紅砂巖質土路基智能化壓實施工技術應用研究

謝蘭夫，洪祥水

（浙江交工金筑交通建設有限公司，杭州 310051）

紅砂巖富含鐵質氧化物，呈紅色、深紅色或褐色，形成于侏羅紀到新近紀[1-2]，在我國東西部山嶺地區(qū)廣泛分部[3]，是高速公路建設過程中經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層、第三系的紅褐色砂巖組成，巖體風化程度不一，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濟和社會效益。

近年來，國外的IC 技術已在道路工程中廣泛應用，在控制施工質量方面，取得較好效果。反觀國內智能碾壓技術的研究剛剛起步，將智能碾壓技術應用于紅砂巖路基填筑施工，對于工程質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及質量控制方法。相關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計、施工以及相關規(guī)范的修訂提供技術參考。

1 工程概況

杭金衢第TJ04 標段起點樁號K356+140，終點樁號K409+000，建設里程約52.86 km，路基工程是整個工程的重點，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，加上工期要求嚴格，給路基施工帶來了巨大挑戰(zhàn)。針對上述問題，集團公司聯合高校共同研發(fā)了“紅砂巖質土高速公路路基智能化壓實技術”，成功將挖方紅砂巖用于路基填筑，踐行了綠色施工理念。同時采用智能壓實技術，實現了施工過程的信息化管理，提高了工效，保證了路基的壓實質量。該技術適用于紅砂巖地區(qū)的路基智能壓實工程施工，具有良好的推廣價值。

2 技術特點

2.1 施工速度快

本技術采用智能化路基壓實技術，實現了紅砂巖質土路基填筑施工過程中對碾壓遍數和速度的精準控制，做到了路基碾壓施工監(jiān)控可視化、數據采集動態(tài)化、歷史數據可查化，避免了路基重復碾壓與欠壓提高了施工效率，縮短了工期。

2.2 施工質量高

本技術改良了常規(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化的性質，增加紅砂巖充分破碎、潤濕、靜置工序，提高紅砂巖質土的抗剪強度，避免紅砂巖填料崩解導致的工后病害，保證了路基壓實質量。

2.3 經濟和社會效益顯著

本技術將挖方的紅砂巖用于路基填筑，減少了棄渣運輸費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。

3 技術原理

利用紅砂巖遇水崩解性質進行消解預處理。紅砂巖含有伊利石和蒙脫石等礦物質，遇水易崩解。通過崩解試驗發(fā)現：消解處理后的紅砂巖質土顆粒將發(fā)生黏聚重組現象及強化作用，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

采用信息化技術實現路基智能壓實。智能壓實技術基于物聯網技術的應用實現攤鋪碾壓動態(tài)監(jiān)控，由施工端、服務端和客戶端3 部分組成，通過設備外置攝像頭和內置GPS 定位系統采集和分析碾壓過程中壓路機運行參數和運行軌跡，反饋至服務器，動態(tài)監(jiān)測和評估路基的壓實效果，并在電腦和手機終端實時查看設備、樁號、里程、壓實面積、壓實遍數和壓實層數等信息，根據終端顯示的顏色指示條判別各區(qū)域壓實情況，實時調整碾壓機械的運行參數，對未達到壓實遍數和欠壓區(qū)域進行補壓，并根據最終的壓實報告判斷壓實質量。

4 工藝流程及操作要點

4.1 工藝流程

施工工藝流程為：施工準備→紅砂巖預處理→清表及壓實→壓實度檢測及標高測量→堆料整平→智能壓實→鋪設土工格柵→最后一層填料的攤鋪和壓實。

4.2 操作施工要點

4.2.1 施工準備

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

4.2.2 紅砂巖預處理

將主線路塹挖方產生的紅砂巖運至預處理場地，按指定位置堆放，利用機械設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

對原路基進行清表，并對清理后的路基進行壓實處理。

4.2.4 壓實度檢測及標高測量

現場采用灌砂法測量壓實度，利用水準儀進行標高測量，確保壓實度需滿足設計及規(guī)范要求。

4.2.5 堆料和整平

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

4.2.6 智能壓實

利用公路壓實質量實時監(jiān)控系統監(jiān)控路基壓實質量，監(jiān)控過程中，客戶端從數據庫中讀取數據信息，并根據這些數據信息實時繪制壓路機碾壓軌跡、振動頻率及路基壓實監(jiān)測指標和單位體積壓實功等信息，并生成壓實報告。

當壓路機振動狀態(tài)、碾壓遍數、壓實度等指標不滿足要求時，PC 監(jiān)控端、分控中心及現場個人數字助理（PDA）會收到預警，現場根據預警情況實時動態(tài)調整施工。

4.2.7 鋪設土工格柵

最后一層路基填料攤鋪碾壓前鋪設土工格柵，鋪設過程中確保底面平整、密實，相鄰土工格柵搭接長度不小于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

按上述攤鋪和壓實工藝進行最后一層填料的攤鋪和壓實。

4.2.9 檢測簽證

每層填筑施工完成后，利用生成的壓實報告判斷最終壓實質量，人工檢測路基強度是否達到標準，并將施工段填筑后的壓實度、彎沉值、縱斷高程、中線偏位、寬度、橫坡和邊坡等檢測項目進行統計和整理，經監(jiān)理工程師簽認。如不滿足要求，則及時整改，直至路基填筑各項指標滿足要求。

4.3 質量控制措施

本技術嚴格執(zhí)行國家及行業(yè)相關規(guī)范、標準并做到以下幾點。

1）利用機械設備將塊狀紅砂巖進行破碎處理時，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，采用智能壓路機碾壓，確保工程質量。松鋪厚度、松鋪系數、碾壓方式及碾壓遍數通過試驗段確定，嚴格監(jiān)控碾壓遍數，不應出現少壓、漏壓等現象。

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

4）施工技術人員需定期登錄電腦和手機終端實時查看設備、樁號、里程、壓實面積、壓實遍數和壓實層數等信息，并根據終端顯示的顏色指示條判別各區(qū)域壓實情況，實時調整碾壓機械運行參數，對未達到壓實遍數和欠壓區(qū)域進行補壓。

4.4 安全及環(huán)保措施

4.4.1 安全措施

施工前，了解水文地質情況，并對地下管道、電纜及有毒有害氣體等危險物進行詳細調研和標記，設置防護措施。設計高邊坡施工時，實時關注邊坡動態(tài)，嚴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，嚴格管控水泥、油料、化學品等物料的堆放，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，保護原始地貌，減少環(huán)境污染。

5 應用效果檢測與評價

5.1 應用效果檢測

5.1.1 紅砂巖質土路基外觀檢查

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

5.1.2 壓實度指標檢測

試驗采用靜壓法制取94%、95%和97%壓實度下的紅砂巖試件，試筒尺寸高170 mm、直徑152 mm、墊塊高度為50 mm。取貫入量5 mm 對應的壓力值與標準壓力值的比值作為CBR 值。將試模放到壓力機上，用壓力機加壓使墊塊都壓入試模內，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儀進行貫入試驗。試驗結果表明：該土樣承載比符合JTG/T 3610—2019《公路路基施工技術規(guī)范》[6]及設計文件中的技術要求，用于路基填筑施工效果好。詳見表1。

表1 紅砂巖質土樣CBR 試驗結果

5.1.3 現場壓實度檢測

對待檢試樣進行擊實試驗，試驗過程中采用同一種材料進行，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。通過現場壓實度檢測發(fā)現，采用紅砂巖質土高速公路路基智能化壓實施工段壓最小實度高達96.3%＞96%，壓實度符合要求。

5.2 應用效果評價

紅砂巖質土高速公路路基智能化壓實施工技術施工速度快、節(jié)約工期，并且增加了紅砂巖消解處理步驟，使紅砂巖質土顆粒充分崩解、重組、黏聚和強化，改良后的紅砂巖質土用于路基填筑施工不僅減少了棄渣運輸費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，避免了紅砂巖填料崩解導致的工后病害，提高了路基工程質量。杭金衢TJ04 標段全線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，紅砂巖質土高速公路路基智能化壓實施工技術施工累計可節(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，機械費節(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，經濟和社會效益顯著，得到了業(yè)主及監(jiān)理等單位的一致好評。具體經濟效益分析見表2。

表2 經濟效益對比分析表

6 結 論

根據高速公路紅砂巖質土路基填筑智能化施工關鍵技術研究發(fā)現如下。

1）智能壓實技術可完成對公路100%工作面的實施監(jiān)控，利用物聯網和GPS 技術實現紅砂巖質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)生強化的性質，增加紅砂巖充分破碎、潤濕、靜置工序，提高紅砂巖質土的抗剪強度，避免紅砂巖填料崩解導致的工后病害。

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

通過紅砂巖質土高速公路路基智能化壓實效果研究發(fā)現如下。

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

2）從現場外觀質量檢查可知紅砂巖質土高速公路路基智能化壓實施工段路基壓實效果理想，壓實質量高。