紅砂巖路基施工工藝及修筑技術(shù)

李立國(guó)

（中交一公局集團(tuán)華中工程有限公司，湖北 武漢）

前言

我國(guó)紅砂巖分布面積較大，在紅砂巖分布地區(qū)，路基施工受諸多因素影響。溫度、干濕循環(huán)、pH 值、擾動(dòng)等均會(huì)影響紅砂巖性質(zhì)穩(wěn)定性，甚至導(dǎo)致紅砂巖出現(xiàn)崩解破碎情況。紅砂巖特殊的物理力學(xué)性質(zhì)決定了傳統(tǒng)路基壓實(shí)修筑施工工藝無法滿足紅砂巖路基施工要求，也無法保證路基承載能力達(dá)標(biāo)。因此，探究紅砂巖路基施工工藝及修筑技術(shù)具有非常突出的現(xiàn)實(shí)意義。

1 紅砂巖路基施工項(xiàng)目

一紅砂巖路基施工項(xiàng)目起止里程為K0+000～K16+800，施工內(nèi)容涵蓋便道及其他臨時(shí)設(shè)施、路基路面工程、互通樞紐、服務(wù)器及配套設(shè)施等。項(xiàng)目路網(wǎng)長(zhǎng)16.8 km，路基寬22.5 m（見圖1），行車道寬4×3.75 m，路緣帶寬2×0.5 m，中央分隔帶寬2 m，硬路肩、土路肩寬分別為2×1.5 m、2×0.75 m。工程主線設(shè)計(jì)行車速度為80 km/h，荷載為公路－Ⅰ級(jí)，設(shè)計(jì)洪水頻率1/100，緩和曲線最小長(zhǎng)度110 m，平曲線一般最小半徑490 m，豎曲線一般最小長(zhǎng)度170.529 m，最大縱坡4.8 m，最小坡長(zhǎng)230 m。

圖1 填方路基橫斷面

圖1 中，1 為路面；2 為中央分隔帶；3 為標(biāo)高；4 為排水溝；5 為界碑。

項(xiàng)目所在地主要為低山丘陵，地勢(shì)由東北向中南傾斜，地貌為剝蝕丘陵、丘間沖洪積盆地。項(xiàng)目地表部分地段被第四系土層覆蓋，局部路段出露花崗巖、礫巖、泥質(zhì)粉砂巖，具體見表1。項(xiàng)目所在區(qū)域地表水系發(fā)育，河網(wǎng)密布，且與地下水天然補(bǔ)給量相平衡。氣候?yàn)閬啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤(rùn)氣候，年降雨相對(duì)較少時(shí)期為10月到次年2 月，年降雨相對(duì)較多時(shí)期為4 月到6 月。

表1 紅砂巖路基地層巖性

項(xiàng)目質(zhì)量要求單位工程一次竣工驗(yàn)收合格率為100%，公路工程竣工驗(yàn)收優(yōu)良品率超95%。項(xiàng)目文明施工要求將施工對(duì)周邊環(huán)境影響控制在最低限度，爭(zhēng)取創(chuàng)造“安全生產(chǎn)、文明施工標(biāo)準(zhǔn)化施工工地”。項(xiàng)目安全施工要求安全措施執(zhí)行率達(dá)到100%，事故隱患整改率達(dá)到100%，重大危險(xiǎn)源監(jiān)控率達(dá)到100%。

2 紅砂巖路基施工工藝規(guī)劃

工程路基施工包括路基填方、路基挖方、壓實(shí)等內(nèi)容，合同段施工時(shí)間為28 個(gè)月，開工日期為2023年7 月1 日，竣工日期為2025 年10 月02 日，在雨季來臨前優(yōu)先安排挖方區(qū)段。填方工程量為26.7 萬m3，挖方工程量為70.6 萬m3，清淤換填工程量為4.03 萬m3。配置資源包括10 臺(tái)挖機(jī)、2 臺(tái)推土機(jī)、1 臺(tái)裝載機(jī)、1臺(tái)平地機(jī)、30 臺(tái)自卸車、2 臺(tái)振動(dòng)壓路機(jī)、1 臺(tái)小型夯實(shí)機(jī)等。借助現(xiàn)有鄉(xiāng)村道路、主線路基到標(biāo)尾紅線修筑施工貫穿便道，便道兩側(cè)設(shè)置臨時(shí)排水系統(tǒng)。同時(shí)沿便道施工共線段碎石樁及臨時(shí)構(gòu)筑物。共線段施工完畢后，施作相鄰構(gòu)筑物，期間布設(shè)完善的防水、截水、排水系統(tǒng)[1]。整個(gè)過程中，路基施工用土石方以棄方為主，區(qū)域內(nèi)土方優(yōu)先自用，剩余土方選擇外運(yùn)向其他工區(qū)、棄渣場(chǎng)方式，具體路基開挖斷面見圖2。

圖2 路基開挖斷面

圖2 中，1 為土路肩；2 為硬路肩；3 為行車道；4為中央分隔帶；5 為設(shè)計(jì)標(biāo)高；6 為截水溝；7 為界碑；8為路線設(shè)計(jì)線；9 為矩形邊溝[2]。

3 紅砂巖路基修筑技術(shù)

3.1 路網(wǎng)布置

根據(jù)工程測(cè)量任務(wù)大且精度要求高的特點(diǎn)，參照《工程測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB50026-2020）關(guān)于GPS 測(cè)量的要求，設(shè)定天線對(duì)中精度1 mm，靜態(tài)測(cè)量時(shí)段長(zhǎng)為45 min～60 min，數(shù)據(jù)采樣間隔為15 s～60 s，完成平面控制網(wǎng)測(cè)量。進(jìn)而借助光電三角高程，經(jīng)徠卡TS06PLUS全站儀測(cè)量路基高程，為路基施工提供依據(jù)[3]。

3.2 土石方開挖

3.2.1 連續(xù)紅砂巖土石方開挖

在臨時(shí)排水設(shè)施設(shè)置完畢情況下，由上向下開挖土石方，開挖方法為分層法，開挖過程見圖3。

圖3 土石方開挖過程

圖3 中，1 為路基中心線；2 為開挖分層，分為①-1、②-1、③-1、④-1、⑤-1、①。每層臺(tái)階深在1.5 m～2.0 m 之間；3 為開挖保護(hù)層，包括①-2、②-2、②-3、③-2、③-3、④-2、④-3、⑤-2、⑤-3；4 為原地面線；5 為保護(hù)層開挖基準(zhǔn)線[4]。在開挖期間，因紅砂巖石方特殊性質(zhì)，在連續(xù)紅砂巖路基段，利用8 t～25 t 以鋼板為外殼、內(nèi)部灌入混凝土的破碎錘（或挖掘機(jī)），連續(xù)破碎2 遍到3遍，進(jìn)行低能量、間歇靜態(tài)開挖，破碎錘與紅砂巖路基表面相距8 m～25 m，破碎點(diǎn)布置為三角形（或正方形）每開挖2 m～3 m 及時(shí)清除渣土、清潔邊坡松石、危石、掛碴，并借助推土機(jī)、挖掘機(jī)與自卸汽車吊運(yùn)石方。同時(shí)進(jìn)行邊坡分級(jí)防護(hù)，確保邊坡工作面充足，且挖方邊坡順直、圓滑、大面平整。在邊坡清表的基礎(chǔ)上，利用破碎錘破碎開挖的大體積紅砂巖，為下一階段回填操作提供依據(jù)。

3.2.2 分散紅砂巖石方開挖

對(duì)于局部分散紅砂巖石方段，選擇淺孔梯段爆破方法，貫徹多眼、密炮、少藥、淺孔的原則，根據(jù)爆破安全規(guī)程，確定微差爆破最大一段藥量對(duì)應(yīng)的安全爆破距離、爆破振動(dòng)速度，計(jì)算公式如下：

式（1）、式（2）中，Ri為微差爆破最大一段藥量對(duì)應(yīng)的安全爆破距離，m；K 為與爆破場(chǎng)所地形相關(guān)的系數(shù)，150；V 為地震安全速度，cm/s；a 為與爆破地質(zhì)條件相關(guān)的衰減指數(shù)，1.8；Q 為藥包量，kg；Vi為微差爆破最大一段藥量對(duì)應(yīng)的爆破振動(dòng)速度，cm/s。

在相關(guān)參數(shù)確定后，借助風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)鉆設(shè)炮孔，最后一層留設(shè)20 cm±10 cm 的撬挖層，由人工自上而下鑿打。炮孔內(nèi)分批安裝φ32 mm 卷裝乳化炸藥，并隔段使用非電導(dǎo)爆管毫秒雷管1～30 段，裝藥量與孔眼計(jì)算裝藥量相對(duì)應(yīng)。在淺孔控制爆破分散紅砂巖主體部分基礎(chǔ)上，借助光面爆破處理邊坡，促使邊坡線預(yù)裂光面爆破形成減震槽，避免后期分散紅砂巖爆破地震波對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。爆破完畢后，人工平整基底并修造邊坡局部。

3.3 紅砂巖預(yù)崩解

根據(jù)紅砂巖吸水性強(qiáng)以及在干濕循環(huán)作用下易崩解破碎、軟化的特點(diǎn)，提前根據(jù)公路路基設(shè)計(jì)要求，收集爆破的紅砂巖，進(jìn)行人工灑水預(yù)崩解處理，消除紅砂巖水活性，促使紅砂巖顆粒預(yù)先軟化成紅砂巖土，且紅砂巖土液限小于50%、塑性指數(shù)小于26、自由膨脹率小于80%[5]。

在紅砂巖預(yù)先崩解為紅砂巖土后，借助推土機(jī)推平紅砂巖土，并經(jīng)推土機(jī)后掛松土齒耙松紅砂巖土，機(jī)器耙出較大顆粒并重復(fù)多次碾壓，直至紅砂巖土大顆粒（25 cm 及以上）基本壓碎。

3.4 紅砂巖鋪筑

在清除路基周邊30 cm 深度范圍內(nèi)表土、垃圾、有機(jī)物殘?jiān)?、農(nóng)作物根系以及水塘淤泥后，適當(dāng)晾曬基底，利用預(yù)崩解后紅砂巖分層鋪筑。考慮到紅砂巖在大噸位攤鋪機(jī)作用下會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)特性異變，即由石方轉(zhuǎn)變?yōu)橥潦焯罱Y(jié)構(gòu)，一旦分層厚度過大就會(huì)出現(xiàn)石料架空現(xiàn)象，因此，設(shè)定每層松鋪厚度小于30 cm，每側(cè)填料攤鋪寬度超出路基設(shè)計(jì)寬度30 cm～50 cm，為后期路基邊坡修整提供依據(jù)。松鋪后，先借助推土機(jī)初次平整，再借助平地機(jī)由兩側(cè)向路基中心線推進(jìn)，平地機(jī)精細(xì)平整路基表面1 遍到2 遍，確保每層平面無顯著局部凹凸感。

3.5 紅砂巖壓實(shí)

借助50 t 以上輪胎壓實(shí)機(jī)靜止鎮(zhèn)壓紅砂巖顆粒3 遍到5 遍，由兩側(cè)向中間推進(jìn)，每行靜壓輪跡重疊40 cm 及以上，前后區(qū)段縱向搭接長(zhǎng)度超出2 m 及以上。期間輪胎壓實(shí)機(jī)行駛速度為2 km/h～3 km/h，確保均勻碾壓且無漏壓、無死角，且最大靜線壓力超出580 N/cm，便于在碾壓過程中對(duì)紅砂巖進(jìn)行二次崩解，促使紅砂巖土形成土狀物包裹參與顆粒的獨(dú)特結(jié)構(gòu)[6]。

在靜止鎮(zhèn)壓后，根據(jù)局部低強(qiáng)度紅砂巖易破碎且在爆破后細(xì)料比重大的特點(diǎn)，利用35 t 以上振動(dòng)壓實(shí)機(jī)強(qiáng)振碾壓方式，依據(jù)350 kN 及以上的激振力鎮(zhèn)壓2 遍到3 遍，強(qiáng)振碾壓速度為3 km/h～4 km/h，由兩側(cè)路基邊緣向路中心線推進(jìn)，獲得密實(shí)不透水的紅砂巖壓實(shí)體。

在振動(dòng)碾壓后，放出路基邊線，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，去除超出填筑部分并進(jìn)行折點(diǎn)修整。修整至路基轉(zhuǎn)折位置棱線明顯且直線平直、曲線圓順。

4 紅砂巖路基修筑效果

在路基壓實(shí)功一定情況下，根據(jù)《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T3610-2019）和《公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程》（JTJE60-2019）的相關(guān)要求，選定紅砂巖路基修筑效果評(píng)定單元為1 km～3 km。在檢測(cè)評(píng)定單元確定后，利用灌砂法，在標(biāo)定粒徑0.030 mm～0.60 mm量砂與灌砂筒的基礎(chǔ)上，檢測(cè)路基壓實(shí)度[7]。隨后利用夯錘、導(dǎo)管、荷載板、與圓孔篩，結(jié)合能量小于50 kN的材料強(qiáng)度儀，調(diào)節(jié)材料灌入速度至1 mm/min，對(duì)路基CBR（承載比）進(jìn)行檢測(cè)，記錄檢測(cè)結(jié)果，連續(xù)操作3 次，計(jì)算平均值。在這個(gè)基礎(chǔ)上，以紅砂巖路基碾壓通行后1000d 為節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行車輛荷載后最大沉降測(cè)量，并以年為單位計(jì)算沉降速率。進(jìn)而將實(shí)測(cè)值與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比，判定紅砂巖路基修筑效果，見表2。

表2 紅砂巖路基修筑效果

在單位面積路基壓實(shí)功為145.2 kJ/m3的情況下，預(yù)崩解后的紅砂巖質(zhì)土路基壓實(shí)度達(dá)到95%，路基CBR 為13.5%，經(jīng)過1000d 車輛荷載后的最大沉降為3.22 mm，承載能力達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，紅砂巖極易吸水膨脹崩解，性質(zhì)不夠穩(wěn)定，對(duì)路基施工提出了較大挑戰(zhàn)。因此，在紅砂巖路基施工過程中，技術(shù)人員可以先確定紅砂巖性質(zhì)，再分析紅砂巖影響因素。在明確紅砂巖性質(zhì)影響因素的前提下，制定科學(xué)的路基填筑壓實(shí)技術(shù)方案，實(shí)時(shí)檢測(cè)控制紅砂巖路基，確保紅砂巖路基承載力符合要求。