如何提高土石方沖碾效率分析

尹春橋

［上海公路橋梁（集團）有限公司，上海200040］

1 工程概況

成都天府國際機場規劃6 條跑道，飛行區等級指標為4F，總占地面積達到4830 萬m2，土石方量巨大。其中，成都天府國際機場地基處理及土石方工程07 標段土石方量超500 萬m3，設計主要壓實方式為沖擊碾壓。在工程初期，為了解該工程沖擊碾壓效率水平，從該工程填方區隨機抽取100 層填筑層，調查各層碾壓遍數并繪制出碾壓遍數分布圖如圖1 所示。從圖中可知碾壓遍數超過22 遍的情況高達65%，只有不到35%是在20～22 遍，計算平均碾壓遍數為（3×19+6×20+10×21+16×22+23×23+20×24+17×25+5×26）/100≈23 遍，可見提高20～22 遍的占比，降低平均碾壓遍數，即可提高碾壓效率水平。為此，項目部成立了專項課題小組，旨在保證質量和安全的前提下，盡可能提高土石方沖碾效率。

圖1 碾壓遍數分布圖

2 沖碾效率影響因素分析

2.1 目標范圍選取分析

07 標段施工場地如圖2 所示，南北長約2280m，東西寬約645m，總面積大約1470000m2。總填方約5500000m3，總挖方約6300000m3。紅色虛線框部分為此次課題選取地點，長210m，寬75m，原地面標高429.05m，設計標高441.05m，屬于土面區，分層填筑壓實，填料以強風化巖為主，壓實方式為沖擊碾壓，壓實層厚為60cm，設計壓實標準≥90%。目標范圍的沖碾作業條件苛刻，對碾壓效率約束性強，在全場具有代表性，故被選為課題地點，條件苛刻體現如下。

圖2 成都天府國際機場07 標段施工場地

2.1.1 目標范圍臨近道面區、挖方區、邊坡區，靠近大鐵基坑，周邊環境復雜

目標范圍夾于道面區、挖方區、邊坡區和大鐵基坑間，與道面區最小距離僅2m，與大鐵基坑最小距離僅5m，北側緊鄰挖方區，場地狹小，交通組織復雜，協調工作量大，施工風險大，見圖3。

圖3 目標范圍周邊環境分布圖

第一，與相鄰道面填方區的施工進度需注意協調一致，高差控制在一個碾壓層厚內，采用碾壓搭接，以減少填筑體間產生差異沉降。搭接長度75m，搭接寬度5m，共20 層搭接，搭接量=75×5×20=7500m2。

第二，與北側緊鄰的挖方區交界處，需采用強夯搭接補強處理，總填筑高度12m，沖碾層厚0.6m，每填筑3m 進行一次強夯搭接補強，搭接寬度不小于10m。

第三，在靠近基坑和邊坡區的一側須做好圍擋和交通導行措施，以減少不同工作面之間的相互干擾，保證沖碾作業安全順利地進行。

2.1.2 填筑高度大、層數多，轉彎半徑小

目標范圍填筑高度高達12m，填筑層數多達20層，填筑土方量超180000m3。大方量的土石方工程無論在組織上、質量上還是進度上都是一個挑戰。沖擊式壓路機在目標范圍進行沖碾作業時，局部地方轉彎半徑小，轉彎角度達90°，沖碾機速度提不起來，影響沖碾效率。

2.2 影響因素分析

為找到降低碾壓遍數的途徑，小組成員從人、機、料、法、環、測六個方面展開討論，著手研究影響碾壓效率的末端因素[1]，共9 個，沖擊碾壓效率影響因素見圖4。通過初期沖碾施工資料查閱、試驗檢測、現場調查等方式從末端因素中確認了要因。

圖4 沖擊碾壓效率影響因素

2.2.1 駕駛人員偏離軌跡——非要因

施工前對施工員、駕駛員進行了技術交底，明確沖碾軌跡，并用石灰粉在現場放樣，沖碾全程有施工員旁站，未出現沖碾機偏離軌跡影響沖碾效率的情況。

2.2.2 機械維護保養不到位——非要因

查看沖碾機保養記錄和施工日志，未出現因沖碾機故障導致沖碾中斷或拖延現象。

2.2.3 填料含水率過大——要因

填料含水率對填料所能達到的壓實度起到很大作用，在同樣的壓實能效下，填料壓實度隨含水率在一定范圍內增加而增大，當含水率超過最佳含水率后，填料壓實度隨含水率增加而減小。已完成的沖碾層中，有一層在沖碾過程中出現過彈簧土現象，經過翻挖摻撒石灰粉后進行重新沖碾，影響了沖碾效率。通過調查得知，該層填料填鋪時下起了小雨未能及時沖碾，第二天未做含水率檢測直接進行了沖碾，導致填料含水率過大，出現了彈簧土現象。

2.2.4 填料粒徑過大——要因

填料粒徑及級配對壓實度具有明顯影響，當大粒徑過多、級配不良時，大粒徑與大粒徑間空隙就會過多，不利于壓實，需要依靠增加碾壓遍數或提高沖擊能來達到預期壓實度[2]。調查發現，料源以開挖的強風化巖為主，部分粒徑超過40cm 的塊料未經解小直接進行了填鋪碾壓，平均碾壓遍數為23 遍。

2.2.5 機械行駛速度慢——要因

沖擊輪的動能越大，沖擊能就越大，物體的動能計算公式為Ek=mv2/2，可見同質量的沖擊輪速度越大，所具有的沖擊能就越大，在一定程度上沖碾效率就越高。通過查看沖碾施工記錄，發現65%的沖碾速度集中在8.4～9.5km/h，僅有不到35% 的沖碾速度超過10km/h，平均碾壓遍數為23 遍。

2.2.6 沖碾刮平不及時——非要因

在沖碾過程中，波浪輪跡會阻礙沖碾機行駛速度的提升。通過調查，均在每層沖碾第3 遍、8 遍、15 遍和最后一遍時使用平地機配合推土機及時刮平，不會因此影響沖碾效率。

2.2.7 松鋪厚度不均勻——非要因

為了保證松鋪厚度均勻，采用20m×20m 方格網布置高程控制桿，專人指揮自卸汽車倒料，推土機攤平，每層頂面均用平地機精平，實行層層驗收。當層驗收合格方能進行下層施工，保證各層高程及平整度均符合設計及規范要求，未出現松鋪厚度不均勻的情況。

2.2.8 臨近施工區域土方車輛多——非要因

沖碾施工過程中，采用邊界撒白灰、間隔插旗、設立警示標志牌、安排安全員巡邏的形式進行施工區域警戒，未經允許其他車輛和人員不得入內，不存在其他車輛和人員進入沖碾施工區打斷沖碾作業的情形。

2.2.9 試驗檢測及測量作業跟進不及時——非要因

配備了專業的試驗部和測量部，試驗員和測量員均為專職，整個沖碾作業全程跟進，試驗結果和測量結果均能及時報出，未出現因此影響沖碾效率的情形。

3 控制措施及實施

對于以上分析出來的具體要因，小組集體討論制定對策，通過表決確定責任人，全權負責相關工作的開展。具體控制措施及實施過程如下：

措施一：對料源含水率進行嚴格控制，使其保持在最佳含水率±2%內。

實施一：施工前先在料源取樣，采用重型擊實試驗測定出最大干密度及最佳含水率。由于料源含水率隨天氣變化而波動，施工過程中在每臺班取料前測定料源當天含水率，并與最佳含水率進行對比，根據對比結果采取不同措施，含水率滿足要求后方可取料填鋪。當含水率大于最佳含水率+2%時，采用挖掘機現場翻曬；當含水率小于最佳含水率-2%時，采用灑水車適當灑水。

措施二：對填料粒徑進行嚴格控制，使最大粒徑不超過層厚的2/3。

實施二：在裝料過程中派專人監督，發現粒徑若有超過40cm 的塊料時，立即安排挖機將其解小再裝車，挖機無法當場解小的則集中堆放在一處，統一用鎬頭機進行破碎解小。在填鋪作業面運輸車卸料及料堆推平過程中，派專人跟蹤檢查，及時挑揀出粒徑超過40cm 的塊料當場予以解小。

措施三：提高沖碾速度，使其保持在10～12km/h，并實施數字化監控。

實施三：優化沖碾路線，選擇利于提高沖碾速度的沖碾路線。目標區域有2 條沖碾路線，沖碾路線對比示意見圖5。后者較前者的優勢在于，沖碾路線由1—6—2—7—3—8—4—9—5—10 轉 為1—4—2—5—3—6，每條直道長度由75m 變為210m，減少了彎道長度，增加了直道長度，使沖碾速度的提升和保持有了更多空間。同時，在沖碾機上安裝了數字化設備[3]，包括高精度定位器、無線傳輸模塊、數據處理單元和駕駛室內顯示器，沖碾的相關數據傳輸到監控后臺，監控員發現沖碾速度不足時可及時通知駕駛員提速，駕駛員也可通過顯示器關注沖碾路線和速度等，發現偏差及時調整。

圖5 沖碾路線對比示意圖

4 實施效果

通過對目標范圍內的第4 層至第20 層沖碾遍數進行統計，如表1 所示，平均碾壓遍數計算如下：（23+24+22+21+22+22+21+20+22+21+21+22+21+21+20+19+18）/17≈21 遍，達到了小組活動目標。

表1 目標范圍第4 層至第20 層沖碾遍數統計表

工程中后期經濟效益計算：

在式（1）中：

式（1）中：

T——碾壓1 萬m2場地1 遍所需時間；

D——25kJ 沖擊式壓路機輪寬1.8m，每只輪寬0.9m；

V——碾壓作業時平均速度11km/h；

T=10000/（1.8×11×1000/3600）≈1818s。

整個標段中后期填方面積約600000m2，平均總填筑高度8m，填筑層厚0.6m，平均填筑層數14 層，總碾壓面積S=600000×14=8400000m2。沖擊式壓路機采用月租方式，月租價格為6 萬元/月，平均2000 元/天，工人工資300 元/天，平均碾壓遍數由23 遍降為21遍，節省費用8400000/10000×1818/3600/8×（23-21）×（2000+300）=243915 元。

5 結語

依托成都天府國際機場地基處理及土石方工程，選取典型施工區域，從人、機、料、法、環、測六個方面分析土石方沖碾效率的影響因素。確定要因后，制定了相應施工措施，包括嚴格控制填料含水率在最佳含水率±2%內，選取填料最大粒徑不超層厚2/3，并采用數字化施工技術控制沖碾速度在10～12km/h。有效降低了碾壓遍數，提高了沖碾效率，節約了成本，并為今后沖擊碾壓工程降本增效提供一定的參考。