高填方路基快速施工關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

摘要 文章揭示了超厚層土體大噸位壓實(shí)機(jī)理，提出了與典型土體目標(biāo)壓實(shí)度相匹配的激振頻率來指導(dǎo)施工機(jī)械的選擇；建立了基于土體壓實(shí)過程控制的機(jī)械參數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)控機(jī)制，提出了超厚層路基快速施工工藝，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)碾壓施工；建立了適用于大噸位振動(dòng)壓路機(jī)路基超厚層壓實(shí)質(zhì)量快速檢測(cè)方法。研究表明：新技術(shù)施工效率高，大幅縮短了工期，節(jié)約了勞動(dòng)成本。

關(guān)鍵詞 高填方路基；快速施工；技術(shù)應(yīng)用

中圖分類號(hào) U416 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）21-0115-03

0 引言

在強(qiáng)夯施工過程中，通常存在一些問題如施工質(zhì)量控制困難、施工效率低下以及對(duì)環(huán)境和結(jié)構(gòu)的影響等。因此，該文研發(fā)了一種智能強(qiáng)夯監(jiān)測(cè)設(shè)備，此設(shè)備在現(xiàn)有強(qiáng)夯機(jī)施工規(guī)范的基礎(chǔ)上，根據(jù)設(shè)置的強(qiáng)夯機(jī)自動(dòng)控制算法及無(wú)線定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)夯機(jī)的自主學(xué)習(xí)功能及對(duì)強(qiáng)夯機(jī)的行走路線、夯沉點(diǎn)位置、夯沉量等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過控制終端處理分析后，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)視頻監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)夯機(jī)的自動(dòng)行走、自動(dòng)夯擊、夯擊點(diǎn)連續(xù)夯擊、夯沉量監(jiān)控等功能。在此基礎(chǔ)上引入強(qiáng)夯段落分區(qū)、區(qū)域分層和分層面定位的創(chuàng)新功能，該研發(fā)成果具有重要的理論和實(shí)際意義。

該工程屬于典型的山區(qū)高填方工程，地形復(fù)雜，多處V字形地帶，最大填方高度40 m，如何處理好高填方邊坡的穩(wěn)定性，將成為影響后期拱形骨架等防護(hù)工程質(zhì)量、進(jìn)度與安全的一個(gè)重點(diǎn)問題。經(jīng)科技創(chuàng)新，技術(shù)突破，下路堤智能強(qiáng)夯、上路堤與下路床超厚碾壓、上路床鋪設(shè)HDPE土工格室是解決上述問題的三個(gè)有效途徑。

1 基于集成北斗衛(wèi)星系統(tǒng)強(qiáng)夯機(jī)智能施工系統(tǒng)

1.1 強(qiáng)夯機(jī)智能施工系統(tǒng)特點(diǎn)

該系統(tǒng)集成北斗衛(wèi)星高精度定位技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析處理技術(shù)于一體，將強(qiáng)夯機(jī)行進(jìn)路線、夯沉點(diǎn)、夯沉量等關(guān)鍵數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至顯示終端。通過攝像頭及定位系統(tǒng)對(duì)強(qiáng)夯機(jī)行進(jìn)路線、夯沉點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)編程，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)夯機(jī)自動(dòng)行進(jìn)，自動(dòng)連續(xù)夯擊[1]。

1.2 操作要點(diǎn)與實(shí)施效果分析

1.2.1 操作要點(diǎn)

在強(qiáng)夯機(jī)的起吊機(jī)構(gòu)安裝傳感器組，對(duì)于起吊機(jī)構(gòu)總壓、鋼繩表面旁壓、夯錘的重量等數(shù)據(jù)進(jìn)行精確測(cè)量，系統(tǒng)根據(jù)目標(biāo)夯沉量實(shí)時(shí)調(diào)整夯擊動(dòng)作。

1.2.2 實(shí)施效果

（1）實(shí)現(xiàn)自動(dòng)夯擊動(dòng)作、夯沉量的監(jiān)控以及夯擊點(diǎn)的連續(xù)夯擊動(dòng)作。夯沉量數(shù)值測(cè)量誤差小、精度高。

（2）通過對(duì)強(qiáng)夯機(jī)夯錘力的計(jì)算替代人工劃線標(biāo)記夯沉點(diǎn)的方式，提高了施工效率。

1.3 推廣前景與效益分析

1.3.1 推廣前景

該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)夯擊動(dòng)作、夯沉量的監(jiān)控以及夯擊點(diǎn)的連續(xù)夯擊動(dòng)作，通過對(duì)強(qiáng)夯機(jī)夯錘力的計(jì)算替代了人工劃線標(biāo)記夯沉點(diǎn)的方式，極大地提高了施工效率，且夯沉量數(shù)值測(cè)量誤差小、精度高。項(xiàng)目部運(yùn)用該系統(tǒng)進(jìn)行施工，施工效率高，大幅縮減了工期，節(jié)約了勞動(dòng)成本，工程質(zhì)量高，具有良好的推廣應(yīng)用前景。

1.3.2 經(jīng)濟(jì)效益

通過采用該系統(tǒng)進(jìn)行施工，與現(xiàn)有的強(qiáng)夯機(jī)施工方式相比，代替了人工駕駛強(qiáng)夯機(jī)、人工劃線標(biāo)記，節(jié)約了勞動(dòng)力成本20萬(wàn)元；提高了施工效率，縮短了工期30天；夯沉量測(cè)量精度高。該項(xiàng)工程施工共計(jì)節(jié)約工程造價(jià)100萬(wàn)元。

1.3.3 社會(huì)效益

通過采用該系統(tǒng)進(jìn)行施工，強(qiáng)夯機(jī)自動(dòng)移動(dòng)到現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)夯擊動(dòng)作、夯沉量的監(jiān)控以及夯擊點(diǎn)的連續(xù)夯擊動(dòng)作，智能化程度高、施工效率高，且夯沉量測(cè)量精度高、誤差小，該系統(tǒng)的成功應(yīng)用，獲得了業(yè)界內(nèi)一致認(rèn)可和好評(píng)。

2 超厚層土體大噸位壓實(shí)技術(shù)

（1）對(duì)高速公路路基快速施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究與應(yīng)用，通過研究發(fā)現(xiàn)土體中動(dòng)應(yīng)力傳遞受激振頻率影響顯著，敏感頻率區(qū)間內(nèi)，動(dòng)應(yīng)力可放大18.6%～25.3%，應(yīng)力傳遞效率提高。提出了基于頻率控制法的“低碳節(jié)能”的碾壓工藝，共振頻率區(qū)間為19～25 Hz，共振作用下振動(dòng)幅值放大10.2%～16.7%，在24 Hz激振頻率作用下，油耗顯著降低5.56%～6.25%[2]。

（2）通過填石路堤和細(xì)粒土路堤施工現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，分別確定了其最優(yōu)松鋪厚度為75 cm和55 cm；優(yōu)選超填寬度為1.0 m，優(yōu)選施工工藝為：

1）填石路堤：36 t靜壓1遍、36 t強(qiáng)振碾壓2遍、36 t弱振碾壓2遍、36 t靜壓1遍；

2）細(xì)粒土路堤：22 t靜壓1遍、36 t強(qiáng)振碾壓3遍、36 t弱振碾壓1遍、22 t靜壓1遍。

6遍碾壓結(jié)束后，填石路堤和細(xì)粒土路堤均能達(dá)到壓實(shí)質(zhì)量控制要求。

（3）基于室內(nèi)外試驗(yàn)，評(píng)估多種檢測(cè)方法（壓實(shí)度、孔隙率、沉降差、動(dòng)態(tài)變形模量EVD、地基系數(shù)K30、彎沉、累計(jì)沉降量等）在超厚層路基壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)中的適用性，通過與壓實(shí)度和孔隙率相關(guān)性分析，優(yōu)選動(dòng)態(tài)變形模量作為高速公路路基壓實(shí)質(zhì)量快速檢測(cè)方法，對(duì)于軟質(zhì)巖石下路堤建議控制值取65 MPa，對(duì)于低液限黏質(zhì)土路基建議94區(qū)控制值取60 MPa。

3 上路床鋪設(shè)HDPE土工格室

3.1 技術(shù)的合理性和有效性分析

該技術(shù)所采用的HDPE土工格室是一種伸縮性好、材質(zhì)輕、物理化學(xué)性能穩(wěn)定的三維蜂窩結(jié)構(gòu)，通過在其空腔內(nèi)回填填料可形成具有一定側(cè)向限制的剛體。該技術(shù)提出了用土工格室調(diào)控路床以提升路基整體性能的設(shè)計(jì)理念，分析了填料類型、土工格室設(shè)計(jì)參數(shù)（焊距、高度、加固位置）對(duì)調(diào)控后的路基承載性能、變形特性的影響，揭示了土工格室調(diào)控路基性能機(jī)制，形成了較為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論和方法。通過現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)監(jiān)測(cè)元件和多種路基性能檢測(cè)手段，驗(yàn)證了技術(shù)的合理性和有效性[3]。

3.2 應(yīng)用效果分析

該項(xiàng)目修筑了長(zhǎng)100 m的路基新技術(shù)應(yīng)用試驗(yàn)段。10 cm土工格室調(diào)控后的路基動(dòng)模量將提升約70%以上；彎沉降低約40%以上；貫入度降低約50%以上。同時(shí)，土工格室運(yùn)輸體積小、連接方便，可提高路基的施工速度。

3.3 經(jīng)濟(jì)效益分析

以高6 m、長(zhǎng)100 m的路堤為例，分別采用該技術(shù)（土工格室）和傳統(tǒng)技術(shù)（石灰改良）對(duì)距路床頂面25 cm范圍內(nèi)的路基進(jìn)行處治，通過比較工程費(fèi)用以定量分析該技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益。石灰改良方案中，石灰摻率為5%。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料確定土工格室價(jià)格為2.2 元/米，石灰單價(jià)為500 元/噸，石灰改良土壓實(shí)方單價(jià)為80 元/立方米，填料回填壓實(shí)方單價(jià)為7.5 元/米。填料壓實(shí)干密度為1.74 t/m3，石灰土壓實(shí)密度為1.88 t/m3。為便于計(jì)量，僅計(jì)算了主要施工材料的用量及價(jià)格，施工機(jī)械臺(tái)班費(fèi)及人工費(fèi)等不納入計(jì)算。土工格室方案可顯著降低工程造價(jià)，與石灰改良相比僅材料成本就可節(jié)約46%。這是由于相較于價(jià)格低廉的土工格室，石灰成本相對(duì)比較昂貴，造成工程總造價(jià)劇增。此外，考慮施工周期長(zhǎng)短也會(huì)顯著影響工程造價(jià)，土工格室方案相較于石灰改良可極大縮短工期，更能大幅提高經(jīng)濟(jì)效益。

4 高填方路基的應(yīng)用實(shí)例與質(zhì)量控制

4.1 工程特點(diǎn)

（1）項(xiàng)目所在地交通狀況差，施工便道修筑困難，山區(qū)無(wú)平坦場(chǎng)地，臨建工程量大，費(fèi)用高。尤其工期緊張，需快速施工。單位工程計(jì)劃工期見表1。

（2）路基土石方最大開挖深度68.4 m，最大填筑高度40 m。

4.2 技術(shù)應(yīng)用

2024年進(jìn)行了基于靶向定位功能的強(qiáng)夯智能化施工監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用。

4.2.1 應(yīng)用要點(diǎn)

（1）該技術(shù)研發(fā)了一種智能強(qiáng)夯監(jiān)測(cè)設(shè)備，結(jié)合強(qiáng)夯機(jī)自動(dòng)控制算法和無(wú)線定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)夯機(jī)的自主學(xué)習(xí)功能和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)夯機(jī)的行走路線、夯沉點(diǎn)位置、夯沉量等數(shù)據(jù)。

（2）創(chuàng)新增設(shè)強(qiáng)夯段落分區(qū)、區(qū)域分層和分層面定位功能。通過將施工區(qū)域劃分為多個(gè)小段落，并根據(jù)土質(zhì)和夯擊效果的差異進(jìn)行分層處理，實(shí)現(xiàn)施工質(zhì)量的精確控制和效率的提升。

（3）通過后臺(tái)系統(tǒng)查看監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，可輕松獲取每個(gè)段落的夯擊效果、地基密實(shí)度、區(qū)域面積和層數(shù)等數(shù)據(jù)，為工程質(zhì)量評(píng)估和優(yōu)化提供準(zhǔn)確的依據(jù)。這一創(chuàng)新點(diǎn)使得施工管理更加科學(xué)和便捷，提高了工程監(jiān)測(cè)和決策的效率。

4.2.2 應(yīng)用效果

該創(chuàng)新技術(shù)實(shí)現(xiàn)了施工質(zhì)量以及效率的提高，并減少對(duì)環(huán)境以及結(jié)構(gòu)的不良影響，通過采用強(qiáng)夯段落分區(qū)、區(qū)域分層和分層面定位的創(chuàng)新功能，效率提升了50%。施工中可以輕松查看每個(gè)段落的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，包括夯擊效果、密實(shí)程度以及各個(gè)層次的數(shù)量。

4.3 高填方路基的質(zhì)量控制

（1）主要管控內(nèi)容：路肩壓實(shí)控制、路基沉降控制；路基挖方工程。

（2）主要管控要點(diǎn)與優(yōu)化措施

高填方路基的質(zhì)量控制要點(diǎn)如圖1所示。高填方路基的質(zhì)量檢測(cè)項(xiàng)目見表2。

1）切斷地表水補(bǔ)給且按圖紙及規(guī)范要求做好基底處理，清除淤泥、雜草樹根、腐殖土是保證路基穩(wěn)定的必要措施。

2）每層填料每側(cè)寬于路基0.5～1 m且采用較細(xì)的材料填筑，嚴(yán)禁將大顆粒集中于坡側(cè)以確保邊坡順暢、密實(shí)。

3）采用液壓夯對(duì)路基邊坡夯實(shí)的同時(shí)用重型振動(dòng)壓路機(jī)對(duì)路肩寬填部位重點(diǎn)壓實(shí)，對(duì)路肩壓實(shí)度進(jìn)行檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)問題立即找出原因并進(jìn)行整改。

4）按照?qǐng)D紙要求，上道工序不合格則不準(zhǔn)進(jìn)入下道工序，嚴(yán)格執(zhí)行隱蔽工程驗(yàn)收制，每填高3 m進(jìn)行重夯補(bǔ)強(qiáng)處理。簽證隱蔽工程驗(yàn)收證明以確保每層填筑的工程質(zhì)量。

5）在施工前根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)情況做好排水設(shè)施并與永久排水設(shè)施相結(jié)合，雨季施工時(shí)在路塹上邊坡頂以外臨時(shí)開挖截水溝。每挖一層土之前都在挖土層斷面提前挖出縱向排水溝并經(jīng)常維護(hù)臨時(shí)排水設(shè)施以保證水流暢通。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，該研究主要形成以下結(jié)論：

對(duì)于最大填方高度40 m以上的高填方路基，采取以下三種技術(shù)：

（1）下路堤智能強(qiáng)夯技術(shù)，可自動(dòng)定位與提高夯沉量測(cè)量精度。

（2）上路堤與下路床超厚碾壓技術(shù)，超厚層土體大噸位壓實(shí)效果良好。

（3）上路床鋪設(shè)HDPE土工格室是高填方路基快速施工的關(guān)鍵技術(shù)之一。土工格室—填料復(fù)合體可在路床形成一層硬殼層，有效地降低路基內(nèi)部動(dòng)應(yīng)力，提升路基的整體剛度。該段路基目前已運(yùn)營(yíng)近兩年，從沉降量觀測(cè)和路表情況來看，取得了良好的應(yīng)用效果。

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CN115627782A，2023-01-20.