風(fēng)積沙干法施工在高速公路路基填筑施工中的應(yīng)用

劉國棟

（中鐵三局集團(tuán)有限公司，山西 晉中 030609）

1 工程概況

該項目是《國家公路網(wǎng)規(guī)劃》（2013—2030年）規(guī)劃的國家高速公路放射線北京至西藏高速公路（G6）聯(lián)絡(luò)線西寧至和田高速公路的重要組成部分，同時，也是新疆交通運(yùn)輸“十三五”發(fā)展規(guī)劃“6橫、6縱、7樞紐、8通道”中“6 橫”（“6橫”，是指沿絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶和中巴經(jīng)濟(jì)走廊帶布局，東聯(lián)內(nèi)地、西出中亞西亞的6條橫向大通道）的重要組成部分。

該項目路線呈東—西走向，起點位于若羌縣北側(cè)，G218線檢查站南側(cè)1.5 km，與G315線依吞布拉克（新青界）至若羌公路項目終點相接，路線沿昆侖山與塔克拉瑪干沙漠之間的綠洲帶由東向西；終點位于民豐縣魚湖東側(cè)約7 km處，與G315線民豐至洛浦公路項目起點相接，路線全長526.209 km。項目地理位置如圖1所示。

我公司承建RMSJ-3合同段，起點為K1773＋000，終點為K1895＋000，路線全長122.164 km，其中，K1852＋000～K1895＋000段43 km范圍內(nèi)的是路基工程、橋梁涵洞工程、路面底基層及基層交叉工程。

該段路基采用風(fēng)積沙填筑，采用傳統(tǒng)的濕壓法施工工藝，需水量極大，并且需要提前燜料，費時、費工；再加上冬季氣溫過低，無法滿足正常用水需求。鑒于此，開發(fā)了沙漠高速公路風(fēng)積沙干壓法填筑施工技術(shù)，在施工中優(yōu)化機(jī)械配置、碾壓工藝等，采用推土機(jī)推挖、靜壓，壓路機(jī)震動碾壓，大大節(jié)省了取料時間。與傳統(tǒng)濕壓法相比，這種方法可節(jié)約用水1.24×106m3，環(huán)保節(jié)能效益顯著。該方法具有施工速度快、操作簡單、施工安全等優(yōu)點，總結(jié)形成后為類似工程提供參考。

圖1 項目地理位置圖

2 施工工藝特點

該技術(shù)針對傳統(tǒng)施工工藝濕壓法填筑施工需要大量的水資源、施工成本高的問題，采用干壓法填筑施工技術(shù)，解決了沙漠地區(qū)工程用水短缺的問題，節(jié)約了水資源，降低了筑路成本。

利用風(fēng)積沙干法施工填筑路基減少了運(yùn)距，同時，可阻斷毛細(xì)水上升，提高路基穩(wěn)定性，解決了沙漠地區(qū)路基填料短缺的問題，降低了工程造價，又縮短了施工工期。

該技術(shù)填筑厚度較大，最大填筑厚度可達(dá)50 cm，施工工藝簡單，且施工不受冬季溫度過低的影響，極大地縮短了路基填筑施工周期。

該技術(shù)機(jī)械要求配置低，工效指標(biāo)高，與傳統(tǒng)碾壓方式相比，碾壓遍數(shù)少，大大減少了施工機(jī)械油耗。

3 適用范圍

該施工工藝適用于風(fēng)積沙路基填筑施工，尤其適用于沙漠缺水地區(qū)的風(fēng)積沙填筑。

4 工藝原理

風(fēng)積沙作為填料，不僅具有顆粒較細(xì)、級配不良、無黏結(jié)性、天然含水量小、保水性差的特性，還具有水穩(wěn)性能好、沉降均勻、整體強(qiáng)度高、回彈模量波動小、能很好地保證路基整體穩(wěn)定性的優(yōu)點。因此，風(fēng)積沙路基施工有其特殊性，工藝和質(zhì)量控制與素土填方有很大的不同。風(fēng)積沙標(biāo)準(zhǔn)擊實結(jié)果如表1所示，標(biāo)準(zhǔn)重型擊實曲線如圖2所示。

土壓實是通過碾壓、沖擊等外力手段來克服土顆粒間的內(nèi)聚力（黏結(jié)力）和摩擦力，將空氣和水分?jǐn)D出，使土顆粒相互靠攏，從而提高土的密實度。由圖2可知，隨著含水量的變化，風(fēng)積沙擊實曲線形成了雙峰值。這是因為風(fēng)積沙處于干燥狀態(tài)時非常松散，黏結(jié)力幾乎為零，此時需要克服的主要是內(nèi)摩阻力。當(dāng)擊錘或配重落在砂體上時，力以震動波的形式傳遞，砂體不但在垂直方向上受力，而且水平方向上也受派生出來的力的作用而產(chǎn)生跳躍式位移。所有位移的方向總是朝著空隙方向發(fā)展，顆粒在沖擊荷載作用下易于相對移動、嵌擠、填充。因此，風(fēng)積沙在干燥狀態(tài)下可以得到較大的干密度。

表1 風(fēng)積沙標(biāo)準(zhǔn)擊實結(jié)果

圖2 標(biāo)準(zhǔn)重型擊實曲線

當(dāng)風(fēng)積沙中含水量增加時，水破壞了天然狀態(tài)下干燥顆粒表面吸附膜的潤滑作用，產(chǎn)生了水對石英類礦物的非潤滑效應(yīng)，因而其內(nèi)摩阻力增大，同時，石英類礦物具有憎水性，黏結(jié)水與沙粒之間相互產(chǎn)生推力也使內(nèi)摩阻力增大。此外，黏結(jié)水不同于自由水，它具有一定的黏滯性、彈性和抗剪性，當(dāng)含水量較少時，水膜很薄，因而其連續(xù)作用很強(qiáng)，可增大內(nèi)聚力。這些因素導(dǎo)致風(fēng)積沙不易壓實。因此，風(fēng)積沙從干燥狀態(tài)到含水量較小(2%)時，干密度急劇下降。

隨著含水量的增大，結(jié)合水膜逐漸變厚，水的黏滯性隨著土顆粒之間距離的增加而減小，水在顆粒間的潤滑作用逐漸增加，使得土的內(nèi)摩阻力逐漸減少。在毛細(xì)水作用下，干密度值隨含水量增加而緩慢增長，但有時出現(xiàn)波動。隨著含水量的進(jìn)一步提高，水膜黏結(jié)力持續(xù)下降，毛細(xì)水作用進(jìn)一步增強(qiáng)。但是，當(dāng)重力水出現(xiàn)時，風(fēng)積沙顆粒間的空氣消失，毛細(xì)水作用急劇減少，顆粒間的黏結(jié)力迅速下降，干密度很快提高。

當(dāng)最佳含水量時，風(fēng)積沙干密度達(dá)到最大值。峰值過后，含水量繼續(xù)加大，沙的內(nèi)摩阻力和黏結(jié)力還在減小，但單位體積內(nèi)空氣的體積已減至最小限度，而水的體積卻在不斷增加。由于水是不可壓縮的，因此，在同樣擊實功作用下，沙的干密度值反而減小。

由于風(fēng)積沙天然含水量極小，再加上沙漠中氣溫干燥，經(jīng)過攤鋪、推平，碾壓時風(fēng)積沙的含水量已趨近于零，所以，采用干壓法施工風(fēng)積沙路基是完全可行的。

5 工藝流程及操作要點

5.1 施工工藝流程圖

相關(guān)施工工藝流程如圖3所示。

圖3 施工工藝流程

5.2 操作要點

5.2.1 施工準(zhǔn)備

5.2.1.1 內(nèi)業(yè)技術(shù)準(zhǔn)備

施工開始前，由技術(shù)負(fù)責(zé)人、質(zhì)檢工程師、專職安全員對全體施工人員進(jìn)行技術(shù)交底，交底內(nèi)容包括施工技術(shù)規(guī)范、質(zhì)量檢收標(biāo)準(zhǔn)、安全環(huán)保等，交底要詳細(xì)、具體，讓每個施工員都了解施工規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，同時，還要建立崗位責(zé)任制度。

5.2.1.2 人員、材料、機(jī)械準(zhǔn)備

現(xiàn)場施工人員已按要求配備齊全，責(zé)任分工明確，滿足施工管理要求；風(fēng)積沙填料確定由K1874＋000右側(cè)1 km取土場挖取；施工用各種機(jī)械已經(jīng)到場，各項性能經(jīng)調(diào)試性能良好，能夠滿足施工要求。

5.2.1.3 施工現(xiàn)場準(zhǔn)備

施工現(xiàn)場和通往取土場的施工便道已貫通，可以滿足施工需要。施工便道設(shè)專人維修養(yǎng)護(hù)，設(shè)置路標(biāo)和防護(hù)措施，另外派專人負(fù)責(zé)指揮，保證車輛和施工機(jī)械正常行駛。同時，要采取隨時灑水等抑塵措施，以減少施工作業(yè)產(chǎn)生的灰塵。

5.2.1.4 測量準(zhǔn)備

測量準(zhǔn)備包括以下幾點：①路基開工前做好施工測量工作，包括導(dǎo)線、中線點水準(zhǔn)點復(fù)測，橫斷面檢查與補(bǔ)測，增設(shè)水準(zhǔn)點等。②中線復(fù)測。路基開工前全面恢復(fù)了中線并固定了路線主要控制樁，同時，對坐標(biāo)點加以保護(hù)。對于路基內(nèi)的坐標(biāo)點，在開工前重新測設(shè)，以便控制路線中線。③校對及增設(shè)水準(zhǔn)點。使用水準(zhǔn)點前仔細(xì)校核，確認(rèn)實測結(jié)果未超出允許誤差（閉合差為±20√Lmm ，L為水準(zhǔn)路線長度，以km計），可以施工。增設(shè)的水準(zhǔn)點設(shè)在便于觀測的專門埋設(shè)的牢固混凝土樁上，間距不超過150 m。④路基施工前，根據(jù)恢復(fù)的路線中樁、設(shè)計圖表和有關(guān)規(guī)定定出路基用地界樁、坡腳等的具體位置樁。

5.2.2 測量放樣

在路基填筑施工前進(jìn)行中樁及邊坡放樣，以控制路基填筑的寬度。機(jī)械施工時，在中樁邊樁處設(shè)立了明顯的填挖標(biāo)志，在不大于200 m的段落內(nèi)距中心樁一定距離處埋設(shè)控制標(biāo)高的控制樁進(jìn)行施工控制，如果發(fā)現(xiàn)控制樁丟失或碰倒應(yīng)及時補(bǔ)上。在取沙位置定點設(shè)立明顯標(biāo)志，注明允許的挖掘深度、寬度和所供應(yīng)的路基范圍樁號。

5.2.3 基底處理

開挖至設(shè)計標(biāo)高后，及時對基底進(jìn)行浸水，待含水率符合要求后，開始對風(fēng)積沙路基填筑前基底進(jìn)行碾壓處理。基底碾壓采用自重26 t的寶馬格全液壓壓路機(jī)。經(jīng)現(xiàn)場測量和試驗監(jiān)理旁站，試驗人員檢測基底壓實度不小于90%之后方能進(jìn)行下步施工工序。

5.2.4 分層填筑

分層填筑時要注意以下幾點：①所用填料必須先在現(xiàn)場和試驗監(jiān)理的見證下取樣送試驗室進(jìn)行相關(guān)試驗，出具土工報告，確認(rèn)符合要求后方能使用。②路基填筑時，按照全斷面全寬推筑，并采用水平方式填筑，每層虛鋪厚度控制在50 cm左右。③為了保證路基邊緣的壓實質(zhì)量，路基填筑時兩側(cè)均應(yīng)超填50 cm。④填筑時，采用撒方格網(wǎng)的方法控制虛鋪厚度。路基面上按照現(xiàn)場運(yùn)料車的容量、50 cm的虛鋪厚度，用石灰灑出相應(yīng)面積大小的方框，一個方框內(nèi)傾倒一車填料，以此保證虛鋪厚度。

5.2.5 整平

整平時要注意以下3點：①風(fēng)積沙采用推土機(jī)粗平和平地機(jī)精平進(jìn)行整平。②整平前，采用定樁掛線的方法控制平整度。路基每隔一定距離放出填筑邊線和中線，打下木樁，保證其牢固可靠。同時，在木樁上虛鋪高度位置掛上線繩，平地機(jī)以線繩為標(biāo)準(zhǔn)平整，以此保證局部凹凸不大于1.5 cm。③邊樁及中樁掛線高度應(yīng)考慮路基設(shè)計1.5%的路拱橫坡要求，保證路拱橫坡一次成型，避免后期重復(fù)施工。

5.2.6 碾壓

考慮到風(fēng)積沙比表面大，無黏性，松散性強(qiáng)，普通膠輪壓路機(jī)作業(yè)時容易陷車，因此，采用大型卡特D8N推土機(jī)先進(jìn)行初壓，然后再采用26 t寶馬格全液壓壓路機(jī)復(fù)壓。

每層填料攤鋪平整后，用卡特D8N推土機(jī)初壓，自重26 t寶馬格全液壓壓路機(jī)復(fù)壓，使其達(dá)到規(guī)定壓實度，且表面需平整，各項指標(biāo)符合設(shè)計要求，局部表面不平整處補(bǔ)平并碾壓。根據(jù)設(shè)計要求，路床頂面以下0～80 cm深度風(fēng)積沙壓實度不應(yīng)小于96%，80～150 cm深度風(fēng)積沙壓實度不應(yīng)小于94%.碾壓時，采用“先推土機(jī)初壓、后壓路機(jī)弱振、再靜壓”的方式。94區(qū)碾壓遍數(shù)及順序為，用推土機(jī)和壓路機(jī)共碾壓5遍，先用推土機(jī)碾壓2遍，再用壓路機(jī)弱振2遍，最后用壓路機(jī)靜壓1遍。96區(qū)碾壓遍數(shù)及順序為，用推土機(jī)和壓路機(jī)共碾壓6遍，先用推土機(jī)碾壓2遍，再用壓路機(jī)弱振3遍，最后用壓路機(jī)靜壓1遍。推土機(jī)和壓路機(jī)碾壓時均將速度控制在2.0～4.0 km/h的范圍內(nèi)，盡量保持勻速行駛，避免突然加減速。碾壓輪跡均從路基邊緣向中心移動，推土機(jī)輪跡重疊1/2履帶寬度，壓路機(jī)輪跡重疊1/3碾壓輪寬度。由風(fēng)積沙干壓法相關(guān)工藝性試驗可知，由于風(fēng)積沙具有比表面積大、顆粒較細(xì)、級配不良、無黏結(jié)性、天然含水量小、保水性差的特性，在碾壓過程中出現(xiàn)過壓的情況后，原本密實的土體會變得更加松散，相應(yīng)的壓實度也減小。因此，在碾壓過程中，碾壓遍數(shù)應(yīng)嚴(yán)格按照相關(guān)工藝性試驗得出的數(shù)字進(jìn)行。

5.2.7 標(biāo)高控制

在風(fēng)積沙路基施工中，因風(fēng)積沙顆粒細(xì)小，地表土質(zhì)松散無黏結(jié)力等原因，路基高程相對于一般路基高程較難控制，所以，應(yīng)采取以下措施：①加密控制點數(shù)量，要比一般路基增加1/3，重要高程控制點盡可能采用混凝土樁或直徑不小于10 cm的鋼管樁，樁的埋置深度不小于100 cm，露出地表30 cm。樁基座要澆筑水泥砂漿或混凝土，并在周圍設(shè)置醒目標(biāo)志以便查找。②高程測量采用全站儀并配合水準(zhǔn)儀，由全站儀測量路線控制點，用水準(zhǔn)儀測量路基的其他部位。③為了減小在凹凸不平路基上的測量誤差，可制作直徑為50 cm、厚度1～2 cm的木制或鋁制圓盤，將圓盤中心放在待測點上，再將塔尺放在圓盤中心進(jìn)行測量并計算高程，以便將測點的高程轉(zhuǎn)變?yōu)?0 cm范圍內(nèi)面的高程，從而提高施工測量精度。

5.2.8 質(zhì)量檢測

風(fēng)積沙路基無法進(jìn)行彎沉測量，頂面強(qiáng)度可通過天然砂礫底基層的彎沉確定。在此要求必須保證天然砂礫底基層的彎沉值滿足設(shè)計要求。代表彎沉值應(yīng)不大于允許的彎沉值，對于舍棄的彎沉值過大的點，應(yīng)找出周圍界限，并進(jìn)行局部處理。對壓實度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，其下置信界限應(yīng)不小于標(biāo)準(zhǔn)值。路基壓實度是衡量施工質(zhì)量的重要指標(biāo)。風(fēng)積沙路基土質(zhì)松散，黏結(jié)力嚴(yán)重不足，檢測時，由于土樣發(fā)生擾動，在含水量小于3%的情況下，無法用規(guī)范規(guī)定的環(huán)刀法和灌沙法獲取壓實度值。為了快速、有效地在施工現(xiàn)場測定壓實度，一般情況下，風(fēng)積沙路基壓實度檢測采用浸水環(huán)刀法。

5.3 勞動力組織

本施工工藝所需現(xiàn)場管理人員如表2所示。本施工工藝所使用的現(xiàn)場勞動力如表3所示。

表2 現(xiàn)場管理人員

表3 勞動力組織

6 材料與設(shè)備

施工時用到的主要施工機(jī)具如表4所示。

表4 施工機(jī)具配置

7 質(zhì)量控制

7.1 質(zhì)量控制要點

風(fēng)積沙干壓法填筑施工工程質(zhì)量控制要點主要有以下幾點：①風(fēng)積沙的顆粒級配；②風(fēng)積沙天然狀態(tài)下含水率；③壓實度（通過試驗段確定適宜的施工參數(shù)）；④過程控制中的虛鋪厚度；⑤路拱橫向坡度；⑥路基面的平整度。

7.2 質(zhì)量控制方法

路基填筑必須經(jīng)過試驗。路基施工會破壞土體的天然狀態(tài)，致使結(jié)構(gòu)松散，顆粒重新組合。為了使路基填筑有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，必須予以機(jī)械壓實，以提高其密實程度。影響路基壓實效果的因素有內(nèi)因和外因2個方面，內(nèi)因指土質(zhì)和濕度，外因指壓實功能（比如機(jī)械性能、壓實時間與速度、土層厚度）以及壓實時的外界自然因素和人為因素。風(fēng)積沙細(xì)顆粒含量會影響壓實效果，因此，在施工過程中要選好料源。路基填筑時，為了保證機(jī)械施工，第一層可稍大于50 cm，后續(xù)每層填筑松鋪厚度以不超過30～50 cm分層鋪筑壓實。在施工過程中，采用推土機(jī)和壓路機(jī)具施工，每層壓實厚度不超過50 cm。在碾壓過程中，采用先兩側(cè)后中間，先靜壓后弱振、再靜壓的操作程序進(jìn)行碾壓。94區(qū)碾壓順序為，推土機(jī)碾壓2遍，弱振2遍，再靜壓1遍；96區(qū)碾壓順序為，推土機(jī)碾壓2遍，弱振3遍，再靜壓1遍。碾壓行駛速度應(yīng)不超過4 km/h。

7.3 質(zhì)量檢驗

風(fēng)積沙路基填筑完成后，應(yīng)及時進(jìn)行相關(guān)質(zhì)量檢驗，檢驗數(shù)量和檢驗方法應(yīng)符合表5的規(guī)定。

表5 路基實測項目

8 安全措施

在施工過程中，要采取相應(yīng)的安全保障措施，具體有以下幾點：①施工區(qū)在施工前應(yīng)設(shè)警示標(biāo)志，嚴(yán)禁非操作人員出入；②施工中，應(yīng)定期檢查、養(yǎng)護(hù)、維修機(jī)械設(shè)備；③路基施工前，應(yīng)對施工鄰近區(qū)已有建筑物，比如地下電纜和管線等進(jìn)行調(diào)查，嚴(yán)防情況不明、盲目施工導(dǎo)致地下電纜和管線等被破壞的情況發(fā)生；④為了保證施工安全，現(xiàn)場應(yīng)有專人統(tǒng)一指揮，并設(shè)安全員負(fù)責(zé)現(xiàn)場的安全工作，堅持班前進(jìn)行安全教育；⑤現(xiàn)場設(shè)專人指揮、調(diào)度，確定合適的機(jī)械車輛走行路線，并設(shè)立明顯標(biāo)志，防止相互干擾碰撞，機(jī)械作業(yè)要留有安全距離；⑥制訂作業(yè)程序和運(yùn)行路線，確保協(xié)調(diào)施工，安全生產(chǎn)；⑦因本項目地處新疆沙漠邊緣地帶，大風(fēng)和沙塵天氣比較多，所以，在施工過程中，應(yīng)做好相關(guān)預(yù)防措施，風(fēng)力大于6級時現(xiàn)場應(yīng)停止施工。

9 環(huán)保措施

9.1 施工噪聲、振動的控制

施工噪聲、振動的控制包括以下幾點：①設(shè)備選型優(yōu)先考慮低噪聲產(chǎn)品，設(shè)備底座設(shè)置防振基礎(chǔ)，同時，采取相關(guān)措施或改進(jìn)施工方法，使施工噪聲、振動達(dá)到施工場界環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)。②選擇低噪聲設(shè)備，在選型時嚴(yán)格比較噪聲大小。③合理布置各種施工作業(yè)區(qū)和生活作業(yè)區(qū)，利用距離、隔墻使噪聲大幅度自然衰減。④出入現(xiàn)場的機(jī)械、車輛做到不鳴笛，不急剎車，同時，還要加強(qiáng)對設(shè)備的維修，定時保養(yǎng)潤滑。對與施工無關(guān)的人員和車輛加以控制，避免或減小噪聲。

9.2 粉塵控制

在施工過程中，對于施工現(xiàn)場的地面，要定期壓實或灑水，減少灰塵對環(huán)境的污染。在有粉塵的作業(yè)環(huán)境中作業(yè)時，除灑水外，作業(yè)人員還必須配備勞保防護(hù)用品。在運(yùn)輸易飛揚(yáng)的散料時，裝料要適中，并用篷布覆蓋。儲料場松散易飛揚(yáng)的材料要用彩條布遮蓋，避免運(yùn)輸、裝卸和刮風(fēng)時揚(yáng)塵。

9.3 植被保護(hù)

本項目地處荒漠戈壁地帶，生態(tài)環(huán)境極其脆弱，因此，在施工過程中，應(yīng)注意植被保護(hù)，盡量避免對植被的破壞。臨時用地使用完后，必須恢復(fù)至原有的地形地貌或原有情況有所改善的狀態(tài)。

9.4 廢水、廢渣處理

施工廢水要按照有關(guān)要求處理達(dá)標(biāo)后排放，以免污染周圍水環(huán)境。在施工時，要對天然形成的排水系統(tǒng)加以保護(hù)，不得隨意改變，必要時修建臨時水渠、水溝、水管等。另外，廢渣、建筑垃圾等要集中棄往設(shè)計指定的棄碴場。

10 結(jié)束語

綜上所述，風(fēng)積沙路基采用干壓法施工，可以節(jié)約施工用水，減少對地下水源的破壞，節(jié)省施工周期，延長有效施工時間，在天然含水率下既達(dá)到了最佳壓實度，又保證了施工質(zhì)量。根據(jù)土工擊實試驗測得的取土場風(fēng)積沙最佳含水率為16%～18.5%，如果采用濕壓法計算的消耗用水約1.24×106m3，根據(jù)成本計算沙漠地段每方水4元（含運(yùn)費），可節(jié)省496萬元，節(jié)省人工費及機(jī)械燃油費45.5萬元。節(jié)約用水和油耗明顯，經(jīng)濟(jì)效益顯著。無論從節(jié)約用水，保護(hù)地下水源，還是從投資收益的角度而言，該施工方法具有較大的推廣和應(yīng)用價值。

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