強(qiáng)化鐵路工程路基壓實(shí)施工的技術(shù)措施

陳曉博

(中鐵二十一局集團(tuán)第四工程有限公司，陜西 西安 710000)

1 工程概況

本文以某鐵路建設(shè)工程為研究案例，該項(xiàng)目建設(shè)總長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為45.27 km，其中，路基工程是整個(gè)項(xiàng)目的重中之重，主要包括浸水路堤、高路堤、黃土路基、深路塹和邊坡防護(hù)。施工前利用檢測(cè)技術(shù)對(duì)地基的沉降和變形狀況進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)合實(shí)際檢測(cè)結(jié)果合理選擇施工方法，保證路基縱向剛度均勻分布。

2 路基壓實(shí)施工技術(shù)

2.1 沖擊碾壓機(jī)械設(shè)備

通常情況下，沖擊碾壓機(jī)都是拖動(dòng)式設(shè)備，通過(guò)匹配功率進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。沖擊碾壓機(jī)的結(jié)構(gòu)組成比較簡(jiǎn)單，主要由沖擊輪、機(jī)架和連接架構(gòu)成。

1)沖擊輪。圖1所示為3種常規(guī)性的沖擊輪，沖擊輪的重量保持在100～120 kN，直徑保持在1 800～2 000 mm。三(五)瓣凸輪是使用三(五)塊鋼板加工制作而成。實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，沖擊輪不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)凸輪與地面的接觸點(diǎn)及沖擊輪軸心保持在同一個(gè)垂直線(xiàn)上時(shí)，沖擊輪會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)至最高部位，形成重力沖擊，在這個(gè)過(guò)程中沖擊輪會(huì)對(duì)地面造成巨大的沖擊。在沖擊輪不斷轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，對(duì)前側(cè)的土體造成擠壓作用力，導(dǎo)致土體產(chǎn)生較大的作用力。在升力牽引力的作用下，會(huì)產(chǎn)生力偶作用，導(dǎo)致中心接觸角變?yōu)橥馆喌亩c(diǎn)部位，形成持續(xù)性的激發(fā)過(guò)程。

圖1 沖擊碾壓機(jī)瓣?duì)钔馆喰螤?/p>

車(chē)輪在地面移動(dòng)過(guò)程中，閥凸輪的數(shù)量會(huì)對(duì)沖擊頻率造成直接性影響。在實(shí)踐過(guò)程中，凸輪瓣的數(shù)量主要取決于粒度，簡(jiǎn)單說(shuō)，當(dāng)粒徑越小時(shí)，則凸輪的數(shù)量會(huì)隨之增多。沖擊能量主要是來(lái)源于滾輪重心的勢(shì)能及沖擊輪的動(dòng)能。沖擊能量主要受瓣數(shù)、輪廓幾何尺寸、中心高度以及牽引輪速度的影響。若輪重相同、牽引輪的運(yùn)行速度相同，則勢(shì)能的大小主要由缺口的深度決定，當(dāng)缺口的深度越大時(shí)，重心會(huì)越高。在這種情況下，凸輪數(shù)量也會(huì)增多，相應(yīng)的勢(shì)能就會(huì)越小。結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，牽引速度不得低于10 km/h。

2)機(jī)架。機(jī)架主要由搖臂和底架構(gòu)成，如圖2所示。

(a)沖壓輪處于低位狀態(tài)

(b)沖壓輪處于高位狀態(tài)1-沖擊輪；2-機(jī)架；3-連接機(jī)構(gòu)；4-小擺臂；5-搖臂；6-緩沖蓄能器；7-雙彈簧；8-萬(wàn)向軸；9-行走輪；10-沖擊輪升降缸；11-滾軸圖2 沖擊碾壓機(jī)結(jié)構(gòu)組成

圖2(a)是沖壓實(shí)機(jī)沖壓輪正處于低位勢(shì)的情形。這時(shí)擺臂帶動(dòng)支搖臂蓄能，搖臂的水平臂與限位器接觸。當(dāng)牽引車(chē)移動(dòng)過(guò)程中，沖擊輪會(huì)從低位向高位移動(dòng)，具體情況如圖2(b)所示。緩沖器會(huì)釋放前期蓄存的能量，同時(shí)牽動(dòng)沖擊輪轉(zhuǎn)動(dòng)，在這種情況下，搖臂剛好位于最大轉(zhuǎn)角部位，擺臂因沖擊輪不斷上升而逐漸上提，從而產(chǎn)生圖2(b)中顯示的形狀，其會(huì)對(duì)下側(cè)的土體造成巨大的沖擊作用。如果表面壓實(shí)不平整，則兩側(cè)的沖擊輪轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中可能無(wú)法保持協(xié)調(diào)性。這種情況可以通過(guò)調(diào)整滾軸與沖擊輪的橡膠墊進(jìn)行處理。

3)連接機(jī)構(gòu)。為了降低沖擊輪對(duì)牽引車(chē)造成的沖擊作用力，可以使用雙彈簧連接件進(jìn)行連接。因土體的阻力促使沖擊輪牽引車(chē)造成的沖擊作用力發(fā)生變化，前側(cè)的彈簧會(huì)被壓縮，后側(cè)的彈簧處于拉伸狀態(tài)，這樣設(shè)計(jì)可以協(xié)調(diào)前后輪的速度差異。

2.2 沖擊碾壓排壓方案

對(duì)于沖擊碾壓壓路機(jī)，因壓路機(jī)自身的凸形瓣數(shù)存在一定差異性，所以壓路機(jī)對(duì)地基不同部位的壓實(shí)效果可能會(huì)呈現(xiàn)出一定的差異性。圖3所示為三瓣式壓路機(jī)，車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)1圈，會(huì)對(duì)地基造成3次碾壓。這就意味著需要來(lái)回移動(dòng)6次才可以保證所有區(qū)域被碾壓密實(shí)。進(jìn)一步分析，當(dāng)路基要求碾壓3遍，那么使用沖擊碾壓機(jī)需要碾壓20遍。

圖3 沖擊碾壓施工工藝

如以上文介紹的方法進(jìn)行碾壓時(shí)，當(dāng)沖擊碾壓作業(yè)完成以后，對(duì)于粗粒式土層，其表面基本上均勻，高度差保持在5～8 mm；對(duì)于細(xì)粒式土層，其表面基本上均勻，高度差保持在15～18 mm。結(jié)合壓實(shí)要求來(lái)看，在進(jìn)行最后一層碾壓作業(yè)時(shí)，對(duì)于土層變形量超過(guò)4 cm的路段，需要進(jìn)一步進(jìn)行碾壓處理，碾壓至變形量控制在4 cm以?xún)?nèi)即可。否則無(wú)法保證路基的壓實(shí)質(zhì)量。

對(duì)于路基部分而言，不管是回填土還是原土，對(duì)路基進(jìn)行沖擊碾壓的次數(shù)不得低于6次。因此在6次碾壓作業(yè)完成后需要進(jìn)行灑水處理，當(dāng)表層水滲入土層以后開(kāi)始沖擊碾壓作業(yè)。若不灑水直接進(jìn)行碾壓，可能促使路基表面形成松散層，松散層的厚度一般保持在8～13 cm。

2.3 沖壓作業(yè)參數(shù)的選擇

1)在對(duì)路基進(jìn)行碾壓作業(yè)之前，應(yīng)選對(duì)被碾壓區(qū)域的土層進(jìn)行取樣送檢，結(jié)合送檢結(jié)果來(lái)確定碾壓的速度、次數(shù)。

2)在對(duì)濕陷性軟土路基進(jìn)行碾壓作業(yè)過(guò)程中，為保證碾壓次數(shù)的合理性，要結(jié)合實(shí)際情況選擇合適的施工方法對(duì)軟土進(jìn)行處理，通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定出科學(xué)的壓實(shí)度及碾壓層厚度以及沖擊碾壓次數(shù)、碾壓速度。檢測(cè)內(nèi)容主要涉及碾壓之前的土體密實(shí)度、土層的含水量、土層干密度等質(zhì)量控制指標(biāo)。

3)結(jié)合回填之前的碾壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)來(lái)看，當(dāng)碾壓次數(shù)大于40次時(shí)，路基的沉降量非常小，壓實(shí)度增大量也不是很大。因此將沖擊碾壓的次數(shù)確定為40次比較合理。

4)在振動(dòng)碾壓作業(yè)完成以后，補(bǔ)壓實(shí)驗(yàn)的結(jié)果為：沖壓補(bǔ)強(qiáng)的次數(shù)為20次時(shí)，路基壓實(shí)度增大的幅度比較大，土層干密度提高10.4%，彈性模量提升30 MPa，沉降量為4 cm。當(dāng)沖壓的次數(shù)達(dá)到40次時(shí)，沉降量和干密度的增長(zhǎng)量都顯著降低，這一點(diǎn)屬于正常變化。因此在分層碾壓之后，將土層的補(bǔ)壓碾壓次數(shù)確定為20次比較合理。

2.4 沖壓法濕陷性黃土地基處理施工步驟

1)首先對(duì)地基進(jìn)行勘察。

2)結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，對(duì)地面進(jìn)行平整處理，然后開(kāi)始測(cè)量、灑水，自然沉降，測(cè)量地基表面的標(biāo)高并記錄，開(kāi)始沖擊碾壓作業(yè)。

3)當(dāng)沖擊碾壓進(jìn)行6遍時(shí)，對(duì)土層的沉降量與壓實(shí)度進(jìn)行檢測(cè)。結(jié)合檢測(cè)結(jié)果來(lái)確定灑水量，再次測(cè)量標(biāo)高后繼續(xù)碾壓。

4)當(dāng)沖壓碾壓作業(yè)結(jié)束以后，使用平地機(jī)進(jìn)行平整處理，靜壓1～2遍，保證路基表面足夠平整。

因沖擊輪轉(zhuǎn)動(dòng)1圈會(huì)對(duì)土層造成3次碾壓、3次沖擊。所以，沖擊輪對(duì)任意一點(diǎn)的沖擊次數(shù)的概率均為1/6。正式碾壓過(guò)程中，沖擊碾壓機(jī)由邊坡以外3 m部位向路基中間部位進(jìn)行碾壓，縱向移動(dòng)時(shí)，輪機(jī)重疊寬度為車(chē)輪寬度的1/2；壓路機(jī)碾壓的速度保持在12～15 km/h，提升沖擊力對(duì)土層的碾壓效果，保證每一個(gè)部位均獲得碾壓。當(dāng)碾壓6次以后，對(duì)0～150 cm深度的土層進(jìn)行力學(xué)檢測(cè)，然后使用平地機(jī)進(jìn)行平整處理，適當(dāng)灑水，再次進(jìn)行碾壓。

2.5 沖壓法路基填筑施工

黃土路基分層進(jìn)行回填，逐層碾壓，并進(jìn)行檢測(cè)。采用沖擊壓機(jī)消除填料的潰散性，以提高路基的強(qiáng)度。實(shí)際施工應(yīng)該避免降雨天氣，提前查看天氣預(yù)報(bào)，同時(shí)設(shè)置排水系統(tǒng)，避免出現(xiàn)橡皮土現(xiàn)象。具體施工工藝如下。

1)施工測(cè)量。測(cè)量并設(shè)置線(xiàn)點(diǎn)，線(xiàn)點(diǎn)需加密處理，并設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)。結(jié)合回填的高度來(lái)計(jì)算回填的寬度、中心線(xiàn)的位置。

2)填土。當(dāng)回填土的有機(jī)質(zhì)含量超過(guò)4%、塑性指數(shù)超過(guò)26時(shí)則不得將其作為回填土。采用自卸汽車(chē)來(lái)運(yùn)輸回填土，按照網(wǎng)格法進(jìn)行斜土。

3)刮平。斜土作業(yè)完成以后，使用推土機(jī)初步性平整，然后使用平地機(jī)進(jìn)行精細(xì)化平整處理，由路基中間向兩側(cè)緩慢均速平整[1]。反復(fù)平整3次即可，在平整作業(yè)過(guò)程中遇到5～10 cm的土塊時(shí)，需要將土塊破碎，然后繼續(xù)平整。此外，平整過(guò)程中還需要將樹(shù)根、草皮等其他雜物清理干凈。

4)碾壓。大部分都是選擇使用輕型壓路機(jī)進(jìn)行碾壓，然后換用強(qiáng)振壓實(shí)進(jìn)行處理，碾壓的重疊寬度控制為車(chē)輪寬度的1/3～1/2，壓路機(jī)碾壓遍數(shù)一般控制在7～9遍。實(shí)際碾壓過(guò)程中，應(yīng)該按照“先穩(wěn)后振、先輕后重、先低后高、先邊后中、先慢后快”的基本原則進(jìn)行作業(yè)。靜壓時(shí)按照2 km/h速度移動(dòng)，避免擾動(dòng)虛土，在虛土穩(wěn)定以后開(kāi)始使用平地機(jī)對(duì)路基表面進(jìn)行平整，然后振動(dòng)壓路機(jī)按照3.5 km/h的速度進(jìn)行碾壓。

5)檢測(cè)。壓實(shí)度檢測(cè)是一項(xiàng)必不可少的工作，主要是為了保證土層的壓實(shí)度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，只有在檢測(cè)合格情況下才可以進(jìn)行下一步施工[2]。

6)補(bǔ)壓。補(bǔ)壓作業(yè)使用沖壓壓路機(jī)完成，碾壓次數(shù)確定為20次，分為2次進(jìn)行作業(yè)。單次碾壓10遍以后，使用平地機(jī)進(jìn)行平整，并適量灑水，然后開(kāi)始第二次沖壓作業(yè)，再次碾壓10遍。二次碾壓時(shí)壓路機(jī)碾壓的速度控制為10 km/h。壓路機(jī)碾壓過(guò)程中可以結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況小幅度調(diào)整碾壓速度。路基表面的平整度必須控制在20 mm以?xún)?nèi)。為了提高濕陷性黃土的碾壓效果，需加大觀(guān)測(cè)頻率，并形成記錄，對(duì)沖壓效果進(jìn)行分析總結(jié)。

7)沉降觀(guān)測(cè)。對(duì)于回填高度超過(guò)20 m的路段，按照50 m或是100 m的間隔設(shè)置沉降觀(guān)測(cè)點(diǎn)。沉降觀(guān)測(cè)點(diǎn)通常都是設(shè)置在道路中心位置，內(nèi)設(shè)觀(guān)測(cè)板，外設(shè)水準(zhǔn)控制點(diǎn)。

8)檢測(cè)。觀(guān)測(cè)碾壓前后的土層平整度、高程，由專(zhuān)業(yè)人員檢測(cè)碾壓后的土層壓實(shí)度。結(jié)合檢測(cè)結(jié)果計(jì)算出土層厚度，單層土體強(qiáng)振以后，使用灌砂法進(jìn)行作業(yè)。對(duì)于土層碾壓的整個(gè)過(guò)程，監(jiān)理工程師需全程旁站監(jiān)管質(zhì)量。

3 強(qiáng)化路基壓實(shí)施工的技術(shù)措施

1)在實(shí)際施工過(guò)程中，路基回填質(zhì)量控制及壓實(shí)度檢測(cè)可以同時(shí)進(jìn)行，施工單位可以結(jié)合壓實(shí)度檢測(cè)獲取到的壓實(shí)度、穩(wěn)定性、均勻度，對(duì)施工質(zhì)量進(jìn)行整體評(píng)估。通常情況下，路基的壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)與持續(xù)壓實(shí)檢測(cè)之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)超過(guò)0.7以后，二者之間才會(huì)產(chǎn)生關(guān)聯(lián)性，由此對(duì)后續(xù)路段的壓實(shí)質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)。

2)將剩余路段按照長(zhǎng)度進(jìn)行分段施工，單段施工的長(zhǎng)度控制為100 m，每段施工質(zhì)量應(yīng)該獨(dú)立驗(yàn)收。將每m2作為一個(gè)連續(xù)壓實(shí)檢測(cè)單元，檢測(cè)單元的壓實(shí)度、均勻性、穩(wěn)定性全部符合相關(guān)管理規(guī)范的情況下，才可以確定其質(zhì)量達(dá)標(biāo)。

3)結(jié)合上文提到的檢測(cè)結(jié)果，對(duì)區(qū)域范圍內(nèi)的路段采取合理的措施進(jìn)行處置，且重復(fù)以上步驟，直至路基壓實(shí)檢測(cè)合格為止。

4)對(duì)于黃土路基，在實(shí)際碾壓過(guò)程中，應(yīng)該結(jié)合土層內(nèi)水分?jǐn)U散情況以及土層的土質(zhì)，對(duì)土體進(jìn)行壓實(shí)處理。并在碾壓過(guò)程中合理控制沖壓次數(shù)，以保證土層中的含水量達(dá)到理想化的狀態(tài)。但是需要注意路堤下滑問(wèn)題，緩慢均勻地沿著路堤方向進(jìn)行作業(yè)。對(duì)于土質(zhì)濕度較大的情況，在施工過(guò)程中，可以結(jié)合設(shè)計(jì)值以及既往施工經(jīng)驗(yàn)，將壓實(shí)度適當(dāng)降低2%～3%，從而減少土層的稠度。實(shí)際施工過(guò)程中，盡量選擇使用輕型壓路機(jī)。在回填下路床部位的回填料時(shí)，可以通過(guò)向回填料內(nèi)摻加生石灰，優(yōu)化回填料的整體性能。使得回填作業(yè)完成以后，土層具備良好的吸水性，保證路基壓實(shí)度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

鐵路橋梁是整個(gè)鐵路網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中不可或缺的重要組成部分，路基壓實(shí)質(zhì)量會(huì)對(duì)整個(gè)項(xiàng)目的整體質(zhì)量產(chǎn)生顯著影響。同時(shí)還涉及到人們的人身安全。在實(shí)際施工過(guò)程中，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，以施工質(zhì)量合格為導(dǎo)向，合理選擇施工方法，確保鐵路路基壓實(shí)質(zhì)量滿(mǎn)足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

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