論垂直振動壓路機代替高速液壓夯補強施工的可行性

胡俊茂 邵興偉

（1.中鐵二十一局集團第四工程有限公司，陜西 西安 710000；2.中鐵建寧夏高速公路有限公司，寧夏 銀川 750000）

1 工程概況

1.1 工程簡介

銀昆高速公路作為交通強國建設寧夏試點工程，是“十四五”期間寧夏十大公路工程之一和中國鐵道建筑集團有限公司五大公路工程之一，交通強國建設寧夏試點工程以銀昆高速公路項目建設為依托，大力發(fā)展綠色公路、品質(zhì)公路和科技公路。銀昆高速公路太彭段LJ12-2標合同段起訖樁號K215+912.5~K225+780，全長9.87km。標段主要施工內(nèi)容包括路基、橋涵、排水及防護工程。線路多處以橋梁的形式跨越溝谷，并以挖方路基的形式穿越黃土梁峁，其中，路基工程有挖方405.5萬m3，填方20.19萬m3。因為標段所在地位于濕陷性黃土地區(qū)，所以設計要求在填筑路基時每1.5m采用高速液壓夯進行一次補強，補強后路基壓實度提高1%以上，補強面積共89628m2[1]。

1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

銀昆高速公路太彭段LJ12-2標合同段位于黃土高原，標段主要位于發(fā)育剝蝕黃土丘陵區(qū)、侵蝕堆積河谷區(qū)及剝蝕黃土殘塬區(qū)。其中，剝蝕黃土丘陵區(qū)分為黃土丘陵亞區(qū)和丘陵間洪積平臺亞區(qū)；侵蝕堆積河谷區(qū)分為小河河谷亞區(qū)、茹河河谷亞區(qū)及紅河河谷亞區(qū)；剝蝕黃土殘塬區(qū)分為黃土殘塬亞區(qū)。黃土梁峁上部覆蓋馬蘭黃土，土質(zhì)疏松，直立性較好，具濕陷性；中部地層為離石黃土，較密實，含黑色鐵錳質(zhì)斑點，夾多層褐紅色古土壤層；底部為新近系泥巖、砂質(zhì)泥巖和白堊系砂巖、礫巖。新近系泥巖膠結較差，遇水易軟化，具弱膨脹性。洪積平臺堆積20m~30m 不等的粉土，土質(zhì)疏松多孔，可見水平層理，頂部土體垂直節(jié)理發(fā)育，具濕陷性，底部出露新近系泥巖，表面風化破碎呈碎塊狀。標段內(nèi)路基工程均為濕陷性黃土，其濕陷性等級主要為Ⅳ級（很嚴重），零星分布有少量Ⅱ級~III級濕陷性黃土。合同段內(nèi)水資源十分匱乏，地下水和地表水均不發(fā)育，主要水資源以大氣降水為補給源，地表水主要以地表徑流形式排泄，完全受降雨季節(jié)影響。新構造運動和地震均不發(fā)育，除濕陷性黃土外，主要的地質(zhì)災害為路線跨越洪積平臺內(nèi)沖溝。

2 施工準備

2.1 技術準備

路基填筑使用的土樣嚴格按建設程序進行標準擊實試驗并報中心試驗室進行驗證試驗。施工前對工作面進行平整和碾壓，對壓實度和平整度等指標進行自驗，合格后報監(jiān)理工程師驗收。提前組織人員和施工機械，待補強工作面經(jīng)監(jiān)理工程師驗收合格后，施工人員和驗收合格的機械進場補強施工。

根據(jù)試驗段明確采用施工機械的規(guī)格、性能和最佳的組合參數(shù)，確定質(zhì)量檢測方法及評價標準[2]。

2.2 機械準備

根據(jù)工程經(jīng)驗、施工組織及對比試驗，擬定的施工機械配置見表1。

表1 施工機械配置表

3 施工方案

3.1 采用高速液壓夯施工

3.1.1 施工原理

高速液壓夯利用線性激振被壓材料產(chǎn)生定向沖擊波，削弱顆粒、水和空氣之間的聯(lián)系，促使被壓材料（大小顆粒、液態(tài)水以及空氣）重新結合而變得更密實。垂直振動技術的壓實設備具有壓實能量利用率高和傳播方向集中等優(yōu)勢，克服了圓周振動壓實能量相對分散、影響施工環(huán)境和壓實深度有限的缺點，能降低能耗，提高壓實效率和深層壓實質(zhì)量。

高速液壓夯通過裝載機或挖掘機等承載機構實現(xiàn)動力輸出，將內(nèi)置在夯架內(nèi)的作用錘頭提升到一定高度后釋放，作用錘頭在自身重力和液壓油缸的助推作用下加速下落，高速往復運動將動能轉換為沖擊能，從而達到連續(xù)擊打夯實基礎的目的。

3.1.2 施工工藝

當采用高速液壓夯施工時，對確定的夯點首先記錄其高程，采用試驗確定的最佳檔位夯擊，以3錘為一組，累加并記錄每3錘的沉降量，直至最后三錘與其前三錘的相對夯擊沉量差值不大于 10mm即完成該點夯擊任務，具體流程如圖 1 所示。

圖1 施工工藝流程圖

3.1.3 詳細施工步驟

詳細施工步驟如下：1）填料嚴格控制含水率，控制在最佳含水率的±2%[3]。對填筑面進行平整及碾壓，壓實標準和平整度等進行檢驗，檢測合格后，可以進行夯點的布設。2）使用灰線標記出夯實范圍并標記出夯點位置。夯點布點示意圖如圖2所示。3）每填筑1.5m使用液壓夯實機補強一次，夯點間基本緊靠。4）按照夯擊順序，液壓夯實機就位。高速液壓夯實機根據(jù)其夯實能分為強、中、弱三檔，將夯機調(diào)至強、中、弱三檔分別采集數(shù)據(jù)，以每 3 錘為一組，累加并記錄每個測量夯點位置的下沉量，直至最后三錘與其前三錘的相對夯擊沉量差值不大于 10mm。5）壓實度的檢測根據(jù)前面步驟的結果，按照強、中、弱三檔以及不同的夯擊組數(shù)分別對夯實補強的最上一層和最下一層進行壓實度檢測，根據(jù)檢測的壓實結果，選取夯實的最佳組合參數(shù)為后期的大面積補強提供依據(jù)。6）嚴格按照試驗段確定的最佳組合參數(shù)，在完成單個夯點夯擊作業(yè)后，機械采用直線作業(yè)方法或扇形作業(yè)方法依次夯實，做到有序施工，提高施工效率。7）在夯擊作業(yè)完成后，采用平地機刮平當夯實時在夯擊點邊緣形成的剝離體，確保補強面平整。

圖2 夯點布置示意圖

3.1.4 液壓高速夯實質(zhì)量檢測標準

液壓高速夯實機壓實后1.5m范圍內(nèi)壓實度應不小于94%，當檢測結果達不到設計要求時，應采取補夯措施，直到達到設計要求為止。

3.1.5 施工注意事項

施工注意事項如下：1）高速液壓夯實機作業(yè)點夯錘外緣距橋涵結構物最小距離應根據(jù)現(xiàn)場試驗確定。建議當使用強檔夯實時，作業(yè)點夯錘外緣距橋涵結構物的最小距離不小于5m。如果遇到涵洞和通道路段，其頂部填土高度須分別超過2.5m 和3.5m。2）當填筑層表面干燥時要適量灑水，防止表面粉塵化，影響能量向深層傳遞。3）嚴格按照設計要求，路基每填筑1.5m補夯一次，高速液壓夯夯擊能不小于36 kJ。4）高填路堤的壓實度比一般路堤壓實度要求提高1%[4]。

3.2 采用垂直振動壓路機施工

3.2.1 工作原理

垂直振動壓路機與傳統(tǒng)壓路機當作業(yè)時產(chǎn)生的慣性振動原理不同，垂直振動壓路機采用垂直定向力疊加的原理，既在同樣噸位壓路機的情況下相比能產(chǎn)生出高于普通壓路機的激振力和傳遞出更深的壓實穿透力，具有更高的壓實效率和壓實質(zhì)量以及更低的作業(yè)成本和能源消耗等特點；利用線性激振被壓材料產(chǎn)生定向沖擊波，削弱顆粒、水和空氣之間的聯(lián)系，使被壓材料（大小顆粒、液態(tài)水以及空氣）重新結合而變得更密實。

垂直振動壓路機鋼輪內(nèi)中心軸上串聯(lián)設置了三組偏心塊，兩側偏心塊與中間偏心塊以360°同步反向高速旋轉，實現(xiàn)在垂直方向分力疊加，水平方向分力抵消，帶動鋼輪產(chǎn)生垂直定向振動，實現(xiàn)線性定向碾壓功能，快速提高對材料的壓實，如圖3所示[5]。

圖3 垂直振動壓路機工作原理圖（中心軸上串聯(lián)設置3組偏心塊、垂直方向力疊加、水平方向分力抵消）

3.2.2 施工工藝

當采用垂直振動壓路機施工時，首先放線確認范圍，測量并記錄原地面標高，進行初次振動碾壓并靜壓收面；隨后檢測其壓實度，重復上述流程直至合格，同時測量并記錄壓實后標高，具體流程圖如圖4所示。

圖4 施工工藝流程圖

3.2.3 詳細施工步驟

詳細施工步驟如下：1）填料嚴格控制含水率，控制在最佳含水率的±2%。對填筑面進行平整及碾壓，檢驗壓實標準和平整度，檢測合格后，可以進行垂直振動壓路機補強。2）使用灰線標記出垂直振動壓路機補強位置。3）每填筑1.5m使用垂直振動壓路機補強一次。4）使用灰線標記出補強范圍。垂直振動壓路機就位，分別采用組合一：振壓1遍，靜壓收面1遍和組合二振壓1×N遍（N為現(xiàn)場試驗調(diào)整取值），靜壓收面1遍以2 km/h的速度進行碾壓，之后檢測補強的深度及補強后壓實度增長情況，并分別記錄原位置的下沉量。5）根據(jù)組合一和二的壓實結果，確定垂直振動壓路機的最佳壓實組合。6）檢測壓實度，確保壓實度大于等于設計要求94%。7）在補強作業(yè)后，達到壓實要求，機械就位至下一段路基進行補強施工。

3.2.4 質(zhì)量檢測標準

垂直振動壓路機壓實后1.5m范圍內(nèi)壓實度應不小于94%，當檢測結果達不到設計要求時，應采取補壓措施，直至達到設計要求為止。

3.2.5 施工注意事項

施工注意事項如下：1）當垂直振動壓路機作業(yè)時外緣距橋涵結構物最小距離應根據(jù)現(xiàn)場試驗確定。建議當補強作業(yè)時，外緣距橋涵結構物的最小距離不小于2m。如果遇涵洞和通道路段，其頂部填土高度須分別超過2.5m和3.5m。2）當填筑層表面干燥時要適量灑水，防止表面粉塵化，影響能量向深層傳遞。3）嚴格按照設計要求，路基每填筑1.5m碾壓補強一次。4）高填路堤的壓實度比一般路堤壓實度要求提高一個百分點。

4 試驗結果對比

4.1 對比原則

對比原則如下：1）路基采用高速液壓夯。在3遍、6遍液壓夯夯實后進行檢測，補強后各層的壓實度增長情況；2）路基采用LSV260型垂直振動壓路機。按組合一（振壓1遍，收面1遍）和組合二（振壓3遍，收面1遍）進行補強，補強后檢測各層的壓實度增長情況。3）選擇K216+560~K216+810段路基作為試驗段，根據(jù)兩種設備補強前后的數(shù)據(jù)對比，判定兩種機械在路基補強施工中的優(yōu)劣。

4.2 結果對比

按照試驗要求，完成 K216+560~K216+810 段路基補強對比分析試驗，經(jīng)檢測并記錄各項指標，形成試驗數(shù)據(jù)見表 2。

表2 試驗數(shù)據(jù)對比表

補強機械及深度：項目部采用高速液壓夯補強深度為1.5m，夯擊遍數(shù)為6遍 ，路基的整體壓實質(zhì)量提高1.6%。

采用LSV260型垂直振動壓路機補強機械，補強深度為1.5m，以2 km/h的速度行走，先振壓3 遍，靜壓收光1遍，路基的整體壓實質(zhì)量提高3.2%。

效果對比：垂直振動壓路機補強后表面整體較平整，補強面不需要再次進行平整，補強后壓實度提升值高于高速液壓夯補強提升值。

5 經(jīng)濟效果對比

根據(jù)現(xiàn)場K216+560~K216+810段路基補強施工情況，該段路基補強面積共7110m2，采用高速液壓夯補強3560m2用時2天，可知高速液壓夯施工效率為1780m2/d；剩余3550m2工程量采用垂直振動壓路機進行施工，僅用時0.5d完成施工，可得垂直振動壓路機施工效率為7100m2/d。按我標段共 89628m2工程量計算，采用垂直振動壓路機可減少工期T=89628/1780-89628/7100=38d。現(xiàn)場機械配置、機械數(shù)量、每種機械月租費用及平均每天耗油量見表3。

表3 機械費用表

通過比較，采用高速液壓夯施工工期多38天，根據(jù)表3機械費用表，增加路基其他機械組合費用=272540/30×38+38×12685=827247元。

采用高速液壓夯施工，該項目勞務成本為12元/m2（含裝載機，高速液壓夯和柴油）標段共計補強面積為89628m2，需要總成本為107.6萬元。而采用垂直振動壓路機可以避免液壓夯機及配套設備的使用，垂直振動壓路機的租賃費用為10萬元/月（含柴油），根據(jù)上面計算的功效所得，完成標段補強任務需要工期T=89628/7100=13天，計算出補強費用=10萬元/30天×13天=4.3萬元。從而節(jié)約施工成本103.3萬元。

由此可見，采用垂直振動壓路機共可節(jié)約成本82.7萬元+103.3萬元=186萬元。

6 能效及能耗對比

6.1 工作效率對比

標段補強面積為89628m2，高速液壓夯施工效率為1780m2/d，完成補強工期T=89628/1780=51天；垂直振動壓路機施工效率為7100m2/d，完成補強工期T=89628/7100=13天，縮短工期T=38天。

6.2 工作油耗對比

根據(jù)現(xiàn)場油耗統(tǒng)計分析采用高速液壓夯施工，裝載機XG952型平均每小時耗油約32L，完成補強工程量消耗柴油=32L×51天×8h=13056L，采用LSV260型垂直振動壓路機平均每小時耗油約26L，完成補強工程量消耗柴油=26L×13天×8h=2704L，通過對比，完成補強工程量垂直振動壓路機比高速液壓夯節(jié)省柴油10352L。

6.3 減少二氧化碳對比

采用垂直振動壓路機提前工期38天，經(jīng)現(xiàn)場統(tǒng)計路基其他機械組合每天消耗柴油為295L/h×5h/天=1475L，節(jié)省柴油=1475/天×38=56050L，通過對比垂直振動壓路機與高速液壓夯，完成以上補強施工任務節(jié)省柴油10352L，按照每升柴油排放2.63kg二氧化碳量計算，可減少二氧化碳排放量=（56050L+10352L）×2.63=174637kg。

7 施工壓實效果對比

采用高速液壓夯后，路基壓實度平均提高1.6%，補強面為點狀補強、補強區(qū)域四周形成剝離體、補強效果可以達到設計要求。采用垂直振動壓路機補強后，路基壓實度平均提高3.2%，垂直振動壓路機垂直傳遞深度更深，能形成面狀補強，補強后導致的表面剝離體較少。

通過試驗對比，使用垂直振動壓路機補強可以達到設計要求，補強施工速度快，補強效果優(yōu)于高速液壓夯補強效果。

8 結論

通過對比垂直振動壓路機和高速液壓夯在銀昆高速公路路基填筑補強施工中的表現(xiàn)，得出主要結論：1）該標段使用垂直振動壓路機施工，與高速液壓夯相比，完成該標段補強工程可以大大降低綜合成本、減少二氧化碳排放和縮短工期，實現(xiàn)高效施工和低碳環(huán)保的目標。2）垂直振動壓路機既可承擔路基填筑壓實工作，又可承擔路基補強工作，避免了專用施工機械利用率不高的問題。