一种含风化砂岩地铁车站基坑开挖设备选定方法与流程

1.本发明属于土木工程领域，尤其涉及一种地铁车站基坑开挖设备选定方法。


背景技术：

2.地铁车站基坑开挖由于地质条件、周边环境、资源配置等各方面原因，存在基坑开挖设备众多、选择随意，缺乏基于科学评定的方案选择方法，时常造成资源浪费、影响施工进度及成本，甚至危及基坑及周边环境安全。
3.基于普通地铁车站宽度及深度的范围确定，依据地勘查明的地质情况，结合现有先进设备的挖掘、破除、装运、提升等性能及以往施工数据及相关经验，建立施工方案可行性选定体系，采用分析、比选等方法，确定价值最优方案进行施工，对于安全顺利、高效低成本的实现地铁车站基坑开挖具有重要意义。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种安全顺利、高效低成本的含风化砂岩地铁车站基坑开挖设备选定方法。为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
5.一种含风化砂岩地铁车站基坑开挖设备选定方法，包括以下步骤：
6.(1)在地铁车站基坑开挖前勘查确定地质情况，确定地质包含的地质层；
7.(2)依据各地质层的岩土强度、厚度与开挖设备的匹配关系，确定各地质层与开挖设备的工效赋分；
8.(3)依据上述工效赋分高低选择各地质层的开挖设备。
9.上述含风化砂岩地铁车站基坑开挖设备选定方法中，优选的，依据各地质层的岩土强度、厚度与开挖设备的匹配关系，确定各地质层与开挖设备的工效赋分包括以下步骤：
10.s1：确定压强因素赋值得分x，其中，x＝p0/p1*k；式中：x为压强因素赋值得分，p0为开挖设备的适用压强，p1为各地质层的平均岩土强度，k为系数，p0/p1比值在40倍以内时，k为(1/2)^n，否则k取0，且当p0/p1比值为(0
‑
10】时，n为0，当p0/p1比值为(10
‑
21】时，n为1，当p0/p1比值为(21
‑
30】时，n为2，当p0/p1比值为(30
‑
40)时，n为3；
11.s2：确定厚度因素赋值得分y，具体的，首先计算h1/h0，若h1/h0的小数部分为0取3分，h1/h0的小数部分为(0
‑
0.5】取1分，h1/h0的小数部分为(0.5
‑
0.75】取2分，h1/h0的小数部分为0.75以上取3分；其中，y为厚度因素赋值得分，h1为各地质层的平均厚度，h0为开挖设备的经济开挖深度；
12.s3：将压强因素赋值得分x与厚度因素赋值得分y相加即得到所述工效赋分。
13.上述含风化砂岩地铁车站基坑开挖设备选定方法中，优选的，所述开挖设备的适用压强按开挖设备的最不利压强因素考虑，其中，抓机、挖机与钩机的最不利因素是高压强岩土，液压破碎锤、液压劈铣机和静态爆破设备的最不利因素是低压强岩土。即本发明中，抓机、挖机与钩机按最大适用压强计算，液压破碎锤、液压劈铣机和静态爆破设备按最小适
用压强计算。
14.本发明针对含风化砂岩地铁车站基坑，提出了一套依据各地质层的岩土强度、厚度与开挖设备的匹配关系来选择各地质层对应的最优开挖设备的理论体系，并创新性的给出了岩土强度、厚度与开挖设备的复杂确定关系，建立一套适用于各基坑选择开挖设备的方法，有利于选择最优开挖设备，可以广泛推广应用于土木施工过程。
15.上述含风化砂岩地铁车站基坑开挖设备选定方法中，优选的，依据工效赋分高低选择各地质层的开挖设备时还考虑开挖设备的附加得分值，依据工效赋分与开挖设备的附加得分值总和来选择各地质层的开挖设备；所述开挖设备的附加得分值依据开挖功效、运输辅助设施、辅助材料消耗、施工环境条件和设备台班单价确定。本发明中，各开挖设备的开挖功效、运输辅助设施、辅助材料消耗、施工环境条件和设备台班单价的具体确定方式参见下表8。本发明针对含风化砂岩地铁车站基坑，提出开挖设备的附加得分值这一概念，并明确各开挖设备在开挖功效、运输辅助设施、辅助材料消耗、施工环境条件和设备台班单价这几方面的具体得分值，有利于选择更加合理的开挖设备。
16.上述含风化砂岩地铁车站基坑开挖设备选定方法中，优选的，所述开挖设备为斗容量1.5m3的抓机、斗容量1.6m3的单斗挖机、6吨级钩机、底盘重量17吨以上的平头、圆头钎杆液压破碎锤、30型液压劈铣机和静态爆破设备。本发明中，上述开挖设备的具体参数参见下表1。
17.上述含风化砂岩地铁车站基坑开挖设备选定方法中，优选的，所述抓机的适用压强范围﹤2mpa，经济开挖深度h0为1.8m，所述挖机的适用压强范围﹤10mpa，经济开挖深度h0为1.2m，所述钩机的适用压强范围﹤11mpa，经济开挖深度h0为0.4m，所述液压破碎锤的适用压强范围为30
‑
60mpa，经济开挖深度h0为0.6m，所述液压劈铣机的适用压强范围为20
‑
50mpa，经济开挖深度h0为0.3m，所述静态爆破设备的适用压强范围＞30mpa，经济开挖深度h0为1.8m。
18.上述含风化砂岩地铁车站基坑开挖设备选定方法中，优选的，所述地质层由上至下依次为素填土层、砂砾层、强风化层、中风化层和微风化层，所述素填土层的平均岩土强度为0.49mpa，平均厚度为2.95m，所述砂砾层的平均岩土强度为0.4mpa，平均厚度为0.85m，所述强风化层的平均岩土强度为0.94mpa，平均厚度为4.18m，所述中风化层的平均岩土强度为6.28mpa，平均厚度为11.69m，所述微风化层的平均岩土强度为20mpa，平均厚度为2.93m。
19.与现有技术相比，本发明的优点在于：
20.本发明针对含风化砂岩地铁车站基坑，在基坑开挖前建立地质情况及可选设备配置表，分析各类开挖方案，进行组合及比选，得出工程价值最优方案。该方法建立了较为科学的方案选定体系，能客观、量化等进行方案选择，实现工程价值最优。减少了人为局限性的选择失误、避免资源浪费、支撑工程安全、高效施工。
具体实施方式
21.为了便于理解本发明，下文将结合较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
22.除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义
相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
23.除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
24.实施例1：
25.一种含风化砂岩地铁车站基坑开挖设备选定方法，包括以下步骤：
26.(1)在地铁车站基坑开挖前勘查确定地质情况，确定地质包含的地质层；
27.(2)依据各地质层的岩土强度、厚度与开挖设备的匹配关系，确定各地质层与开挖设备的工效赋分；
28.(3)从开挖功效、运输辅助设施、辅助材料消耗、施工环境条件和设备台班单价确定上述开挖设备的附加得分值；
29.(4)依据上述工效赋分和附加得分值，确定各地质层选择的开挖设备。
30.为了更好的说明上述含风化砂岩地铁车站基坑开挖设备选定方法，本实施例以长沙地铁某车站为例说明上述选定方法的步骤如下：
31.1、在地铁车站基坑开挖前勘查确定地质情况，确定地质包含的地质层为由上至下依次为素填土层(岩土强度为0.49mpa，厚度为2.95m)、砂砾层(岩土强度为0.4mpa，厚度为0.85m)、强风化层(岩土强度为0.94mpa，厚度为4.18m)、中风化层(岩土强度为6.28mpa，厚度为11.69m)和微风化层(岩土强度为20mpa，厚度为2.93m)。上述岩土强度、厚度为均匀采用多个点取样测平均值。
32.2、确定地铁车站基坑工作条件下各类型开挖设备的适用范围，具体如下表1所示。
33.表1：开挖设备的适用范围
[0034][0035]
3、依据各地质层的岩土强度、厚度与开挖设备的匹配关系，确定各地质层与开挖设备的工效赋分
[0036]
3.1岩土压强因素赋分计算
[0037]
按开挖设备最不利压强因素考虑，根据开挖设备适用压强与岩土强度的比值为赋分；高压强岩土对抓机、挖机与钩机是最不利因素，液压破碎锤、液压劈铣机和静态爆破设
备需要岩土有一定的压强才能有效作业，岩土压强低是最不利因素。上述岩土压强因素赋分计算公式为：x＝p0/p1*k；式中：x为压强因素赋值得分；p0为开挖设备的适用压强(抓机、挖机与钩机按最大适用压强计算，液压破碎锤、液压劈铣机和静态爆破设备按最小适用压强计算)；p1为各地质层的平均岩土强度；k为系数，p0/p1比值在40倍以内时，k为(1/2)^n(1/2的n次方)，否则k取0。n值如下表2所示，p0/p1的比值如下表3所示，最终压强因素赋值得分x如下表4所示。
[0038]
表2：n值
[0039]
p0/p1比值倍数(0
‑
10】(10
‑
21】(21
‑
30】(30
‑
40)n0123
[0040]
表3：p0/p1的比值
[0041][0042][0043]
表4：岩土压强因素赋值得分x
[0044]
设备名称素填土层砂砾层强风化层中风化层微风化层抓机4.15.02.10.30.1挖机10.26.35.31.60.5钩机5.66.95.91.80.6液压破碎锤0.00.04.04.81.5液压劈铣机0.00.05.33.21.0静态爆破设备0.00.04.04.81.5
[0045]
3.2岩土厚度因素赋分计算
[0046]
厚度对开挖设备选择有影响的是不足一层厚度部分，根据此方式，我们首先计算出岩土层厚度h1与开挖设备的经济开挖深度h0的比值如下表5所示。表5中整数部分为开挖层数，不是本发明中设备选择的影响因素，只有不足一层厚度的小数部分具有影响作用，故以表5中小数部分为基数计算赋分，小数部分为0取3分，(0
‑
0.5】取1分，(0.5
‑
0.75】取2分，0.75以上取3分，进而得到岩土厚度因素赋值得分y，具体如表6所示。
[0047]
表5：岩土层厚度h1与设备经济开挖深度h0的比值
[0048][0049]
表6：岩土厚度因素赋值得分y
[0050][0051][0052]
3.3各地质层与开挖设备的工效赋分
[0053]
由表4中的压强因素赋值得分x与表6中的岩土厚度因素赋值得分y的总和即得到各地质层与开挖设备的工效赋分z，具体如下表7所示。
[0054]
表7：工效赋分z
[0055][0056]
4、从开挖功效、运输辅助设施、辅助材料消耗、施工环境条件和设备台班单价确定上述开挖设备的分别所对应的附加得分值，附加得分值的具体确定规则如下：
[0057]
开挖功效：利用松软岩土与致密岩土来选择设备，松软岩土利用抓机、挖机和钩机处理，致密岩土利用液压破碎锤、液压劈铣机和静态爆破设备处理。松软岩土时，开挖功效排名为挖机优于抓机，抓机优于钩机；致密岩土时，开挖功效排名为静态爆破设备优于液压劈铣机，液压劈铣机优于液压破碎锤。
[0058]
运输辅助设施：抓机与挖机无需配置运输辅助设施。但抓机置放于基坑上、可沿基坑周边移动，利于基坑内垂直运输，适合于宽度不大基坑；挖机需进入基坑开挖和装车，坑内运输马道对基坑开挖进度有影响，适合宽度较大、长度适中的基坑，因此，抓机优于挖机。其他设备均需配置装运辅助设施，均差于抓机和挖机。
[0059]
辅助材料消耗：静态爆破设备辅助材料消耗大，液压劈铣机需更换刀具，消耗中等，抓机与挖机的材料消耗与液压劈铣机相当，钩机和液压破碎锤消耗最小。
[0060]
施工环境条件：抓机开挖长条基坑时需要基坑顶预留通道，但对基坑内积水不敏感；挖机开挖对基坑顶通道无要求，但基坑内需有运输马道条件或多台挖机接力开挖或加配垂直运输设备；静态爆破设备对环境温度、是否降雨都有要求；其他设备不受限制。因此，静态爆破设备要示最高，抓机和挖机次之，其他设备无要求。
[0061]
设备台班单价：静态爆破设备台班单位最低，钩机次之，其他设备相当但高于钩机。
[0062]
上述各项影响因素中处于优势地位取2分，处于劣势取0分，否则取1分；松软岩土开挖功效按0.6的系数折减。各设备的具体附加得分值如下表8所示。
[0063]
表8：附加得分值w
[0064]
控制因素抓机挖机钩机液压破碎锤液压劈铣机静态爆破设备开挖功效0.61.20012运输辅助设施210000辅助材料消耗112210施工环境条件112220设备台班单价001002
平均得分0.90.810.80.80.8
[0065]
5、综合工效赋分z与附加得分值w，其二者之和为开挖设备的综合得分k。各地质层所对应的开挖设备的综合得分k具体如下表9所示。
[0066]
表9：综合得分k
[0067][0068]
6、根据上述综合得分k，各地质层的设备选型如下：
[0069]
素填土以黏性土为主，局部含砾石；粉质黏土可塑～硬塑状态，含少量粉细砂、云母片及黑色铁锰质氧化物；依据工效赋分z可选择挖机、钩机或抓机，更优选的，依据综合得分k，可选择挖机或钩机，进一步优选的，采用挖机。
[0070]
砂砾层主要为中粗砂充填，泥质含量10％，分选性较差，级配良好；依据工效赋分z可选择挖机、钩机或抓机，更优选的，依据综合得分k，可选择挖机或钩机，进一步优选的，采用挖机。
[0071]
强风化泥质粉砂岩为粉砂质结构，中厚层状构造，泥质胶结，胶结较差，岩芯破碎，浸水易软化，属极软岩；强风化砾岩局部夹薄层泥质粉砂岩，碎屑结构，块状构造，泥质胶结，节理、裂隙发育，岩体破碎，岩芯多呈碎块～块状；依据工效赋分z可选择液压劈铣机、液压破碎锤或钩机，更优选的，依据综合得分k，可选择液压劈铣机或钩机，进一步优选的，采用液压劈铣机。
[0072]
中风化泥质粉砂岩呈粉砂质结构，中厚层状构造，泥质胶结，岩芯较完整；依据工效赋分z可选择液压劈铣机、液压破碎锤或静态爆破设备，更优选的，依据综合得分k，可选择液压劈铣机、液压破碎锤或静态爆破设备，进一步优选的，采用液压劈铣机。
[0073]
微风化石英砂岩、长石砂岩由石英和长石紧要颗粒组成，碎屑多为棱角或次棱角状，胶结物多为碳酸盐或铁质，岩层强度跃迁较大；依据工效赋分z可选择液压破碎锤、液压劈铣机或静态爆破设备，更优选的，依据综合得分k，可选择液压破碎锤或液压劈铣机，进一步优选的，采用液压破碎锤。
[0074]
上述具体设备的型号参见表1，上述所有得分的计算过程均保留1位小数点。