謝蘭夫，洪祥水

（浙江交工金筑交通建設(shè)有限公司，杭州 310051）

紅砂巖富含鐵質(zhì)氧化物，呈紅色、深紅色或褐色，形成于侏羅紀(jì)到新近紀(jì)[1-2]，在我國東西部山嶺地區(qū)廣泛分部[3]，是高速公路建設(shè)過程中經(jīng)常遇到的一類特殊巖土體。由于紅砂巖遇水易發(fā)生崩解與軟化，工程穩(wěn)定性差，施工質(zhì)量難以控制，不宜直接用于高等級公路路基填筑[4-5]。G60 滬昆高速公路金華互通至浙贛界段穿越金衢盆地的中部，地層由第四系覆獸土質(zhì)層、第三系的紅褐色砂巖組成，巖體風(fēng)化程度不一，若采用換填處理，會增加工期和工程成本，還會破壞周邊生態(tài)環(huán)境，使工程建設(shè)面臨巨大挑戰(zhàn)。開發(fā)適用于紅砂巖路基的填筑工藝將取得良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

近年來，國外的IC 技術(shù)已在道路工程中廣泛應(yīng)用，在控制施工質(zhì)量方面，取得較好效果。反觀國內(nèi)智能碾壓技術(shù)的研究剛剛起步，將智能碾壓技術(shù)應(yīng)用于紅砂巖路基填筑施工，對于工程質(zhì)量控制有著重要意義。本研究將依托G60 滬昆高速公路金華互通至浙贛界段TJ04 標(biāo)段項目，以浙江山區(qū)的紅砂巖作為研究對象，提出合理有效的紅砂巖路基智能碾壓施工技術(shù)及質(zhì)量控制方法。相關(guān)研究成果對改善和提高紅砂巖路基段道路使用壽命和保證行車舒適性具有重要意義，可為今后類似地區(qū)高等級公路路基的設(shè)計、施工以及相關(guān)規(guī)范的修訂提供技術(shù)參考。

1 工程概況

杭金衢第TJ04 標(biāo)段起點(diǎn)樁號K356+140，終點(diǎn)樁號K409+000，建設(shè)里程約52.86 km，路基工程是整個工程的重點(diǎn)，紅砂巖路基挖方工程量約170.5 萬m3。若將其直接作為路基填料，會導(dǎo)致路基沉陷、開裂、表層松散及承載力不足等病害，加上工期要求嚴(yán)格，給路基施工帶來了巨大挑戰(zhàn)。針對上述問題，集團(tuán)公司聯(lián)合高校共同研發(fā)了“紅砂巖質(zhì)土高速公路路基智能化壓實(shí)技術(shù)”，成功將挖方紅砂巖用于路基填筑，踐行了綠色施工理念。同時采用智能壓實(shí)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了施工過程的信息化管理，提高了工效，保證了路基的壓實(shí)質(zhì)量。該技術(shù)適用于紅砂巖地區(qū)的路基智能壓實(shí)工程施工，具有良好的推廣價值。

2 技術(shù)特點(diǎn)

2.1 施工速度快

本技術(shù)采用智能化路基壓實(shí)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了紅砂巖質(zhì)土路基填筑施工過程中對碾壓遍數(shù)和速度的精準(zhǔn)控制，做到了路基碾壓施工監(jiān)控可視化、數(shù)據(jù)采集動態(tài)化、歷史數(shù)據(jù)可查化，避免了路基重復(fù)碾壓與欠壓提高了施工效率，縮短了工期。

2.2 施工質(zhì)量高

本技術(shù)改良了常規(guī)高速公路路基施工工藝，利用紅砂巖遇水崩解特性及消解后土顆粒的重組黏聚并強(qiáng)化的性質(zhì)，增加紅砂巖充分破碎、潤濕、靜置工序，提高紅砂巖質(zhì)土的抗剪強(qiáng)度，避免紅砂巖填料崩解導(dǎo)致的工后病害，保證了路基壓實(shí)質(zhì)量。

2.3 經(jīng)濟(jì)和社會效益顯著

本技術(shù)將挖方的紅砂巖用于路基填筑，減少了棄渣運(yùn)輸費(fèi)用和公路工程對外借方，節(jié)約了成本；同時減少了棄渣污染，有利于環(huán)境保護(hù)。

3 技術(shù)原理

利用紅砂巖遇水崩解性質(zhì)進(jìn)行消解預(yù)處理。紅砂巖含有伊利石和蒙脫石等礦物質(zhì)，遇水易崩解。通過崩解試驗發(fā)現(xiàn)：消解處理后的紅砂巖質(zhì)土顆粒將發(fā)生黏聚重組現(xiàn)象及強(qiáng)化作用，證明紅砂巖消解處理后是良好的路基填料，因此先將紅砂巖充分破碎、潤濕、靜置，再用于路基填筑，避免紅砂巖崩解導(dǎo)致的工后病害。紅砂巖灑水崩解如圖1 所示，破碎處理如圖2 所示。

圖1 紅砂巖灑水崩解

圖2 紅砂巖破碎處理

采用信息化技術(shù)實(shí)現(xiàn)路基智能壓實(shí)。智能壓實(shí)技術(shù)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)攤鋪碾壓動態(tài)監(jiān)控，由施工端、服務(wù)端和客戶端3 部分組成，通過設(shè)備外置攝像頭和內(nèi)置GPS 定位系統(tǒng)采集和分析碾壓過程中壓路機(jī)運(yùn)行參數(shù)和運(yùn)行軌跡，反饋至服務(wù)器，動態(tài)監(jiān)測和評估路基的壓實(shí)效果，并在電腦和手機(jī)終端實(shí)時查看設(shè)備、樁號、里程、壓實(shí)面積、壓實(shí)遍數(shù)和壓實(shí)層數(shù)等信息，根據(jù)終端顯示的顏色指示條判別各區(qū)域壓實(shí)情況，實(shí)時調(diào)整碾壓機(jī)械的運(yùn)行參數(shù)，對未達(dá)到壓實(shí)遍數(shù)和欠壓區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)壓，并根據(jù)最終的壓實(shí)報告判斷壓實(shí)質(zhì)量。

4 工藝流程及操作要點(diǎn)

4.1 工藝流程

施工工藝流程為：施工準(zhǔn)備→紅砂巖預(yù)處理→清表及壓實(shí)→壓實(shí)度檢測及標(biāo)高測量→堆料整平→智能壓實(shí)→鋪設(shè)土工格柵→最后一層填料的攤鋪和壓實(shí)。

4.2 操作施工要點(diǎn)

4.2.1 施工準(zhǔn)備

路基填筑前做好測量工作，施工放樣時，根據(jù)設(shè)計路線中樁準(zhǔn)確放樣路基中線，并確定路堤坡腳、邊溝樁位，在路基邊線設(shè)間隔不宜大于50 m 的控制樁，并標(biāo)注下一層填筑高度。選擇2 臺XS263J 型26 t 的智能壓路機(jī)，進(jìn)場前對設(shè)備進(jìn)行驗收，保持性能良好，并配備專業(yè)司機(jī)。

4.2.2 紅砂巖預(yù)處理

將主線路塹挖方產(chǎn)生的紅砂巖運(yùn)至預(yù)處理場地，按指定位置堆放，利用機(jī)械設(shè)備將紅砂巖充分破碎，并對其均勻灑水、充分潤濕，確保完全崩解。使填筑用紅砂巖含水量控制在最佳含水量的±2%。

4.2.3 清表及壓實(shí)

對原路基進(jìn)行清表，并對清理后的路基進(jìn)行壓實(shí)處理。

4.2.4 壓實(shí)度檢測及標(biāo)高測量

現(xiàn)場采用灌砂法測量壓實(shí)度，利用水準(zhǔn)儀進(jìn)行標(biāo)高測量，確保壓實(shí)度需滿足設(shè)計及規(guī)范要求。

4.2.5 堆料和整平

根據(jù)設(shè)計松鋪厚度和方量用石灰畫出布料網(wǎng)格線，并按照網(wǎng)格布料。攤鋪過程中按路寬均勻攤鋪，厚度為30 cm，每層填料兩側(cè)超寬鋪設(shè)30 cm。

4.2.6 智能壓實(shí)

利用公路壓實(shí)質(zhì)量實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控路基壓實(shí)質(zhì)量，監(jiān)控過程中，客戶端從數(shù)據(jù)庫中讀取數(shù)據(jù)信息，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)信息實(shí)時繪制壓路機(jī)碾壓軌跡、振動頻率及路基壓實(shí)監(jiān)測指標(biāo)和單位體積壓實(shí)功等信息，并生成壓實(shí)報告。

當(dāng)壓路機(jī)振動狀態(tài)、碾壓遍數(shù)、壓實(shí)度等指標(biāo)不滿足要求時，PC 監(jiān)控端、分控中心及現(xiàn)場個人數(shù)字助理（PDA）會收到預(yù)警，現(xiàn)場根據(jù)預(yù)警情況實(shí)時動態(tài)調(diào)整施工。

4.2.7 鋪設(shè)土工格柵

最后一層路基填料攤鋪碾壓前鋪設(shè)土工格柵，鋪設(shè)過程中確保底面平整、密實(shí)，相鄰?fù)凉じ駯糯罱娱L度不小于0.3 m，每隔1.5～2 m 用一種“h”形土工格柵固定裝置固定，如圖3 所示。

4.2.8 最后一層填料的攤鋪和壓實(shí)

按上述攤鋪和壓實(shí)工藝進(jìn)行最后一層填料的攤鋪和壓實(shí)。

4.2.9 檢測簽證

每層填筑施工完成后，利用生成的壓實(shí)報告判斷最終壓實(shí)質(zhì)量，人工檢測路基強(qiáng)度是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，并將施工段填筑后的壓實(shí)度、彎沉值、縱斷高程、中線偏位、寬度、橫坡和邊坡等檢測項目進(jìn)行統(tǒng)計和整理，經(jīng)監(jiān)理工程師簽認(rèn)。如不滿足要求，則及時整改，直至路基填筑各項指標(biāo)滿足要求。

4.3 質(zhì)量控制措施

本技術(shù)嚴(yán)格執(zhí)行國家及行業(yè)相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)并做到以下幾點(diǎn)。

1）利用機(jī)械設(shè)備將塊狀紅砂巖進(jìn)行破碎處理時，用灑水車對紅砂巖均勻灑水，保證紅砂巖充分浸潤，待紅砂巖充分潤濕48 h，完全崩解并充分發(fā)揮黏聚重組及強(qiáng)化作用后方可用于路基填筑。

2）松鋪厚度控制在30 cm，采用智能壓路機(jī)碾壓，確保工程質(zhì)量。松鋪厚度、松鋪系數(shù)、碾壓方式及碾壓遍數(shù)通過試驗段確定，嚴(yán)格監(jiān)控碾壓遍數(shù)，不應(yīng)出現(xiàn)少壓、漏壓等現(xiàn)象。

3）路基頂面做成路拱，橫坡度控制在2%～4%，以利排水，填筑寬度宜比設(shè)計要求寬30～50 cm，經(jīng)過邊坡修整，使路基寬度符合設(shè)計要求，并保證路基邊緣的壓實(shí)度。

4）施工技術(shù)人員需定期登錄電腦和手機(jī)終端實(shí)時查看設(shè)備、樁號、里程、壓實(shí)面積、壓實(shí)遍數(shù)和壓實(shí)層數(shù)等信息，并根據(jù)終端顯示的顏色指示條判別各區(qū)域壓實(shí)情況，實(shí)時調(diào)整碾壓機(jī)械運(yùn)行參數(shù)，對未達(dá)到壓實(shí)遍數(shù)和欠壓區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)壓。

4.4 安全及環(huán)保措施

4.4.1 安全措施

施工前，了解水文地質(zhì)情況，并對地下管道、電纜及有毒有害氣體等危險物進(jìn)行詳細(xì)調(diào)研和標(biāo)記，設(shè)置防護(hù)措施。設(shè)計高邊坡施工時，實(shí)時關(guān)注邊坡動態(tài)，嚴(yán)禁邊坡上下重疊作業(yè)，必要時采取加固措施。

4.4.2 環(huán)保措施

施工期間，嚴(yán)格管控水泥、油料、化學(xué)品等物料的堆放，防止其隨雨水徑流排泄造成水體污染。施工污水處理合格后再排放，做到污水零直排。采取“微擾動”施工，保護(hù)原始地貌，減少環(huán)境污染。

5 應(yīng)用效果檢測與評價

5.1 應(yīng)用效果檢測

5.1.1 紅砂巖質(zhì)土路基外觀檢查

紅砂巖質(zhì)土高速公路路基智能化壓實(shí)施工技術(shù)增加了紅砂巖消解處理步驟，使紅砂巖質(zhì)土顆粒充分崩解、重組、黏聚和強(qiáng)化，經(jīng)測量發(fā)現(xiàn)，改良后的紅砂巖質(zhì)土用于路基填筑施工的路基平整度好，外觀質(zhì)量高。

5.1.2 壓實(shí)度指標(biāo)檢測

試驗采用靜壓法制取94%、95%和97%壓實(shí)度下的紅砂巖試件，試筒尺寸高170 mm、直徑152 mm、墊塊高度為50 mm。取貫入量5 mm 對應(yīng)的壓力值與標(biāo)準(zhǔn)壓力值的比值作為CBR 值。將試模放到壓力機(jī)上，用壓力機(jī)加壓使墊塊都壓入試模內(nèi)，穩(wěn)壓1 min 左右。靜壓完成后浸水4 晝夜，浸水完成后采用路強(qiáng)儀進(jìn)行貫入試驗。試驗結(jié)果表明：該土樣承載比符合JTG/T 3610—2019《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》[6]及設(shè)計文件中的技術(shù)要求，用于路基填筑施工效果好。詳見表1。

表1 紅砂巖質(zhì)土樣CBR 試驗結(jié)果

5.1.3 現(xiàn)場壓實(shí)度檢測

對待檢試樣進(jìn)行擊實(shí)試驗，試驗過程中采用同一種材料進(jìn)行，得到試樣的最大干密度及最優(yōu)含水率，并選用適宜的灌砂筒按照規(guī)范步驟操作。通過現(xiàn)場壓實(shí)度檢測發(fā)現(xiàn)，采用紅砂巖質(zhì)土高速公路路基智能化壓實(shí)施工段壓最小實(shí)度高達(dá)96.3%＞96%，壓實(shí)度符合要求。

5.2 應(yīng)用效果評價

紅砂巖質(zhì)土高速公路路基智能化壓實(shí)施工技術(shù)施工速度快、節(jié)約工期，并且增加了紅砂巖消解處理步驟，使紅砂巖質(zhì)土顆粒充分崩解、重組、黏聚和強(qiáng)化，改良后的紅砂巖質(zhì)土用于路基填筑施工不僅減少了棄渣運(yùn)輸費(fèi)用和公路工程對外借方，節(jié)約施工成本，還有利于環(huán)境保護(hù)，避免了紅砂巖填料崩解導(dǎo)致的工后病害，提高了路基工程質(zhì)量。杭金衢TJ04 標(biāo)段全線52.86 km，其中路塹邊坡挖方約1.705×106m3，路基填方約3.183×106m3。和常規(guī)換填施工相比，紅砂巖質(zhì)土高速公路路基智能化壓實(shí)施工技術(shù)施工累計可節(jié)約工期49 d，節(jié)約成本約70%，期中人工成本可節(jié)約202.6萬元，機(jī)械費(fèi)節(jié)約852.5 萬元，材料投入成本節(jié)約3 251.6 萬元，合計4 306.7 萬元，經(jīng)濟(jì)和社會效益顯著，得到了業(yè)主及監(jiān)理等單位的一致好評。具體經(jīng)濟(jì)效益分析見表2。

表2 經(jīng)濟(jì)效益對比分析表

6 結(jié) 論

根據(jù)高速公路紅砂巖質(zhì)土路基填筑智能化施工關(guān)鍵技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)如下。

1）智能壓實(shí)技術(shù)可完成對公路100%工作面的實(shí)施監(jiān)控，利用物聯(lián)網(wǎng)和GPS 技術(shù)實(shí)現(xiàn)紅砂巖質(zhì)土路基智能攤鋪碾壓，提高工作效率的同時可以確保工程的施工質(zhì)量。

2）利用紅砂巖遇水崩解特性及消解后土顆粒的重組黏聚并發(fā)生強(qiáng)化的性質(zhì)，增加紅砂巖充分破碎、潤濕、靜置工序，提高紅砂巖質(zhì)土的抗剪強(qiáng)度，避免紅砂巖填料崩解導(dǎo)致的工后病害。

3）和常規(guī)換填施工相比，采用紅砂巖質(zhì)土高速公路路基智能化壓實(shí)施工技術(shù)施工累計可節(jié)約工期49 d，節(jié)約成本約70%，合計約4 306.7 萬元，經(jīng)濟(jì)和社會效益顯著。

通過紅砂巖質(zhì)土高速公路路基智能化壓實(shí)效果研究發(fā)現(xiàn)如下。

1）CBR 試驗及路基現(xiàn)壓實(shí)度檢測結(jié)果表明紅砂巖質(zhì)土路基壓實(shí)效果符合要求，說明充分崩解并發(fā)生重聚增強(qiáng)作用的紅砂巖強(qiáng)度高，變形小，水穩(wěn)定性好，作為高速公路路基填料可滿足強(qiáng)度、穩(wěn)定性與耐久性等要求。

2）從現(xiàn)場外觀質(zhì)量檢查可知紅砂巖質(zhì)土高速公路路基智能化壓實(shí)施工段路基壓實(shí)效果理想，壓實(shí)質(zhì)量高。