法不當(dāng)、孔壁支護(hù)方法不當(dāng)?shù)葍蓚€(gè)主要因素,制定了相應(yīng)的對(duì)策(見表4)。
(1)制作凍土融化設(shè)備
表4 解決目標(biāo)
對(duì)薄鋼板進(jìn)行加工,制作直徑小于探孔2 cm的薄壁金屬桶,高度為50~60 cm,桶壁設(shè)置透氣小孔,桶底部先焊接一層鋼絲網(wǎng),鋼絲網(wǎng)下部設(shè)置活動(dòng)插銷板,再將兩根1 m長細(xì)鋼筋的一端分別焊接在金屬桶內(nèi)壁,另一端再各接1 m長的細(xì)鋼筋,接頭處可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)(見圖2)。
圖2 改進(jìn)的融化設(shè)備示意(單位:m)
(2)備置優(yōu)質(zhì)熱源
采購高熱量、低硫、燃燒時(shí)不冒煙的無煙煤塊,通過煤塊燃燒效果對(duì)比,選擇了山西無煙煤塊。
(3)融化凍土操作
先將無煙煤塊填入融化設(shè)備的金屬桶中并點(diǎn)燃,待無煙煤塊能夠正常燃燒后,將金屬桶放入凍土探洞中,5~10 min后,即可融化約20 cm厚的凍土。
(1)套管
采用柔韌性、強(qiáng)度高的PE管材,直徑大于套管直徑、小于探洞直徑,壁厚為5~8 mm。
(2)優(yōu)化套管連接方式
對(duì)長PE管進(jìn)行分節(jié)加工(切割成長約80 cm),各節(jié)PE管兩端分別打兩個(gè)孔,通過鋼絲連接(見圖3)。
圖3 塑料套管對(duì)接示意(單位:m)
(3)套管支護(hù)操作
待挖探穿透凍土層后,如下方存在砂土層,將長80 cm的PE管分別放進(jìn)探洞中,各管節(jié)通過鋼絲條連接。隨著挖探深度的加大,塑料管持續(xù)跟進(jìn)。
為了驗(yàn)證新裝置的挖探效率,對(duì)某凍土區(qū)域的16孔挖探數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,其結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表5。
從表5可以看出,挖探組每小時(shí)開挖凍層進(jìn)尺約為0.56~0.82 m,其挖探效率較直接挖探提高了560%。
表5 探洞開挖作業(yè)效率統(tǒng)計(jì)
注:①挖組每組2人;②采用新熱源。
(1)新型融化裝置采用煤作為熱源融化凍土,具有熱源持久、熱量大、溫度高、操作相對(duì)安全的優(yōu)點(diǎn)。
(2)融化設(shè)備自帶煤渣收集器,煤渣不易掉入探洞中,可提高作業(yè)效率。
(3)采用了改進(jìn)的套管連接方式,增加了孔壁強(qiáng)度,便于地表挖探人員作業(yè)。
(4)挖探組開挖凍層進(jìn)尺達(dá)到0.56~0.82 m/h,極大提高了季節(jié)性凍土挖探效率。