高填方工程施工中的系統(tǒng)控制方法

施發(fā)弘

(中國航空港建設(shè)第九工程總隊,四川 新津 610000)

1 高填方工程影響因素系統(tǒng)分析方法

隨著國內(nèi)經(jīng)濟的發(fā)展,高山機場、山區(qū)道路、填海工程等項目建設(shè)應運而生,如九寨黃龍機場、康定機場、雅西高速等項目的相繼建設(shè)。這些位于高山峻嶺的項目,工程地質(zhì)、水文地質(zhì)非常復雜,在施工中可能面臨高挖深填幾十米甚至上百米的高填方。

高填方工程影響因素系統(tǒng)分析方法就是應用系統(tǒng)理論的思想和方法,對工程場地條件、工程設(shè)計、工程施工和工程質(zhì)量檢測等各個環(huán)節(jié)的各種影響因素進行系統(tǒng)梳理,找出影響工程的關(guān)鍵性參數(shù)進行有效控制,以解決工程施工過程中的技術(shù)難題,實現(xiàn)工程建設(shè)管理的最優(yōu)化。

1.1 場地條件系統(tǒng)

工程地質(zhì)條件包括地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、工程地質(zhì)分區(qū)、場地穩(wěn)定性、場區(qū)內(nèi)土石比和氣候條件等;水文地質(zhì)條件包括場區(qū)水文特征、地下水類型及含水巖組劃分、地下水補給、排泄、逕流條件、水化學類型及水的腐蝕性等。

1.2 設(shè)計系統(tǒng)

包括地質(zhì)勘察、圖紙設(shè)計和設(shè)計試驗。

地質(zhì)勘測是對工程范圍內(nèi)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地下水、巖土特性等要素,進行充分的調(diào)查、勘測和研究。高填方工程的圖紙設(shè)計不僅要靠考慮工程地質(zhì)條件、地質(zhì)水文、氣候、地形地貌等因素,而且要根據(jù)施工條件考慮施工場地制約、施工技術(shù)與設(shè)備、施工組織管理等因素的影響,科學地進行設(shè)計優(yōu)化。設(shè)計試驗是高填方工程設(shè)計的特殊要求,是解決高填方工程設(shè)計中疑難技術(shù)問題的重要手段。

高填方是一個三維的、高度非線性的、時效的復雜系統(tǒng),其穩(wěn)定性受多種因素的影響,如土層分布與巖土特性,地基處理效果、填筑料的巖土特性、碾壓密實度、填筑速率、工程措施以及排水措施情況等。因此,在大面積施工前需要進行工程試驗或前期工程,就是驗證和優(yōu)化地基處理設(shè)計,確定地基處理施工工藝和質(zhì)量控制標準。

1.3 施工系統(tǒng)

施工系統(tǒng)包括施工隊伍、施工組織、技術(shù)方案和技術(shù)創(chuàng)新等。施工隊伍和施工組織的影響差別不大,但技術(shù)方案和施工技術(shù)創(chuàng)新將直接影響到工程的工期、質(zhì)量和安全。

1.4 監(jiān)測系統(tǒng)

對工程施工過程和使用過程中的基面沉降進行同位監(jiān)測,預防意外情況發(fā)生。

1.5 設(shè)計—施工一體化時效動態(tài)系統(tǒng)

高填方工程不能按照常規(guī)的設(shè)計、施工程序進行設(shè)計和施工,要求將動態(tài)的、逐步深入的設(shè)計優(yōu)化思想貫穿整個工程過程:從工程前期的方案優(yōu)化調(diào)整、場地施工條件的優(yōu)化組織、施工技術(shù)方案的優(yōu)化調(diào)整、邊坡坡度變化的地勢設(shè)計優(yōu)化到地基處理的優(yōu)化,施工圖階段根據(jù)實際發(fā)生的土石方量、土石比變化進行的調(diào)整和修改優(yōu)化,到根據(jù)沉降預測進行的地勢設(shè)計和工程措施調(diào)整優(yōu)化。

設(shè)計—施工—監(jiān)測三位一體信息化施工時效管理,就是將設(shè)計—施工—監(jiān)測三個系統(tǒng)的信息收集起來進行綜合分析、處理,有效地用于施工全過程管理,這就是設(shè)計—施工一體化時效動態(tài)管理系統(tǒng)。施工中的試驗為設(shè)計的實踐依據(jù),發(fā)現(xiàn)的新問題、設(shè)計缺陷、技術(shù)難題反饋給設(shè)計,由設(shè)計者修改或者優(yōu)化設(shè)計方案,解決技術(shù)性難題。設(shè)計和施工的結(jié)果需要實踐證明,這就是監(jiān)測系統(tǒng)的功能。通過觀測記錄,掌握填筑體的性態(tài)變化,掌握非飽和土填筑體的沉降變化規(guī)律與特征,在時間上和空間上對沉降變形做出科學判斷,并據(jù)此進行設(shè)計優(yōu)化和施工組織技術(shù)調(diào)整。

2 高填方工程施工“三面一體”控制法

高填方工程質(zhì)量的關(guān)鍵是“三面”的施工及處理?！叭嬉惑w”施工控制法就是將影響“基底面”、“搭接面”、“臨空面”和“填筑體”施工質(zhì)量及技術(shù)的所有因素看成一個功能系統(tǒng),在系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上,對關(guān)鍵參數(shù)進行控制,以實現(xiàn)系統(tǒng)功能最大化的管理方法。該施工控制法重點突出的是“三先”、“三化”和三項重點?！叭取?優(yōu)先進行植物土的挖除;優(yōu)先進行原地面的強夯和沖擊碾壓補強的施工;優(yōu)先進行石方打眼爆破施工?！叭?管理科學化;施工作業(yè)機械化;工序平行流水化?！叭椫攸c”:重點做好土石方挖運、回填;重點做好原地基處理和沖擊碾壓補強。

2.1 “基底面”處理控制方法

(1)填前地基處理。首先對地基進行挖探和清除,如果地表下面土質(zhì)良好,狀況穩(wěn)定,則清除地表植被、樹根、垃圾和不良土質(zhì)后即可進行填前壓實。對挖方、填方區(qū)的草皮、樹根、植物土等必須全部清除干凈。對道槽區(qū)和邊坡穩(wěn)定影響區(qū)下的軟弱土及粉土予以挖除至少至礫砂層。

(2)填前排水處理。由于填方區(qū)多位于地勢低凹處,水系發(fā)育且水量富集,如不采取措施或未徹底根治,將成為今后工程安全的隱患。臨時排水設(shè)施應和永久性排水設(shè)施結(jié)合施工。對地表水主要采取截的辦法,可沿地基縱向在填筑區(qū)外開溝截水,要將地表水引入附近涵洞或其他臨時橫向排水通道。

2.2 “搭接面”處理控制方法

圖1 搭界面處理示意

填方體與邊坡的搭接是直接影響填方穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。對于山高坡陡的高填方地段,填方施工難度高,填方穩(wěn)定性差。為保障填方體與接觸體的緊密連接,在原地面橫坡在1∶10～ 1∶ 5時,填土前應先將表層土翻松 5～10cm以上;原地面坡度陡于 1∶5時,應將原地面開挖搭接臺階,以便逐層相互搭接進行壓實。臺階寬度不小于 2.5m,臺階高寬比 1∶2,臺階開挖成向內(nèi) 2.0%的橫坡(圖 1)。

搭接臺階應該隨填隨挖,在進行完一層填方的填筑碾壓后,經(jīng)檢測合格后,再進行下一層施工后。需開挖臺階的填方地段,必須將填方預留 2%的橫坡,以防止雨水聚積在填方與原地面的搭接處,每層填方應有一定的坡度,使雨水能自排,防止積水。對于兩個填方作業(yè)段的接茬部位,應同時填筑,分層交錯搭接,搭接的長度不小于 3m;如不能同時填筑部分,先填者應按 1∶5坡度分層留出臺階。填方區(qū)的邊坡,應隨每層填土逐步形成,不得欠填,填土的含水量應控制在最佳含水量±2%的范圍內(nèi)。

填筑體與場區(qū)較陡的自然邊坡搭接處,若邊坡上存在塊石架空結(jié)構(gòu),應將塊石清除,然后再按照要求開挖臺階。填筑體回填碾壓厚度達到 5.0m時,應對臺階搭接處增加兩排強夯、點夯處理方式進行加固處理,處理參數(shù)詳見下表1。

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對于“搭接面”挖方區(qū)接坡應按照以下方式進行處理:(1)如挖方區(qū)為土質(zhì)邊坡區(qū),則采用漿砌塊石框格防護處理;(2)如挖方邊坡為石質(zhì)邊坡,邊坡巖石風化,且有斷裂帶,破碎帶及軟弱夾層等現(xiàn)象,則需采用水泥砂漿嵌填穩(wěn)定填實處理,然后采用漿砌塊石框格防護處理;(3)如挖方邊坡為石質(zhì)邊坡,要求開挖后邊坡應順直,基本平整,不得有松石、危石,突出設(shè)計邊坡的石塊,其突出尺寸不應大于 20cm;(4)坡底石砌護腳、防坡平臺以及漿砌塊石框格每隔 5～10m需設(shè)一道沉降縫,且在轉(zhuǎn)折點處應設(shè)伸縮縫。

2.3 “臨空面”處理控制方法

“臨空面”的處理應具有較好的抗?jié)B性、耐久性、高溫抗流淌、低溫抗裂及適應基礎(chǔ)變形的能力。

2.3.1 “臨空面”(邊坡)的穩(wěn)定性計算

(1)坡堤的坡身穩(wěn)定性、地基的整體穩(wěn)定性宜采用簡化Bishop法進行分析計算;(2)坡堤沿斜坡地基或軟弱層帶滑動的穩(wěn)定性可采用不平衡推力法進行分析計算。

2.3.2 “臨空面”(邊坡)控制處理

(1)基底的夯實。一般要求其密實度不得小于 0.95;(2)邊坡面層處理。對于不同高度和坡度條件下的邊坡,使用鋼筋混凝土或者瀝青混凝土面層進行固坡的厚度是不同的。其原材料性能、控制指標及混合料的配合比等均是決定面層強度、變形、低溫開裂等性能的關(guān)鍵。

2.4 “填筑體”的控制處理

填筑體作為一個“結(jié)構(gòu)體”,與原地基共同作用,其自身的壓縮變形導致“填體頂面”的位移和沉降,并影響原地基的沉降變形。在邊坡穩(wěn)定影響區(qū),填筑體的強度則直接影響高邊坡的穩(wěn)定性。因此,填筑體的控制是高填方工程控制的核心。

高填方工程的填筑土體由三部分組成,即固體顆粒、水和氣體,土體受外力作用而引起的壓縮變形包括三部分:(1)固體顆粒的壓縮變形;(2)土體內(nèi)孔隙水的壓縮變形;(3)水和空氣從孔隙中排出而使孔隙體積的減小。上述三部分變形,土粒和水的壓縮變形都很小,可以忽略不計。因此,土的壓縮變形可認為是孔隙體積減少而引起的,土的壓縮過程是土中孔隙體積減少,孔隙水和空氣排出的過程。根據(jù)上述原理,按分層總和法確定地基的最終沉降量。

2.4.1 選擇合適填料,制定相應的控制標準

填料性質(zhì)是影響壓實作業(yè)的內(nèi)在因素,填筑施工應首選利于壓實的良好填料,但是受現(xiàn)場實際條件的限制,如挖方材料、經(jīng)濟運距、填方條件等等,不可能都使用理想的填筑材料,施工時應根據(jù)實際情況,量材作業(yè)、區(qū)別對待,以達到壓實的目的。一個重要的原則是:嚴格進行填料試驗檢測,在施工前取得有關(guān)數(shù)據(jù),使用符合規(guī)范要求的填料,做好填方試驗段,掌握填料在現(xiàn)有設(shè)備和施工條件下的壓實規(guī)律。路基采用巖渣填筑,路堤、路床填料粒徑不得超過 15cm。填料每填筑 5000m3做一次標準試驗,以便及時了解填料的CBR值、液限、塑限、綜合毛體積密度等性質(zhì),調(diào)整壓實方法,準確檢測每層填料的固體體積率,保證填筑質(zhì)量。

2.4.2 控制層厚及填料粒徑,分層壓實

不同性質(zhì)土應按水平分層分別填筑,以保證該層強度均勻,特別是透水的與不透水的土,不得非成層地混雜使用,以免在填方內(nèi)形成水囊。嚴格控制填料最大粒徑,確保壓實成效。為切實控制石料粒徑,建議在挖方處安裝粗破設(shè)備,保證填料粒徑。為保證在各種壓實功能機具條件下達到有效壓實深度,嚴格控制填料分層厚度。將填料中超粒徑塊石剔除或破碎后使用,并盡量將粗顆粒與細粒土搭配使用;填筑材料最大粒徑不得大于虛鋪厚度的 2/3,不均勻系數(shù) Cu>5。

2.4.3 進一步消除沉降的措施

地基經(jīng)過處理大部分沉降得以消除,在上覆填體壓力下還有部分沉降發(fā)生?！疤钪w”的沉降對于高填方地基的總沉降和工后沉降也有較大的影響。為此,我們不僅要在現(xiàn)有施工規(guī)范基礎(chǔ)上提高標準進行填筑,消除部分填體沉降,還應采取進一步消除沉降的措施。這些措施包括:道槽區(qū)強夯補強;工作面搭接強夯處理、堆載預壓;填體內(nèi)部排水措施;合理調(diào)整施工進度以及合理的沉降穩(wěn)定期。

2.4.4 含水率調(diào)整

最佳含水率調(diào)整:V=(W-W0)×[Q/(1+W0)]。V為所需加水量(kg),W為壓實最佳含水量,W0為填料含水量;Q為需要加水的填料的重量(kg)。需加的水,宜在前一天均勻澆灑在填料表面(或取土坑表面),使其滲入土中,灑水用水車噴灑適當并拌合均勻,防止加水不均,干濕不勻。

2.4.5 土石混填控制措施

首先進行基底清理,即消除樹根、草皮等雜物與腐植土,并壓實后才填筑土石;其次天然土石混合材料中,石塊的最大粒徑控制在松鋪厚度的 2/3以內(nèi),超過的予以清除或破碎。當所含石塊為軟質(zhì)巖或極軟巖時,石塊最大粒徑控制在層厚以內(nèi),超過的予以破碎;三是土石混填分層填筑,逐層壓實,最大填厚控制在 40cm以內(nèi);四是壓實后滲水性較大的土石混合填料,分層填筑,如需縱向分幅填筑,將壓實后滲水性良好的土石混合料填筑于外側(cè),以利排水;五是土石混合填料的石料含量超過 70%時,先鋪大塊石料,大面向下,放置平穩(wěn),再鋪小塊石料、石渣或石屑嵌縫找平,然后碾壓;石料含量小于 70%時,土石混合鋪筑,并避免石質(zhì)較硬、粒徑較大的石塊集中;六是道床以下 50cm范圍內(nèi)填筑碎石土,并分層壓實。填料最大粒徑控制在 10cm以內(nèi)。