風積沙干法施工在高速公路路基填筑施工中的應用

劉國棟

（中鐵三局集團有限公司，山西 晉中 030609）

1 工程概況

該項目是《國家公路網規劃》（2013—2030年）規劃的國家高速公路放射線北京至西藏高速公路（G6）聯絡線西寧至和田高速公路的重要組成部分，同時，也是新疆交通運輸“十三五”發展規劃“6橫、6縱、7樞紐、8通道”中“6 橫”（“6橫”，是指沿絲綢之路經濟帶和中巴經濟走廊帶布局，東聯內地、西出中亞西亞的6條橫向大通道）的重要組成部分。

該項目路線呈東—西走向，起點位于若羌縣北側，G218線檢查站南側1.5 km，與G315線依吞布拉克（新青界）至若羌公路項目終點相接，路線沿昆侖山與塔克拉瑪干沙漠之間的綠洲帶由東向西；終點位于民豐縣魚湖東側約7 km處，與G315線民豐至洛浦公路項目起點相接，路線全長526.209 km。項目地理位置如圖1所示。

我公司承建RMSJ-3合同段，起點為K1773＋000，終點為K1895＋000，路線全長122.164 km，其中，K1852＋000～K1895＋000段43 km范圍內的是路基工程、橋梁涵洞工程、路面底基層及基層交叉工程。

該段路基采用風積沙填筑，采用傳統的濕壓法施工工藝，需水量極大，并且需要提前燜料，費時、費工；再加上冬季氣溫過低，無法滿足正常用水需求。鑒于此，開發了沙漠高速公路風積沙干壓法填筑施工技術，在施工中優化機械配置、碾壓工藝等，采用推土機推挖、靜壓，壓路機震動碾壓，大大節省了取料時間。與傳統濕壓法相比，這種方法可節約用水1.24×106m3，環保節能效益顯著。該方法具有施工速度快、操作簡單、施工安全等優點，總結形成后為類似工程提供參考。

圖1 項目地理位置圖

2 施工工藝特點

該技術針對傳統施工工藝濕壓法填筑施工需要大量的水資源、施工成本高的問題，采用干壓法填筑施工技術，解決了沙漠地區工程用水短缺的問題，節約了水資源，降低了筑路成本。

利用風積沙干法施工填筑路基減少了運距，同時，可阻斷毛細水上升，提高路基穩定性，解決了沙漠地區路基填料短缺的問題，降低了工程造價，又縮短了施工工期。

該技術填筑厚度較大，最大填筑厚度可達50 cm，施工工藝簡單，且施工不受冬季溫度過低的影響，極大地縮短了路基填筑施工周期。

該技術機械要求配置低，工效指標高，與傳統碾壓方式相比，碾壓遍數少，大大減少了施工機械油耗。

3 適用范圍

該施工工藝適用于風積沙路基填筑施工，尤其適用于沙漠缺水地區的風積沙填筑。

4 工藝原理

風積沙作為填料，不僅具有顆粒較細、級配不良、無黏結性、天然含水量小、保水性差的特性，還具有水穩性能好、沉降均勻、整體強度高、回彈模量波動小、能很好地保證路基整體穩定性的優點。因此，風積沙路基施工有其特殊性，工藝和質量控制與素土填方有很大的不同。風積沙標準擊實結果如表1所示，標準重型擊實曲線如圖2所示。

土壓實是通過碾壓、沖擊等外力手段來克服土顆粒間的內聚力（黏結力）和摩擦力，將空氣和水分擠出，使土顆粒相互靠攏，從而提高土的密實度。由圖2可知，隨著含水量的變化，風積沙擊實曲線形成了雙峰值。這是因為風積沙處于干燥狀態時非常松散，黏結力幾乎為零，此時需要克服的主要是內摩阻力。當擊錘或配重落在砂體上時，力以震動波的形式傳遞，砂體不但在垂直方向上受力，而且水平方向上也受派生出來的力的作用而產生跳躍式位移。所有位移的方向總是朝著空隙方向發展，顆粒在沖擊荷載作用下易于相對移動、嵌擠、填充。因此，風積沙在干燥狀態下可以得到較大的干密度。

表1 風積沙標準擊實結果

圖2 標準重型擊實曲線

當風積沙中含水量增加時，水破壞了天然狀態下干燥顆粒表面吸附膜的潤滑作用，產生了水對石英類礦物的非潤滑效應，因而其內摩阻力增大，同時，石英類礦物具有憎水性，黏結水與沙粒之間相互產生推力也使內摩阻力增大。此外，黏結水不同于自由水，它具有一定的黏滯性、彈性和抗剪性，當含水量較少時，水膜很薄，因而其連續作用很強，可增大內聚力。這些因素導致風積沙不易壓實。因此，風積沙從干燥狀態到含水量較小(2%)時，干密度急劇下降。

隨著含水量的增大，結合水膜逐漸變厚，水的黏滯性隨著土顆粒之間距離的增加而減小，水在顆粒間的潤滑作用逐漸增加，使得土的內摩阻力逐漸減少。在毛細水作用下，干密度值隨含水量增加而緩慢增長，但有時出現波動。隨著含水量的進一步提高，水膜黏結力持續下降，毛細水作用進一步增強。但是，當重力水出現時，風積沙顆粒間的空氣消失，毛細水作用急劇減少，顆粒間的黏結力迅速下降，干密度很快提高。

當最佳含水量時，風積沙干密度達到最大值。峰值過后，含水量繼續加大，沙的內摩阻力和黏結力還在減小，但單位體積內空氣的體積已減至最小限度，而水的體積卻在不斷增加。由于水是不可壓縮的，因此，在同樣擊實功作用下，沙的干密度值反而減小。

由于風積沙天然含水量極小，再加上沙漠中氣溫干燥，經過攤鋪、推平，碾壓時風積沙的含水量已趨近于零，所以，采用干壓法施工風積沙路基是完全可行的。

5 工藝流程及操作要點

5.1 施工工藝流程圖

相關施工工藝流程如圖3所示。

圖3 施工工藝流程

5.2 操作要點

5.2.1 施工準備

5.2.1.1 內業技術準備

施工開始前，由技術負責人、質檢工程師、專職安全員對全體施工人員進行技術交底，交底內容包括施工技術規范、質量檢收標準、安全環保等，交底要詳細、具體，讓每個施工員都了解施工規范標準，同時，還要建立崗位責任制度。

5.2.1.2 人員、材料、機械準備

現場施工人員已按要求配備齊全，責任分工明確，滿足施工管理要求；風積沙填料確定由K1874＋000右側1 km取土場挖取；施工用各種機械已經到場，各項性能經調試性能良好，能夠滿足施工要求。

5.2.1.3 施工現場準備

施工現場和通往取土場的施工便道已貫通，可以滿足施工需要。施工便道設專人維修養護，設置路標和防護措施，另外派專人負責指揮，保證車輛和施工機械正常行駛。同時，要采取隨時灑水等抑塵措施，以減少施工作業產生的灰塵。

5.2.1.4 測量準備

測量準備包括以下幾點：①路基開工前做好施工測量工作，包括導線、中線點水準點復測，橫斷面檢查與補測，增設水準點等。②中線復測。路基開工前全面恢復了中線并固定了路線主要控制樁，同時，對坐標點加以保護。對于路基內的坐標點，在開工前重新測設，以便控制路線中線。③校對及增設水準點。使用水準點前仔細校核，確認實測結果未超出允許誤差（閉合差為±20√Lmm ，L為水準路線長度，以km計），可以施工。增設的水準點設在便于觀測的專門埋設的牢固混凝土樁上，間距不超過150 m。④路基施工前，根據恢復的路線中樁、設計圖表和有關規定定出路基用地界樁、坡腳等的具體位置樁。

5.2.2 測量放樣

在路基填筑施工前進行中樁及邊坡放樣，以控制路基填筑的寬度。機械施工時，在中樁邊樁處設立了明顯的填挖標志，在不大于200 m的段落內距中心樁一定距離處埋設控制標高的控制樁進行施工控制，如果發現控制樁丟失或碰倒應及時補上。在取沙位置定點設立明顯標志，注明允許的挖掘深度、寬度和所供應的路基范圍樁號。

5.2.3 基底處理

開挖至設計標高后，及時對基底進行浸水，待含水率符合要求后，開始對風積沙路基填筑前基底進行碾壓處理。基底碾壓采用自重26 t的寶馬格全液壓壓路機。經現場測量和試驗監理旁站，試驗人員檢測基底壓實度不小于90%之后方能進行下步施工工序。

5.2.4 分層填筑

分層填筑時要注意以下幾點：①所用填料必須先在現場和試驗監理的見證下取樣送試驗室進行相關試驗，出具土工報告，確認符合要求后方能使用。②路基填筑時，按照全斷面全寬推筑，并采用水平方式填筑，每層虛鋪厚度控制在50 cm左右。③為了保證路基邊緣的壓實質量，路基填筑時兩側均應超填50 cm。④填筑時，采用撒方格網的方法控制虛鋪厚度。路基面上按照現場運料車的容量、50 cm的虛鋪厚度，用石灰灑出相應面積大小的方框，一個方框內傾倒一車填料，以此保證虛鋪厚度。

5.2.5 整平

整平時要注意以下3點：①風積沙采用推土機粗平和平地機精平進行整平。②整平前，采用定樁掛線的方法控制平整度。路基每隔一定距離放出填筑邊線和中線，打下木樁，保證其牢固可靠。同時，在木樁上虛鋪高度位置掛上線繩，平地機以線繩為標準平整，以此保證局部凹凸不大于1.5 cm。③邊樁及中樁掛線高度應考慮路基設計1.5%的路拱橫坡要求，保證路拱橫坡一次成型，避免后期重復施工。

5.2.6 碾壓

考慮到風積沙比表面大，無黏性，松散性強，普通膠輪壓路機作業時容易陷車，因此，采用大型卡特D8N推土機先進行初壓，然后再采用26 t寶馬格全液壓壓路機復壓。

每層填料攤鋪平整后，用卡特D8N推土機初壓，自重26 t寶馬格全液壓壓路機復壓，使其達到規定壓實度，且表面需平整，各項指標符合設計要求，局部表面不平整處補平并碾壓。根據設計要求，路床頂面以下0～80 cm深度風積沙壓實度不應小于96%，80～150 cm深度風積沙壓實度不應小于94%.碾壓時，采用“先推土機初壓、后壓路機弱振、再靜壓”的方式。94區碾壓遍數及順序為，用推土機和壓路機共碾壓5遍，先用推土機碾壓2遍，再用壓路機弱振2遍，最后用壓路機靜壓1遍。96區碾壓遍數及順序為，用推土機和壓路機共碾壓6遍，先用推土機碾壓2遍，再用壓路機弱振3遍，最后用壓路機靜壓1遍。推土機和壓路機碾壓時均將速度控制在2.0～4.0 km/h的范圍內，盡量保持勻速行駛，避免突然加減速。碾壓輪跡均從路基邊緣向中心移動，推土機輪跡重疊1/2履帶寬度，壓路機輪跡重疊1/3碾壓輪寬度。由風積沙干壓法相關工藝性試驗可知，由于風積沙具有比表面積大、顆粒較細、級配不良、無黏結性、天然含水量小、保水性差的特性，在碾壓過程中出現過壓的情況后，原本密實的土體會變得更加松散，相應的壓實度也減小。因此，在碾壓過程中，碾壓遍數應嚴格按照相關工藝性試驗得出的數字進行。

5.2.7 標高控制

在風積沙路基施工中，因風積沙顆粒細小，地表土質松散無黏結力等原因，路基高程相對于一般路基高程較難控制，所以，應采取以下措施：①加密控制點數量，要比一般路基增加1/3，重要高程控制點盡可能采用混凝土樁或直徑不小于10 cm的鋼管樁，樁的埋置深度不小于100 cm，露出地表30 cm。樁基座要澆筑水泥砂漿或混凝土，并在周圍設置醒目標志以便查找。②高程測量采用全站儀并配合水準儀，由全站儀測量路線控制點，用水準儀測量路基的其他部位。③為了減小在凹凸不平路基上的測量誤差，可制作直徑為50 cm、厚度1～2 cm的木制或鋁制圓盤，將圓盤中心放在待測點上，再將塔尺放在圓盤中心進行測量并計算高程，以便將測點的高程轉變為50 cm范圍內面的高程，從而提高施工測量精度。

5.2.8 質量檢測

風積沙路基無法進行彎沉測量，頂面強度可通過天然砂礫底基層的彎沉確定。在此要求必須保證天然砂礫底基層的彎沉值滿足設計要求。代表彎沉值應不大于允許的彎沉值，對于舍棄的彎沉值過大的點，應找出周圍界限，并進行局部處理。對壓實度數據進行統計分析，其下置信界限應不小于標準值。路基壓實度是衡量施工質量的重要指標。風積沙路基土質松散，黏結力嚴重不足，檢測時，由于土樣發生擾動，在含水量小于3%的情況下，無法用規范規定的環刀法和灌沙法獲取壓實度值。為了快速、有效地在施工現場測定壓實度，一般情況下，風積沙路基壓實度檢測采用浸水環刀法。

5.3 勞動力組織

本施工工藝所需現場管理人員如表2所示。本施工工藝所使用的現場勞動力如表3所示。

表2 現場管理人員

表3 勞動力組織

6 材料與設備

施工時用到的主要施工機具如表4所示。

表4 施工機具配置

7 質量控制

7.1 質量控制要點

風積沙干壓法填筑施工工程質量控制要點主要有以下幾點：①風積沙的顆粒級配；②風積沙天然狀態下含水率；③壓實度（通過試驗段確定適宜的施工參數）；④過程控制中的虛鋪厚度；⑤路拱橫向坡度；⑥路基面的平整度。

7.2 質量控制方法

路基填筑必須經過試驗。路基施工會破壞土體的天然狀態，致使結構松散，顆粒重新組合。為了使路基填筑有足夠的強度和穩定性，必須予以機械壓實，以提高其密實程度。影響路基壓實效果的因素有內因和外因2個方面，內因指土質和濕度，外因指壓實功能（比如機械性能、壓實時間與速度、土層厚度）以及壓實時的外界自然因素和人為因素。風積沙細顆粒含量會影響壓實效果，因此，在施工過程中要選好料源。路基填筑時，為了保證機械施工，第一層可稍大于50 cm，后續每層填筑松鋪厚度以不超過30～50 cm分層鋪筑壓實。在施工過程中，采用推土機和壓路機具施工，每層壓實厚度不超過50 cm。在碾壓過程中，采用先兩側后中間，先靜壓后弱振、再靜壓的操作程序進行碾壓。94區碾壓順序為，推土機碾壓2遍，弱振2遍，再靜壓1遍；96區碾壓順序為，推土機碾壓2遍，弱振3遍，再靜壓1遍。碾壓行駛速度應不超過4 km/h。

7.3 質量檢驗

風積沙路基填筑完成后，應及時進行相關質量檢驗，檢驗數量和檢驗方法應符合表5的規定。

表5 路基實測項目

8 安全措施

在施工過程中，要采取相應的安全保障措施，具體有以下幾點：①施工區在施工前應設警示標志，嚴禁非操作人員出入；②施工中，應定期檢查、養護、維修機械設備；③路基施工前，應對施工鄰近區已有建筑物，比如地下電纜和管線等進行調查，嚴防情況不明、盲目施工導致地下電纜和管線等被破壞的情況發生；④為了保證施工安全，現場應有專人統一指揮，并設安全員負責現場的安全工作，堅持班前進行安全教育；⑤現場設專人指揮、調度，確定合適的機械車輛走行路線，并設立明顯標志，防止相互干擾碰撞，機械作業要留有安全距離；⑥制訂作業程序和運行路線，確保協調施工，安全生產；⑦因本項目地處新疆沙漠邊緣地帶，大風和沙塵天氣比較多，所以，在施工過程中，應做好相關預防措施，風力大于6級時現場應停止施工。

9 環保措施

9.1 施工噪聲、振動的控制

施工噪聲、振動的控制包括以下幾點：①設備選型優先考慮低噪聲產品，設備底座設置防振基礎，同時，采取相關措施或改進施工方法，使施工噪聲、振動達到施工場界環境標準。②選擇低噪聲設備，在選型時嚴格比較噪聲大小。③合理布置各種施工作業區和生活作業區，利用距離、隔墻使噪聲大幅度自然衰減。④出入現場的機械、車輛做到不鳴笛，不急剎車，同時，還要加強對設備的維修，定時保養潤滑。對與施工無關的人員和車輛加以控制，避免或減小噪聲。

9.2 粉塵控制

在施工過程中，對于施工現場的地面，要定期壓實或灑水，減少灰塵對環境的污染。在有粉塵的作業環境中作業時，除灑水外，作業人員還必須配備勞保防護用品。在運輸易飛揚的散料時，裝料要適中，并用篷布覆蓋。儲料場松散易飛揚的材料要用彩條布遮蓋，避免運輸、裝卸和刮風時揚塵。

9.3 植被保護

本項目地處荒漠戈壁地帶，生態環境極其脆弱，因此，在施工過程中，應注意植被保護，盡量避免對植被的破壞。臨時用地使用完后，必須恢復至原有的地形地貌或原有情況有所改善的狀態。

9.4 廢水、廢渣處理

施工廢水要按照有關要求處理達標后排放，以免污染周圍水環境。在施工時，要對天然形成的排水系統加以保護，不得隨意改變，必要時修建臨時水渠、水溝、水管等。另外，廢渣、建筑垃圾等要集中棄往設計指定的棄碴場。

10 結束語

綜上所述，風積沙路基采用干壓法施工，可以節約施工用水，減少對地下水源的破壞，節省施工周期，延長有效施工時間，在天然含水率下既達到了最佳壓實度，又保證了施工質量。根據土工擊實試驗測得的取土場風積沙最佳含水率為16%～18.5%，如果采用濕壓法計算的消耗用水約1.24×106m3，根據成本計算沙漠地段每方水4元（含運費），可節省496萬元，節省人工費及機械燃油費45.5萬元。節約用水和油耗明顯，經濟效益顯著。無論從節約用水，保護地下水源，還是從投資收益的角度而言，該施工方法具有較大的推廣和應用價值。

參考文獻：

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