論垂直振動(dòng)壓路機(jī)代替高速液壓夯補(bǔ)強(qiáng)施工的可行性

胡俊茂 邵興偉

（1.中鐵二十一局集團(tuán)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(qiáng)國建設(shè)寧夏試點(diǎn)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(tuán)有限公司五大公路工程之一，交通強(qiáng)國建設(shè)寧夏試點(diǎn)工程以銀昆高速公路項(xiàng)目建設(shè)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(biāo)合同段起訖樁號(hào)K215+912.5~K225+780，全長9.87km。標(biāo)段主要施工內(nèi)容包括路基、橋涵、排水及防護(hù)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?yàn)闃?biāo)段所在地位于濕陷性黃土地區(qū)，所以設(shè)計(jì)要求在填筑路基時(shí)每1.5m采用高速液壓夯進(jìn)行一次補(bǔ)強(qiáng)，補(bǔ)強(qiáng)后路基壓實(shí)度提高1%以上，補(bǔ)強(qiáng)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(biāo)合同段位于黃土高原，標(biāo)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(tái)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(shí)，含黑色鐵錳質(zhì)斑點(diǎn)，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(jié)較差，遇水易軟化，具弱膨脹性。洪積平臺(tái)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(fēng)化破碎呈碎塊狀。標(biāo)段內(nèi)路基工程均為濕陷性黃土，其濕陷性等級(jí)主要為Ⅳ級(jí)（很嚴(yán)重），零星分布有少量Ⅱ級(jí)~III級(jí)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(bǔ)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(gòu)造運(yùn)動(dòng)和地震均不發(fā)育，除濕陷性黃土外，主要的地質(zhì)災(zāi)害為路線跨越洪積平臺(tái)內(nèi)沖溝。

2 施工準(zhǔn)備

2.1 技術(shù)準(zhǔn)備

路基填筑使用的土樣嚴(yán)格按建設(shè)程序進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)并報(bào)中心試驗(yàn)室進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。施工前對(duì)工作面進(jìn)行平整和碾壓，對(duì)壓實(shí)度和平整度等指標(biāo)進(jìn)行自驗(yàn)，合格后報(bào)監(jiān)理工程師驗(yàn)收。提前組織人員和施工機(jī)械，待補(bǔ)強(qiáng)工作面經(jīng)監(jiān)理工程師驗(yàn)收合格后，施工人員和驗(yàn)收合格的機(jī)械進(jìn)場補(bǔ)強(qiáng)施工。

根據(jù)試驗(yàn)段明確采用施工機(jī)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(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[2]。

2.2 機(jī)械準(zhǔn)備

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

表1 施工機(jī)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(jié)合而變得更密實(shí)。垂直振動(dòng)技術(shù)的壓實(shí)設(shè)備具有壓實(shí)能量利用率高和傳播方向集中等優(yōu)勢(shì)，克服了圓周振動(dòng)壓實(shí)能量相對(duì)分散、影響施工環(huán)境和壓實(shí)深度有限的缺點(diǎn)，能降低能耗，提高壓實(shí)效率和深層壓實(shí)質(zhì)量。

高速液壓夯通過裝載機(jī)或挖掘機(jī)等承載機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)動(dòng)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(fù)運(yùn)動(dòng)將動(dòng)能轉(zhuǎn)換為沖擊能，從而達(dá)到連續(xù)擊打夯實(shí)基礎(chǔ)的目的。

3.1.2 施工工藝

當(dāng)采用高速液壓夯施工時(shí)，對(duì)確定的夯點(diǎn)首先記錄其高程，采用試驗(yàn)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(duì)夯擊沉量差值不大于 10mm即完成該點(diǎn)夯擊任務(wù)，具體流程如圖 1 所示。

圖1 施工工藝流程圖

3.1.3 詳細(xì)施工步驟

詳細(xì)施工步驟如下：1）填料嚴(yán)格控制含水率，控制在最佳含水率的±2%[3]。對(duì)填筑面進(jìn)行平整及碾壓，壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)和平整度等進(jìn)行檢驗(yàn)，檢測合格后，可以進(jìn)行夯點(diǎn)的布設(shè)。2）使用灰線標(biāo)記出夯實(shí)范圍并標(biāo)記出夯點(diǎn)位置。夯點(diǎn)布點(diǎn)示意圖如圖2所示。3）每填筑1.5m使用液壓夯實(shí)機(jī)補(bǔ)強(qiáng)一次，夯點(diǎn)間基本緊靠。4）按照夯擊順序，液壓夯實(shí)機(jī)就位。高速液壓夯實(shí)機(jī)根據(jù)其夯實(shí)能分為強(qiáng)、中、弱三檔，將夯機(jī)調(diào)至強(qiáng)、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(gè)測量夯點(diǎn)位置的下沉量，直至最后三錘與其前三錘的相對(duì)夯擊沉量差值不大于 10mm。5）壓實(shí)度的檢測根據(jù)前面步驟的結(jié)果，按照強(qiáng)、中、弱三檔以及不同的夯擊組數(shù)分別對(duì)夯實(shí)補(bǔ)強(qiáng)的最上一層和最下一層進(jìn)行壓實(shí)度檢測，根據(jù)檢測的壓實(shí)結(jié)果，選取夯實(shí)的最佳組合參數(shù)為后期的大面積補(bǔ)強(qiáng)提供依據(jù)。6）嚴(yán)格按照試驗(yàn)段確定的最佳組合參數(shù)，在完成單個(gè)夯點(diǎn)夯擊作業(yè)后，機(jī)械采用直線作業(yè)方法或扇形作業(yè)方法依次夯實(shí)，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(jī)刮平當(dāng)夯實(shí)時(shí)在夯擊點(diǎn)邊緣形成的剝離體，確保補(bǔ)強(qiáng)面平整。

圖2 夯點(diǎn)布置示意圖

3.1.4 液壓高速夯實(shí)質(zhì)量檢測標(biāo)準(zhǔn)

液壓高速夯實(shí)機(jī)壓實(shí)后1.5m范圍內(nèi)壓實(shí)度應(yīng)不小于94%，當(dāng)檢測結(jié)果達(dá)不到設(shè)計(jì)要求時(shí)，應(yīng)采取補(bǔ)夯措施，直到達(dá)到設(shè)計(jì)要求為止。

3.1.5 施工注意事項(xiàng)

施工注意事項(xiàng)如下：1）高速液壓夯實(shí)機(jī)作業(yè)點(diǎn)夯錘外緣距橋涵結(jié)構(gòu)物最小距離應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)確定。建議當(dāng)使用強(qiáng)檔夯實(shí)時(shí)，作業(yè)點(diǎn)夯錘外緣距橋涵結(jié)構(gòu)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(dāng)填筑層表面干燥時(shí)要適量灑水，防止表面粉塵化，影響能量向深層傳遞。3）嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求，路基每填筑1.5m補(bǔ)夯一次，高速液壓夯夯擊能不小于36 kJ。4）高填路堤的壓實(shí)度比一般路堤壓實(shí)度要求提高1%[4]。

3.2 采用垂直振動(dòng)壓路機(jī)施工

3.2.1 工作原理

垂直振動(dòng)壓路機(jī)與傳統(tǒng)壓路機(jī)當(dāng)作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的慣性振動(dòng)原理不同，垂直振動(dòng)壓路機(jī)采用垂直定向力疊加的原理，既在同樣噸位壓路機(jī)的情況下相比能產(chǎn)生出高于普通壓路機(jī)的激振力和傳遞出更深的壓實(shí)穿透力，具有更高的壓實(shí)效率和壓實(shí)質(zhì)量以及更低的作業(yè)成本和能源消耗等特點(diǎn)；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(jié)合而變得更密實(shí)。

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

圖3 垂直振動(dòng)壓路機(jī)工作原理圖（中心軸上串聯(lián)設(shè)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(dāng)采用垂直振動(dòng)壓路機(jī)施工時(shí)，首先放線確認(rèn)范圍，測量并記錄原地面標(biāo)高，進(jìn)行初次振動(dòng)碾壓并靜壓收面；隨后檢測其壓實(shí)度，重復(fù)上述流程直至合格，同時(shí)測量并記錄壓實(shí)后標(biāo)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(xì)施工步驟

詳細(xì)施工步驟如下：1）填料嚴(yán)格控制含水率，控制在最佳含水率的±2%。對(duì)填筑面進(jìn)行平整及碾壓，檢驗(yàn)壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)和平整度，檢測合格后，可以進(jìn)行垂直振動(dòng)壓路機(jī)補(bǔ)強(qiáng)。2）使用灰線標(biāo)記出垂直振動(dòng)壓路機(jī)補(bǔ)強(qiáng)位置。3）每填筑1.5m使用垂直振動(dòng)壓路機(jī)補(bǔ)強(qiáng)一次。4）使用灰線標(biāo)記出補(bǔ)強(qiáng)范圍。垂直振動(dòng)壓路機(jī)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(yàn)調(diào)整取值），靜壓收面1遍以2 km/h的速度進(jìn)行碾壓，之后檢測補(bǔ)強(qiáng)的深度及補(bǔ)強(qiáng)后壓實(shí)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(shí)結(jié)果，確定垂直振動(dòng)壓路機(jī)的最佳壓實(shí)組合。6）檢測壓實(shí)度，確保壓實(shí)度大于等于設(shè)計(jì)要求94%。7）在補(bǔ)強(qiáng)作業(yè)后，達(dá)到壓實(shí)要求，機(jī)械就位至下一段路基進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)施工。

3.2.4 質(zhì)量檢測標(biāo)準(zhǔn)

垂直振動(dòng)壓路機(jī)壓實(shí)后1.5m范圍內(nèi)壓實(shí)度應(yīng)不小于94%，當(dāng)檢測結(jié)果達(dá)不到設(shè)計(jì)要求時(shí)，應(yīng)采取補(bǔ)壓措施，直至達(dá)到設(shè)計(jì)要求為止。

3.2.5 施工注意事項(xiàng)

施工注意事項(xiàng)如下：1）當(dāng)垂直振動(dòng)壓路機(jī)作業(yè)時(shí)外緣距橋涵結(jié)構(gòu)物最小距離應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)確定。建議當(dāng)補(bǔ)強(qiáng)作業(yè)時(shí)，外緣距橋涵結(jié)構(gòu)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(dāng)填筑層表面干燥時(shí)要適量灑水，防止表面粉塵化，影響能量向深層傳遞。3）嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求，路基每填筑1.5m碾壓補(bǔ)強(qiáng)一次。4）高填路堤的壓實(shí)度比一般路堤壓實(shí)度要求提高一個(gè)百分點(diǎn)。

4 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

4.1 對(duì)比原則

對(duì)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(shí)后進(jìn)行檢測，補(bǔ)強(qiáng)后各層的壓實(shí)度增長情況；2）路基采用LSV260型垂直振動(dòng)壓路機(jī)。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(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，補(bǔ)強(qiáng)后檢測各層的壓實(shí)度增長情況。3）選擇K216+560~K216+810段路基作為試驗(yàn)段，根據(jù)兩種設(shè)備補(bǔ)強(qiáng)前后的數(shù)據(jù)對(duì)比，判定兩種機(jī)械在路基補(bǔ)強(qiáng)施工中的優(yōu)劣。

4.2 結(jié)果對(duì)比

按照試驗(yàn)要求，完成 K216+560~K216+810 段路基補(bǔ)強(qiáng)對(duì)比分析試驗(yàn)，經(jīng)檢測并記錄各項(xiàng)指標(biāo)，形成試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表 2。

表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比表

補(bǔ)強(qiáng)機(jī)械及深度：項(xiàng)目部采用高速液壓夯補(bǔ)強(qiáng)深度為1.5m，夯擊遍數(shù)為6遍 ，路基的整體壓實(shí)質(zhì)量提高1.6%。

采用LSV260型垂直振動(dòng)壓路機(jī)補(bǔ)強(qiáng)機(jī)械，補(bǔ)強(qiáng)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(shí)質(zhì)量提高3.2%。

效果對(duì)比：垂直振動(dòng)壓路機(jī)補(bǔ)強(qiáng)后表面整體較平整，補(bǔ)強(qiáng)面不需要再次進(jìn)行平整，補(bǔ)強(qiáng)后壓實(shí)度提升值高于高速液壓夯補(bǔ)強(qiáng)提升值。

5 經(jīng)濟(jì)效果對(duì)比

根據(jù)現(xiàn)場K216+560~K216+810段路基補(bǔ)強(qiáng)施工情況，該段路基補(bǔ)強(qiáng)面積共7110m2，采用高速液壓夯補(bǔ)強(qiáng)3560m2用時(shí)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(dòng)壓路機(jī)進(jìn)行施工，僅用時(shí)0.5d完成施工，可得垂直振動(dòng)壓路機(jī)施工效率為7100m2/d。按我標(biāo)段共 89628m2工程量計(jì)算，采用垂直振動(dòng)壓路機(jī)可減少工期T=89628/1780-89628/7100=38d。現(xiàn)場機(jī)械配置、機(jī)械數(shù)量、每種機(jī)械月租費(fèi)用及平均每天耗油量見表3。

表3 機(jī)械費(fèi)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(jī)械費(fèi)用表，增加路基其他機(jī)械組合費(fèi)用=272540/30×38+38×12685=827247元。

采用高速液壓夯施工，該項(xiàng)目勞務(wù)成本為12元/m2（含裝載機(jī)，高速液壓夯和柴油）標(biāo)段共計(jì)補(bǔ)強(qiáng)面積為89628m2，需要總成本為107.6萬元。而采用垂直振動(dòng)壓路機(jī)可以避免液壓夯機(jī)及配套設(shè)備的使用，垂直振動(dòng)壓路機(jī)的租賃費(fèi)用為10萬元/月（含柴油），根據(jù)上面計(jì)算的功效所得，完成標(biāo)段補(bǔ)強(qiáng)任務(wù)需要工期T=89628/7100=13天，計(jì)算出補(bǔ)強(qiáng)費(fèi)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(dòng)壓路機(jī)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(duì)比

6.1 工作效率對(duì)比

標(biāo)段補(bǔ)強(qiáng)面積為89628m2，高速液壓夯施工效率為1780m2/d，完成補(bǔ)強(qiáng)工期T=89628/1780=51天；垂直振動(dòng)壓路機(jī)施工效率為7100m2/d，完成補(bǔ)強(qiáng)工期T=89628/7100=13天，縮短工期T=38天。

6.2 工作油耗對(duì)比

根據(jù)現(xiàn)場油耗統(tǒng)計(jì)分析采用高速液壓夯施工，裝載機(jī)XG952型平均每小時(shí)耗油約32L，完成補(bǔ)強(qiáng)工程量消耗柴油=32L×51天×8h=13056L，采用LSV260型垂直振動(dòng)壓路機(jī)平均每小時(shí)耗油約26L，完成補(bǔ)強(qiáng)工程量消耗柴油=26L×13天×8h=2704L，通過對(duì)比，完成補(bǔ)強(qiáng)工程量垂直振動(dòng)壓路機(jī)比高速液壓夯節(jié)省柴油10352L。

6.3 減少二氧化碳對(duì)比

采用垂直振動(dòng)壓路機(jī)提前工期38天，經(jīng)現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)路基其他機(jī)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(duì)比垂直振動(dòng)壓路機(jī)與高速液壓夯，完成以上補(bǔ)強(qiáng)施工任務(wù)節(jié)省柴油10352L，按照每升柴油排放2.63kg二氧化碳量計(jì)算，可減少二氧化碳排放量=（56050L+10352L）×2.63=174637kg。

7 施工壓實(shí)效果對(duì)比

采用高速液壓夯后，路基壓實(shí)度平均提高1.6%，補(bǔ)強(qiáng)面為點(diǎn)狀補(bǔ)強(qiáng)、補(bǔ)強(qiáng)區(qū)域四周形成剝離體、補(bǔ)強(qiáng)效果可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。采用垂直振動(dòng)壓路機(jī)補(bǔ)強(qiáng)后，路基壓實(shí)度平均提高3.2%，垂直振動(dòng)壓路機(jī)垂直傳遞深度更深，能形成面狀補(bǔ)強(qiáng)，補(bǔ)強(qiáng)后導(dǎo)致的表面剝離體較少。

通過試驗(yàn)對(duì)比，使用垂直振動(dòng)壓路機(jī)補(bǔ)強(qiáng)可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求，補(bǔ)強(qiáng)施工速度快，補(bǔ)強(qiáng)效果優(yōu)于高速液壓夯補(bǔ)強(qiáng)效果。

8 結(jié)論

通過對(duì)比垂直振動(dòng)壓路機(jī)和高速液壓夯在銀昆高速公路路基填筑補(bǔ)強(qiáng)施工中的表現(xiàn)，得出主要結(jié)論：1）該標(biāo)段使用垂直振動(dòng)壓路機(jī)施工，與高速液壓夯相比，完成該標(biāo)段補(bǔ)強(qiáng)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(shí)現(xiàn)高效施工和低碳環(huán)保的目標(biāo)。2）垂直振動(dòng)壓路機(jī)既可承擔(dān)路基填筑壓實(shí)工作，又可承擔(dān)路基補(bǔ)強(qiáng)工作，避免了專用施工機(jī)械利用率不高的問題。