山區(qū)高等級公路填石路基施工技術(shù)探討

■黃章佳

（南平武沙高速公路有限責(zé)任公司，南平 353000）

0 前言

福建省境內(nèi)峰嶺聳峙，丘陵連綿，山地、丘陵占全省總面積的80%以上，高速公路項(xiàng)目路段難免會遇到高填深挖的情況，為了盡可能保持平衡填挖，減少棄方和保持道路縱坡平順，高填方填石路堤是省內(nèi)高等級公路建設(shè)普遍采用的路基形式。

此類填石路基碎石填料主要由開挖邊坡與隧道爆破開采石料或其他建筑廢棄石料組成，粒徑較大，均勻性較差，很容易產(chǎn)生離析現(xiàn)象。碎石路堤顆粒之間粘聚力有限，但強(qiáng)度很高，往往形成嵌固骨架，短時間碾壓不能使路基達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，工程完工后不均勻沉降問題時常影響到公路后期的通車運(yùn)營質(zhì)量。同時，在高填方填石路堤建設(shè)中，常因路基壓實(shí)度不足、填料不良、填筑方法不當(dāng)、地基軟弱或暴雨等因素，發(fā)生路面沉陷、裂縫、路基邊坡坍塌、整體滑移等大量工程病害，這對社會經(jīng)濟(jì)與人身安全造成不利影響。

筆者現(xiàn)結(jié)合自身從事南平寧武高速公路工程建設(shè)項(xiàng)目管理經(jīng)驗(yàn)，對高填石路基現(xiàn)場施工工藝進(jìn)行探討，希望能夠從提高施工質(zhì)量入手，更為有效地解決山區(qū)高等級公路高填方填石路堤的破壞失穩(wěn)問題。

1 現(xiàn)行規(guī)范對填石路基的規(guī)定

國內(nèi)填石路基的研究起步較晚，對大粒徑碎石這一填料的工程特性和施工工藝沒有較為系統(tǒng)深入的研究和完善的總結(jié)，并且以往的經(jīng)驗(yàn)也缺少一定的理論指導(dǎo)和支持。文獻(xiàn)1對填石路堤的填筑材料、基底處理、施工標(biāo)準(zhǔn)、施工質(zhì)量等方面進(jìn)行了說明與規(guī)范，但基本上是參照的土質(zhì)路堤或土石混合路堤的建筑標(biāo)準(zhǔn)來制定，沒有考慮其特殊性。例如：施工質(zhì)量控制對壓實(shí)度、彎沉、平整度方面均與土質(zhì)路堤的規(guī)定相同或略有相差無幾。鑒于填石路堤的特殊特性，在施工過程中，除應(yīng)滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定外，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際實(shí)地情況，關(guān)注主要施工步驟的施工質(zhì)量。

2 工程概況

南平寧武高速公路S2合同段K115+890～K142+050路段位于南平市政和縣境內(nèi)，屬長約26km平均縱坡達(dá)2.483%的長下坡路段，該段地形復(fù)雜，橋隧比例高達(dá)91.8%，施工難度較大，在施工圖審查階段時從安全角度考慮在該段共設(shè)置了兩處停車加水區(qū)和三處緊急制動車道，其中本文介紹的高填方填石路堤路段位于河氽隧道和大紹1號隧道之間，全長約300m。該段落原設(shè)計(jì)為一座長度為213m的大紹大橋和一處停車加水區(qū)，但受地形限制，該加水區(qū)與隧道的間距小于1km，變速車道延伸至隧道內(nèi)，進(jìn)出車輛需在隧道內(nèi)變道，存在極大的安全隱患，最終變更取消大紹大橋及加水區(qū)做法，調(diào)整為單獨(dú)在K129+600處設(shè)置緊急制動車道及高填方填石路堤做法。路基沿線地質(zhì)表層為薄層殘坡積土，下部為碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖及弱-微風(fēng)化凝灰熔巖，地質(zhì)條件良好。由于該緊急制動車道修筑在地勢險(xiǎn)峻，溝壑縱橫的山嶺地區(qū)，填方高度非常大，為減少地基沉降和不均勻變形等破壞，采用填石路堤。路基填料采用隧道石渣及就近取石場開采的石料填筑。現(xiàn)場地貌及施工期間狀態(tài)見圖1與圖2。

3 填石路基建筑材料級配

對于填石建筑材料，在滿足施工規(guī)范規(guī)定情況下，粒徑級配是填筑質(zhì)量的關(guān)鍵。填料粒徑較大，均勻性較差，易產(chǎn)生離析現(xiàn)象，導(dǎo)致路基不同部位密實(shí)度有很大差別，壓實(shí)過程中，石料有可能不斷被壓碎，改變了原有的粒徑組成，從而影響路基密度、強(qiáng)度及穩(wěn)定性。

圖1 現(xiàn)場地貌

圖2 高填方填石路堤施工狀態(tài)圖

現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定，填石路堤填料的最大粒徑應(yīng)不大于50cm，并且不超過層厚的2/3。路床底面以下40 cm范圍內(nèi)，填料粒徑應(yīng)小于15cm。路床填料粒徑應(yīng)小于10 cm[1]。

類似于瀝青混合料的骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，大粒徑碎石形成空間骨架，小粒徑填料充填骨架的孔隙，顆粒之間的摩擦力和嵌擠鎖結(jié)力增大，內(nèi)摩擦角增大。路基在壓實(shí)過程中的壓實(shí)功效能有效、均衡地傳給各種粒徑大小的顆粒，從而導(dǎo)致填筑體中的空隙明顯減小，單位體積內(nèi)的密實(shí)程度得到提高，而路基本身的抗剪強(qiáng)度也會明顯增大，路基填筑體易于壓實(shí)密實(shí)、變形穩(wěn)定。填石路基填料的不均勻系數(shù)小于10時不能夠達(dá)到有效地壓實(shí)，而不均勻系數(shù)在20左右時較易于壓實(shí)[2]。

該緊急制動車道路基的填料主要利用了相鄰兩個的隧道洞渣填筑，其余路基填料利用取石場開采石方填筑。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，填方石料抗壓強(qiáng)度不小于35MPa，用于護(hù)坡碼砌的石料抗壓強(qiáng)度不小于40MPa。

根據(jù)本工程的施工經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，當(dāng)粒徑大于20cm的填料含量在20%～40%之間，粒徑在2cm以下的填料含量在10%～25%之間，填石路基的級配組合較為合理。在填筑路堤過程中應(yīng)嚴(yán)格控制填料和粒徑，不得填土且對超粒徑的石塊要進(jìn)行二次解小，不能解小的不得用于路基填筑。利用隧道爆破洞渣的部分石料應(yīng)選用圍巖等級較高（如Ⅱ級、Ⅲ級）的、強(qiáng)度較好的巖質(zhì)，同時為了減少二次解石的工程量，建議對該段的隧道開挖過程及采石場石料開采過程中采用密集深孔毫秒微差爆破技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)80%爆巖塊度在20～30cm之間。

4 填石路基地基處理要求

4.1 填石路基對地基承載力的施工要求

地基承載力是保證路基壓實(shí)質(zhì)量和使用性能的先決條件，地基的沉降是路堤沉降的重要組成部分。地基承載力不足或不均勻必然會引起上方路堤產(chǎn)生坍塌、失穩(wěn)、沉降量過大等問題。填石路基由于填料強(qiáng)度大，對整體穩(wěn)定性要求高，且填筑高度越高其自重越大，故對于原地表土、淤泥質(zhì)土等軟弱地基，應(yīng)預(yù)先進(jìn)行處理路基清表，施工時應(yīng)嚴(yán)格按實(shí)際地質(zhì)清除地表的漂石、素土和亞粘土層-碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化層，保證路基的穩(wěn)定。其中，由于山區(qū)復(fù)雜地貌情況，通常此類高填石方工程兩端緊挨著的就是兩座隧道的出口和進(jìn)口，故施工進(jìn)場工序安排變得尤為關(guān)鍵，填方區(qū)域內(nèi)的清表工作務(wù)必放在首位，避免因?yàn)榍謇硭淼蓝纯诠ぷ髅婧吞幚硭淼肋M(jìn)出口段軟弱圍巖時提前掩埋部分填方區(qū)域，從而導(dǎo)致清表土層處理不徹底影響整體填方質(zhì)量或因土石方多次挖填調(diào)運(yùn)導(dǎo)致施工成本不必要的增加，造成經(jīng)濟(jì)上和工期上的浪費(fèi)。

4.2 填石路基對排水的施工要求

在填石路基施工過程中，路基排水設(shè)施是防止路堤水毀的重要舉措。填石路基內(nèi)孔隙較大，水很容易從邊坡或者路面侵入路基，降低地基承載力，影響路堤的穩(wěn)定性。本工程為防止地基水毀，當(dāng)?shù)鼗秶鷥?nèi)地面水或者地下水影響基底穩(wěn)定時，對路堤采取了必要的引排、攔截措施，防止浸水對地基產(chǎn)生不良影響。

圖3 路堤邊坡排水做法

4.3 填石路基對地基坡度的施工要求

當(dāng)原地基有一定的坡度時，為保證填石路堤的整體穩(wěn)定性，應(yīng)對地基進(jìn)行如下處理：

（1）在地基橫坡陡于1∶5的地段，應(yīng)將原地面挖成寬度不小于2.0m，高1.0m的搭接臺階，高填方陡坡路基為保證路基穩(wěn)定和便于施工需開挖大臺階，同時臺階應(yīng)做內(nèi)傾處理，然后進(jìn)行平整壓實(shí)，使基底強(qiáng)度和密實(shí)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求；

（2）在地基橫坡緩于1∶5的地段，當(dāng)清除樹根草皮或腐植土后，承載力滿足要求時，可直接在天然地面上填筑填石路堤[3]。

5 填石路基施工質(zhì)量控制

5.1 攤鋪方式的選擇

漸進(jìn)式攤鋪法是高等級公路填石路基較為適合的攤鋪工藝。在用推土機(jī)將石料向前推進(jìn)時，填料前面沒有阻擋物，且己有的卸料面與原有的壓實(shí)面形成一定的落差，這就能夠?yàn)檩^大粒徑的石料提供一個較為充分尋求最佳位置的過程，使其落到壓實(shí)層的層底，最終到達(dá)一個較為穩(wěn)定的位置，同時細(xì)料也能較好地填充空隙，使填料嵌擠緊密，從而為壓路機(jī)提供了一個較好的工作面。壓實(shí)層面較易于整平，同時也容易控制填料的填筑厚度，從而減少整平工序的時間，并且為填石路基的壓實(shí)工作提供了一個較好的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，有利于提高路基的壓實(shí)質(zhì)量。

5.2 松鋪厚度的質(zhì)量控制

松鋪厚度是填石路堤施工控制的關(guān)鍵參數(shù)。從壓實(shí)質(zhì)量來看，松鋪層厚越薄，壓實(shí)后的密實(shí)程度越大，壓實(shí)質(zhì)量也越好，但工期、成本也相應(yīng)增加。高等級公路分層松鋪厚度不宜超過50 cm。另外，在相同松鋪厚度的條件下，填料的強(qiáng)度越高，路基壓實(shí)層的沉降率也越大，同時彎沉值也越小，路基模量相應(yīng)也在增大。因此，當(dāng)填料強(qiáng)度大時，應(yīng)適當(dāng)減少松鋪厚度，當(dāng)填料強(qiáng)度較低時，可適當(dāng)增加松鋪厚度。

5.3 碾壓過渡層的設(shè)置

在土質(zhì)地基上填筑填石路基時，為防止填料中的細(xì)粒料遷移，應(yīng)設(shè)置過渡層。建議在過渡層填料的粒徑組成應(yīng)符合以下要求：M15/F15＞5，M15/F85＜5， 其中 M15 為過渡層填料中通過率為15%的粒徑，F(xiàn)15為地基細(xì)料土中通過率為15%的粒徑，F(xiàn)85為地基細(xì)料土中通過率為85%的粒徑，過渡層的厚度為50cm。這樣可以有效地提高地基的強(qiáng)度與均勻性。

6 填石路基壓實(shí)工藝

圖4 填石路基攤鋪現(xiàn)場

路基壓實(shí)質(zhì)量直接關(guān)系公路整體質(zhì)量和使用壽命，路基壓實(shí)一般采用振動壓實(shí)法。但對于填方高度較大的填石路基，采用大功率的振動壓實(shí)機(jī)械壓實(shí)后，即使沉降差達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的2 mm以內(nèi)，填石路基孔隙比還是較大，施工后仍避免不了較大的沉降，因此對于填石高度較大的路段可采用沖擊碾壓[4]，施工現(xiàn)場采用的沖擊碾壓機(jī)械如圖5所示。沖擊碾壓相當(dāng)于低頻高幅沖擊壓實(shí)土體，產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊波向地下深層傳播，具有地震的特點(diǎn)，可使石塊蠕動，減小石塊間的孔隙，提高路基的壓實(shí)度，進(jìn)而增強(qiáng)填石路基的整體強(qiáng)度和穩(wěn)定性，大大降低工后沉降，確保填石路基的施工質(zhì)量[5]。

圖5 路基沖擊碾壓機(jī)械

根據(jù)現(xiàn)場工程試驗(yàn)段結(jié)果，填石路基總的壓實(shí)過程是：攤鋪后較為松散的碎石填料在外力壓實(shí)功的作用下，內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，失去了攤鋪時最初的應(yīng)力平衡狀態(tài)，顆粒之間克服摩擦力，彼此移動，不斷被擠密靠近，同時互相填充，出現(xiàn)新的粒徑組成排列，導(dǎo)致路基填筑體的孔隙減小，密實(shí)程度增大；隨著施加的外力不斷增大，促使石料顆粒移動、充填的能量亦隨之增大，填筑體愈趨密實(shí)；當(dāng)路基填筑體密實(shí)到一定程度之后，顆粒間的孔隙較小，達(dá)到了新的更加穩(wěn)定的應(yīng)力平衡，此時再增大壓實(shí)功能，顆粒也不易再移動、充填。由此可見，填石路基壓實(shí)的根本目的在于使碎石填料之間由松散狀態(tài)變?yōu)榻佑|狀態(tài)再變?yōu)閳?jiān)實(shí)咬合狀態(tài)，從而形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

7 小結(jié)

（1）目前對于填石路基研究尚未成熟，施工規(guī)范規(guī)定較為簡單，應(yīng)關(guān)注填筑施工關(guān)鍵環(huán)節(jié)的施工質(zhì)量。

（2）填石材料的合理級配是影響填筑質(zhì)量的重要指標(biāo)，應(yīng)對爆破采集的填石材料進(jìn)行篩選處理。

（3）結(jié)合工程案例，本文對高等級公路填石路基的地基處理、地基排水處理、攤鋪方式、壓實(shí)工藝等施工環(huán)節(jié)，進(jìn)行選擇和介紹，工程運(yùn)營情況較好，施工質(zhì)量得到保證，可以在同類工程中推廣。

[1]華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，JTG F10-2006，公路路基施工技術(shù)規(guī)范。北京：人民交通出版社，2006．

[2]吳祥海.填石路基施工工藝控制技術(shù)研究[D].長安大學(xué)，2007

[3]林舒心.山區(qū)高填方填石路堤穩(wěn)定分析與處治措施探討.福建交通科技，2016（3）.

[4]路立龍.關(guān)于山區(qū)高速公路填石路基施工技術(shù)的探討[J].公路，2004（5）.

[5]茍桂枝.沖擊壓實(shí)機(jī)壓實(shí)效果的理論分析[J]．公路，2001，（10）．