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岩石开挖手册
前言
建筑业在世界范围内持续高速增长，其与世界经济和基础设施建设有着密切关系。尽管存在很大的地区差异，建筑面积也依然在增加。岩石开挖作为建筑中有趣的部分，其岩性的巨大变化一直挑战着每一个参与其中的人，包括承包商、顾问、设备供应商等。与此同时，技术的发展也提供了新的方法和解决方案用于地面和地下建筑。Sandvik Tamrock出版这本手册，旨在展示这些方法、方案的应用，同时给出基本信息来辅助读者选择。
因此，这本手册将为任何从事建筑开挖业务的人服务，同时也是研究相关学科的参考工具。
除本人以外，还有几人参与了本书的写作，在此我想要向Unto Ahtola、Karlheinz Gehring、Pekka Kesseli、Peter Kogler、Pasi Latva Pukkila、Arne Lislerud、Maunu Mauml;NTTauml;RI、Jukka Naapuri以及Tuomo Niskanen表达我的感谢。特别感谢Kirsi Nieminen、Nordberg公司、Aimo Vuento和他在South Carelia 理工大学的学生们、Raimo Vuolio、Finnrock公司、Pekka Sauml;rkkauml;和赫尔辛基工业大学。最后，我要感谢Leena K. Vanhatalo为本书进行资料收集和编辑。
主编
Matti Heiniouml;
目录
1.简介10
2.材料特性
2.1岩石地质分类12
2.2力学性能和岩石特性19
2.3岩体的可切割性和可钻性等级20
2.4岩石的研磨性——工具的使用寿命30
2.5岩体特征 46
2.5.1重要性46
2.5.2互层46
2.5.3岩体结构面47
2.5.4岩体性质分类48
2.5.5围岩压力52
2.6台阶爆破作业 53
2.7可碎性 57
2.8混凝土 60
3. 岩石开挖技术原理
3.1岩石破碎力学62
3.2顶锤钻63
3.3潜孔锤钻进原理71
3.4冲击回转钻进71
3.5液压锤71
3.6切割破碎机和粉碎机73
3.7切割74
3.8装载和运输76
3.9破碎作业82
3.10岩石爆破93
3.10.1爆破产品93
3.10.2岩石爆破理论120
3.10.3爆破和环境123
4. 矿场开采
4.1总则140
4.2方法142
4.2.1钻孔爆破142
4.2.2液压锤一次破碎183
4.3矿场开采实例187
5. 施工总承包
5.1总则188
5.2方法189
5.2.1钻孔爆破开挖189
5.2.2拆卸与回收204
5.3实例211
5.3.1公路和铁路路堑211
5.3.2拆卸与回收213
6. 隧道开挖
6.1总则214
6.2方法216
6.2.1钻孔爆破216
6.2.2机械化掘进254
6.2.3竖井开挖281
6.2.4岩体加固290
6.3实例299
6.3.1铁路隧道299
6.3.2油气储存300
6.3.3水电站和自来水厂301
6.3.4锤击掘进302
6.3.5掘进机掘进303
7. 定尺石材采挖
7.1建筑石材306
7.2岩石开采方法308
7.2.1总则 308
7.2.2硬岩的开采与切割309
7.3采石规划315
7.4采石的经济成果317
7.4.1成本 317
7.4.2成功采石的方法320
7.5寻找一个采石场320
7.6定尺采石工业的钻具选择321
8. 水井钻探
8.1总则324
8.2方法325
8.3钻井流程336
9. 勘探钻井
9.1总则340
9.2方法340
10. 项目规划与实施
10.1项目成本344
10.2 Tamrock项目研究347
10.2.1开挖流程推荐 347
10.2.2设备选择347
10.2.3工作情况和成本研究348
10.3服务支持354
参考文献364
- 简介
建筑工地的挖掘活动非常多样化，签约客户的规模也有很大变化。典型的建设项目是什么？答案是所有的建设项目都是有时间限制的。项目持续时间从一个月到几年不等，而且时间表几乎总是紧凑的。通常，合同一经授予，动员就立即展开，因为如果不按原计划完成，往往就会受到处罚。因此，选择合适的开挖方法和合适的设备是保证工程进度的重要环节。这本手册涵盖了所有现代挖掘方法，并提供了一些最近的案例故事。
开挖方法可分为各种类型，下面的例子展示这本书是如何进行分类的。
在“矿场开采”一章中，讨论了用钻爆法和机械法进行骨料和石灰石开采的方法。
一般而言，开挖施工中承包的项目是广泛的，包括建筑与道路的岩石基础施工、水坝的渠道开挖、路堑开挖等等，水下挖掘也包括在这一部分。
目前，拆除和再循环在开挖施工中发挥了重要作用，这个在“施工总承包”一章中有详细讨论。
“隧道开挖”一章对传统的钻爆和机械方法进行了讨论，其中也包含有地下开挖的内容。从下水道、铁路和公路隧道到厂房以及仓库和停车厅、电影院、游泳池、冰球馆，地下开挖所涉及的范围很大。
定尺采石是通过其使用的每种方法来对其进行解释的。在最后一章中，介绍了井眼法和勘探钻井法。
最后一章致力于项目管理，它描述了在处理开挖工程时应考虑和记住的问题。最后是服务支持。
在每一章的结尾，都提供有一个描述典型的挖掘现场的真实例子。
2.1岩石地质分类
岩石的地质性质和力学性质是相互关联的，在规划岩石开挖时两者都必须考虑，包括从设计地下硐室和采石场到评估钻爆性能。岩石的性质主要取决于成因、形成和矿物组成（图2.1 - 1）。
从地质学上讲，地球处于一种不断变化的状态，岩石和矿物不断形成和改变（图2.1 - 2）。可以很方便地通过成因将地球地壳上的岩石划分为三类：火成岩、沉积岩和变质岩。
所有岩石都是由矿物颗粒集合体组成的。岩石中每种矿物的比例，以及岩石的颗粒结构、质地和产地，都是岩石地质分类的基础。
矿物可以定义为具有连续的物理性质和固定的化学成分的无机物质。除了一些形态的碳、硫和一些金属以外，所有矿物都是化学化合物，每一种都含有两种或两种以上的质量比例一定的元素。有些元素存在于许多矿物中，最常见的是氧和硅，而其他的元素，包括最珍贵的金属和最基本的金属，则在地球地壳的岩石中仅占有微不足道的比例。
组成地球地壳的主要由八个元素以下面的方式展示在表2.1 – 1中。这些元素，加上一些其他的元素，形成十二种常见的矿物，它们约占地球地壳的99%。其余超过1000种的已知成岩矿物则占地球地壳不到1%。
因此，可以假定，即使不是全部，在采矿和土木工程中遇到的大多数岩石，都是由两种或多种矿物组成，并且每种矿物都有其特定的物理性质，会影响到岩石的工程性质，如主解理方向和断裂面。在某些情况下，用来定义矿物的硬度和晶体结构也可以决定岩石对外界作用力的反应，尤其是当含有有大量具有明显断裂性质的较软矿物，如云母或方解石，或是一种特别坚硬的矿物如石英时。
岩浆是热的硅酸盐熔体（600-1200°C），是火成岩的母质。在火山地区可以观察到岩浆和火成岩的形成。通常，岩浆会在地壳内凝固，而其形成的岩石会在之后因为侵蚀或地球运动而暴露于地表——因此它们会根据冷却深度和速度的不同以及受其影响的结构和晶粒尺寸被分类为深成岩（侵入岩），浅成岩或火山岩（喷出岩）。
火成岩也根据其二氧化硅的含量被分成酸性岩，中性岩，基性岩和超基性岩，如表2.1 – 2所示。火成岩中矿物成分的硬度相对较高，云母含量往往很小。
沉淀的结果是大气和水圈的相互作用对地球的地壳。地壳的原始成分，火成岩矿物，或多或少容易受到空气和水的袭击。在高温和偶尔高压下形成的，它们在不同的条件下不能保持稳定。
沉淀是大气和水圈在地球地壳上相互作用的结果。地壳的原始成分，火成岩矿物，或多或少都容易受到空气和水的侵袭，因为它们是在高温且偶尔高压下形成的，在变化巨大的条件下很难保持稳定，并且硅酸盐在化学稳定性方面差别很大。常见的成岩矿物按其对化学腐蚀的敏感度可排名如下：橄榄石、辉石和钙长石gt;角闪石、黑云母、钠长石gt;钾长石gt;白云母gt;石英。
石英是火成岩中唯一一种对风化过程很有抵抗力的矿物。当受到氧气、碳酸和水的侵蚀时，所有矿物都会发生变化，形成新的矿物，这些矿物在新的条件下更稳定。蚀变岩石在侵蚀的机械作用下崩溃，然后被风、水或冰搬运，最后再沉积成沉积物或留在溶液中。
沉积岩按其是否为机械形成，是否由有机物残余物形成或化学沉积形成，可分为三大类。（表2.1 - 3。）
在工程上，最重要的沉积岩为砂质（砂）、泥质（粘土）和钙质（石灰岩）岩。典型的砂质岩包含有矿物的离散片段，如石英和长石，再由方解石或热液石英的黏土基质聚拢。因此，当砂岩破裂时，裂缝会沿着较脆弱的粘土或钙质胶结物发展而不是穿过更加坚固的粗颗粒。泥岩比如泥质页岩，是由细小的颗粒组成，且主要由高岭石组成。钙质岩石由有机物或沉淀物组成，主要以方解石的形式存在。
变质作用是指除风化作用外，导致火成岩或沉积岩材料再结晶的过程的结果。在变质过程中，岩石基本上保持固体；如果重熔发生，岩浆就会产生，变质作用则成为岩浆作用。变质作用是当温度（200-800°C）、压力和化学环境发生显著变化时在固态岩体内引发的结果。这些变化影响矿物组合的物理和化学稳定性，而变质作用便是建立了一个新的平衡后的结果。岩石的组成变化为在新的条件下更稳定的矿物，而矿物通过产生更适合新环境的纹理来重新排列。变质作用导致部分或整个岩石再结晶，产生新的织构和新矿物。
热、压力和化学活性流体是变质作用的驱动力。增加深度或依靠岩浆可以使得温度上升，热量由此产生。压力则有两种：静水压力（均匀的），它会引起体积的变化；定向（剪切）压力，它会导致形状的变形。均匀的压力导致了颗粒状、非定向结构的产生；定向压力导致平行或带状结构的产生。均匀的压力通过促进体积减小，即高密度矿物的形成影响化学平衡。在变质作用中，化学活性流体的作用是至关重要的，因为即使不增减岩石中的物质，它也能通过溶解和再沉积来促进反应。当增加或减少物质时，这个过程就被称为交代作用。变质作用有可能会伴随着一定程度的交代作用发生。水，同时辅以二氧化碳、硼酸、氢氟酸和盐酸以及其他来源于岩浆的物质，是主要的化学活性流体。
人们普遍认识到两种主要的变质作用：热（接触）变质作用和区域变质作用。接触变质在深成侵入岩体周围产生。在这种情况下，变质作用的温度主要取决于附近的侵入岩浆，而岩浆也可能释放出化学活性流体，促使围岩重结晶。区域变质作用，顾名思义，是在大区域发育的变质作用，常在褶皱山脉根部和前寒武纪地区数千平方公里以上发生变质作用。（表2.1 - 4。）
地球地壳是由95%的火成岩、5%的沉积岩和十分少量的变质岩组成。然而，这并不能完全准确地描述工程项目中可能遇到的岩石种类。据推测，地球的地壳厚度约为30至50公里，但几乎所有的主要工程都只在最初几公里内进行，而这里包含着层积岩的主要部分。在地表附近工作的工程师必须经常与主要为沉积或变质的岩石相抗衡。此外，泥质层积岩在沉积岩中占有很高的比例，其余大部分则为砂质或钙质层积岩。
泥质岩主要由两种类型的页岩组成：黏结物和胶结物。两者通常是紧密层叠或层压的。前者在干燥状态下相当强，但湿时弱；后者在大多数情况下往往具有中等强度，但在压力下很容易变形。当在这类岩石中进行采矿、掘进或建筑地基时，之前所遇到的那些问题就会很快显现出来。
当在缺乏岩体不连续性的明确信息时，岩体一般被认为是线弹性材料。大多数岩层都有一定程度的断裂，其中断裂面代表非连续介质中的非连续结构元素。岩质边坡和地下洞室的稳定性是岩土工程的两个领域，其中岩石的完整性的影响可能比岩体不连续性的影响小。
岩层构造测绘图包括确定岩石的类型、分布和破裂程度，并对主要的断面进行排名划分。对于实际使用，这些信息必须通过岩土分类系统，被准确地组织好，该系统考虑了结构稳定性和在岩石中的开挖作业，专门用于预测岩体行为。（图2.1 - 3）
当岩体中存在两个或多个相交裂隙集时，基于累积体积破裂面面积的等效或平均断裂间距为：
Omean = ( bull;1 / Oset )-1 = ( bull; fracture area per m3 )-1 =
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