水泥穩定煤矸石路面基層補充定額編制

景宏君, 康明珂*, 孫長鋒, 李少平, 葉萬軍, 張延青

(1.西安科技大學建筑與土木工程學院, 西安 710054; 2.西安科技大學道路工程研究中心, 西安 710054;3.榆林市公路局, 榆林 710009)

煤矸石是煤炭經過洗選后留下的黑灰色巖石,煤矸石含碳量低且伴有少量的有害物質,長期露天堆放會產生揚塵污染、污染周圍土壤和水體、危害礦區住戶的身體健康,甚至可能引起坍塌、泥石流等地質災害[1]。隨著中國公路行業的高速發展,將煤矸石用于道路工程建設中,不僅解決其堆積占地問題,還可以減少土石資源的開發,是非常好的煤矸石再利用途徑[2-3]。在煤矸石路面基層建設的起步階段,相關定額編制所需的依托工程和樣本數據比較匱乏,其工程造價大多是按照類似定額子目進行的,一些參建單位也提出了費用方面的總結,但該總結不全面,不能作為地方性乃至全國性造價標準使用,阻礙了煤矸石筑路材料的發展。因此為了能更規范化、專業化地向陜西省煤矸石路面基層項目提供計價依據,對該類項目較為成熟的施工工藝進行計價標準研究顯得尤為重要。

目前,國內眾多學者在定額編制及測定方面開展了相關研究,胡海棠[4]提出用格拉布斯準則處理公路施工定額的原始數據,但該方法的可靠性取決于樣本數量的多少,當樣本數量較少時,其檢測結果大打折扣;田濤[5]針對公路工程特點和需要,提出了補充定額編制流程及數據處理方法;史立梅等[6]根據現場實測數據編制了管幕凍結法隧道的補充定額;舒國明等[7]以工字鋼梁生產為例,提出了基于BIM技術的精細化定額體系;張傳軍等[8]解決了當前隧道工程中人工費短缺的問題;劉謙等[9]通過現場測定,得到施工過程中的人、材、機的消耗量,編制出了泥水平衡機械頂管施工的補充定額。與此同時,國內學者也將數學方法應用到定額原始數據處理當中,吳修宇[10]利用標準差比較法和改進型格拉布斯準則檢驗定額原始數據的系統誤差及粗大誤差,結果表明蒙特卡洛模擬法能夠充分地還原定額數據的分布特征;金龍[11]利用拉依達準則和灰色系統理論,建立了定額原始數據處理模型,為定額原始數據的真實性和準確性提供了保障,有效降低了采集原始數據的誤差;趙青[12]基于蒙特卡洛模擬法編制水電工程補充定額,結果表明蒙特卡洛模擬能夠較好地改善統計結果不準確的問題;劉中平等[13]構建了高速公路造價評估模型,提出了測算高速公路造價的新方法。國外學者在公路工程造價方面也做了較多研究,Matel等[14]基于機械學習和人工神經網絡方法,提出了一種用于工程服務的成本估算模型,但該模型存在許多局限性,需要大量數據來驗證其可行性;Love等[15]研究了交通項目的預算核定、標底估計、合同金額和決算之間的差異,但利用“規劃謬論”描述工程項目的預算定額時具有誤導性;Martina等[16]研究了公路項目運營階段中產生的社會成本;Elfahham[17]利用神經網絡、時間序列及回歸法來預測埃及工程造價指數;Coffie等[18]開發了一個成本預測模型,可以預測合同授予階段中的項目成本;Feng[19]基于狼群算法和優化支持向量機參數模型,開發了市政道路工程造價預測模型框架,并對模型進行仿真模擬,結果表明,預測模型系統具有較好的預測性能和較高的預測精度。

綜觀現有成果發現,國內外仍未發布關于水泥穩定煤矸石路面基層的相關定額,現以水泥穩定煤矸石路面基層的工程應用為例,運用科學合理的方法測定相關定額的樣本數據,利用拉依達準則和線性插值法對樣本數據進行整理分析,依據國家標準規范中人工和機械的幅度差,編制出水泥穩定煤矸石混合料的預算定額,研究成果可為陜西省水泥穩定煤矸石路面基層項目概預算提供計價依據,從而能夠更規范化、專業化地向建設主管部門上報預算文件。

1 水泥穩定煤矸石路面基層技術特點及施工工藝

1.1 水泥穩定煤矸石基層技術特點

路面基層是道路行車荷載的主要承重層,既要承擔面層傳遞下來的大部分行車荷載作用,還要承擔基底的彎拉應力作用。混合料基層的剛度應和瀝青面層的剛度相匹配,若剛度相差太大,也容易發生開裂破壞,在基層結合料的選擇和劑量的確定上,既要保證強度滿足規范要求,也要確保抗裂性能達到設計標準[20]。水泥穩定煤矸石是由水泥與不同級配的煤矸石加水拌和而形成的無機結合料,為防止基層出現開裂破壞,混合料應具備一定的剛度和強度,不同水泥摻量的混合料強度如圖1所示,可見該無機結合料的抗壓強度隨齡期的增長而增長,與其他半剛性基層的增長規律相近,此外該無機結合料具有較好的水穩定性和抗凍性,能滿足重交通下各等級公路的規范標準。

圖1 水泥穩定煤矸石強度增長規律

水泥穩定煤矸石基層具有以下優點。

(1)水泥穩定煤矸石混合料具有良好的工程特性,可增強路面的抗裂性能與防滲水性能,降低路面的開裂情況,延長道路的使用壽命。

(2)水泥穩定煤矸石混合料可滿足二級及二級以下公路路面基層及路基各項技術指標,能有效減少天然石料的開采,遵循綠色發展理念,對發展節約型城市建設具有指導意義。

(3)隨著水泥摻量的增加,煤矸石之間的孔隙逐漸減小,水泥穩定煤矸石混合料的結構變得更加密實,經過凍融試驗,能有效提高混合料的抗凍性,減少裂縫的產生。

(4)利用水泥穩定煤矸石基層技術,可解決煤矸石大量堆放問題,能有效減少周圍環境的污染,提升煤炭固廢的利用率,為實現“碳達峰”“碳中和”目標多作貢獻。

1.2 水泥穩定煤矸石路面基層施工工藝

1.2.1 煤矸石破碎及運輸

煤矸石的強度略低于碎石,則煤矸石破碎時不宜采用功率較大的破碎機,以免破碎后的粒徑不滿足設計要求,且煤矸石山的穩定性較低,在進行現場破碎時應有專業人員負責指揮與操作,防止出現矸石山坍塌而造成的人員傷亡或機械損壞等情況。

破碎后的煤矸石中含有粉塵,在運輸過程中易造成揚塵污染,可利用防塵布對其進行遮蓋處理。對于剛洗出來的煤矸石,應進行灑水或晾曬處理的方式降低煤矸石的溫度,不得采用溫度高于50 ℃的煤矸石。

1.2.2 拌和

在拌和時,為保證混合料的強度能滿足規范要求,建議使用廠拌法進行施工,采用生產能力為500 t/h連續式穩定粒料拌和設備進行集中廠拌,出料后,在投料帶上取樣檢查集料的配合比和級配,滿足設計要求后,在正式拌和集料時,每2 h檢查一次拌和情況,檢驗其配合比、集料級配、含水量的變化,同時煤矸石混合料拌合時產量不宜超過拌合設備最大產量的2/3。

1.2.3 混合料運輸

用20 t左右自卸汽車運輸混合料,所需數量由實際拌和量決定,裝料完成后,為防止水分流失,混合料強度變差,應盡快將煤矸石混合料運送到施工現場,運輸過程中應用防塵布對混合料進行覆蓋,有效減少揚塵污染和水分流失。

1.2.4 混合料攤鋪

水泥穩定煤矸石混合料松鋪系數建議值為1.4～1.5,若松鋪系數過大,攤鋪時應開啟熨平板,確保預期壓實度達到75%～80%。攤鋪時應根據混合料供料、運輸等情況,保持緩慢連續、不間斷的攤鋪,且至少保持有3臺以上的自卸汽車等候卸料,避免攤鋪中斷。

1.2.5 碾壓

結合混合料特性,建議使用“J3Z3S2法”進行基層碾壓工藝,即采用振動壓路機靜壓3遍、振壓3遍、終壓2遍,該方法不僅能將煤矸石充分破碎,還能提高煤矸石混合料的密實度。在碾壓工序中,煤矸石混合料經過破碎、壓實、再破碎、再壓實的漸進壓實過程,可以逐步改良煤矸石混合料的級配情況。

1.2.6 整修

針對施工中出現的縱向、橫向裂縫問題,對于已經達到密實狀態且平整度符合要求的裂縫,可采用壓路機或平地機重疊10 cm,重新進行碾壓;出現裂縫,檢驗其是否符合壓實度和平整度要求,若不符合,人工鏟除舊混合料后,重新攤鋪新的混合料。

1.2.7 養護

水泥穩定煤矸石基層應進行灑水養生,養生期為7 d,使基層表面保持濕潤,注意灑水次數不宜過多,控制在每天6～10遍即可。養護期間道路不得開放交通,若不能完全封閉路段,可限制重車通行,防止基層破壞強度。

2 水泥穩定煤矸石路面基層補充定額測定

2.1 依托工程概況

通過調查陜北地區具有代表性的公路,選取神木市景觀路段為水泥穩定煤矸石路面基層定額編制的依托工程。該工程設計標準為四級公路,設計年限10年,路段全長185 m,水泥穩定煤矸石基層寬6.5 m,已知水泥穩定煤矸石基層鋪筑面積為1 288.34 m2,路面端部結構圖如圖2所示。

圖2 路面端部結構圖

2.2 前期準備

補充定額編制是一項包含國家政策與經濟的技術性工作[21],主要遵從相關政策規定、技術規范、市場管理部門發布的市場價等,將理論與實際相結合,既要滿足臨時計價的需求,也要確保長期造價水平的穩定性。

為規范陜西省公路行業補充定額的編制程序,要明確定額編制原則、方法等內容,熟悉相關設計文件,理清編制程序,根據陜西省部頒的相關規范文件確定補充定額的子目類型,現場調研具體工程的施工工藝、工作內容及施工組織情況,初步推算人工、機械、材料的需求量,分析實測過程中的漏洞及風險因素,最后對形成的定額成果進行測算分析,確保定額編制質量達到規范要求。由于新的定額缺少歷史數據和統計資料,補充定額的編制重點在于現場數據的收集,對新技術、新工藝等項目應熟練掌握,準確、全面地記錄項目的工程概況、施工工藝及工料機消耗量等,并對現場采集到的原始數據進行誤差識別與修正。

2.3 樣本數據采集與整理

2.3.1 采集流程

根據水泥穩定煤矸石基層施工現場的實際情況,統一采集方式和方法,全面記錄各個施工工序的施工過程及工、料、機的消耗量,也可通過調研、訪談、調查問卷等方式多渠道采集定額編制所需的樣本數據和相關工程資料。具體工作流程如圖3所示。

圖3 數據采集整理流程圖

采集現場原始數據是定額編制程序中不可或缺的環節,但采用傳統定額測定方法收集到的原始數據具有一定的局限性,且采集過程中容易受觀測者影響,導致樣本數據失真,因此要采用更先進合理的數值模擬方法整理分析樣本數據,才能使補充定額子目滿足實際工程的要求。

2.3.2 異常值識別與修正

1)拉依達準則

(1)

2)線性插值法

線性插值法[22]是利用兩點之間的直線來近似表示函數,再根據直線函數求解兩點之間的未知量,是一種較為簡便的插值法。當利用拉依達準則剔除實測數據中的異常值,就需要補充新的估算值以確保實測數據的完整性,因此利用線性插值法對樣本數據中的異常值進行補充修正。

設已知兩點的坐標分別為(x1,y1)、(x2,y2),未知點坐標為(x,y),則得到直線方程為

(2)

2.3.3 數據處理

利用拉依達準則識別粗大誤差前,先繪制樣本數據的頻數直方圖,查看樣本數據的概率分布是否近似服從正態分布。將機械攤鋪消耗量和機械碾壓消耗量實測數據分別進行頻數分布統計,繪制頻數直方圖,擬合正態分布曲線,其結果分別如圖4、圖5所示。

圖4 機械攤鋪消耗量頻數分布直方圖

圖5 機械碾壓消耗量頻數分布直方圖

圖6 機械攤鋪消耗量波動曲線圖

圖7 機械碾壓消耗量波動曲線圖

圖8 插值后機械攤鋪消耗量波動曲線圖

圖9 插值后機械碾壓消耗量波動曲線圖

3 水泥穩定煤矸石路面基層補充定額編制

3.1 定額編制

為與國家標準規范《公路工程預算定額》(JTG/T 3832—2018)[23]2007版及2018版的結構形式保持一致,對擬編制定額的項目名稱、工程內容、工程量、計量單位及附注等內容分別進行補充說明。

(1)項目名稱。項目名稱一般指某一具體工程項目所規定的正式名稱,要求簡潔明了、通俗易懂。在編制補充定額時,應結合施工組織設計中的施工工藝、材料、機械等要素,確定擬編制定額的項目名稱。擬定補充定額的項目名稱為“廠拌基層水泥穩定煤矸石混合料”和“水泥穩定煤矸石路面基層”。

(2)工程內容。工程內容可反映出項目概況的指標內容,對于道路工程來說,工程內容主要包含定額子目的施工工序和施工內容。針對“廠拌基層水泥穩定煤矸石混合料”,工程內容可簡寫為:“①裝載機鏟運料、上料;②拌和設備拌和、出料”。“水泥穩定煤矸石路面基層”的工程內容可簡寫為:“①清理下承層;②鋪料、灑水、拌和;③整形、碾壓、找補”。

(3)計量單位。參照規范及類似定額項目的計量單位特點,最終確定兩項補充定額的計量單位均為1 000 m2。

(4)工程量。通過工作日寫實法和測時法初步擬定了定額的消耗量,即完成1 000 m2所需人工工日、機械臺班及材料消耗量。結合《公路工程機械臺班費用定額》(JTG/T 3833—2018)[24]及其釋義手冊調整消耗量,計算匯總定額基價。

(5)附注。附注是針對定額子目的適用范圍、施工項目、組價內容進行補充說明,特殊工作環境下,應對定額調整進行說明。通過對施工工藝及工程內容的進一步研究,擬定“水泥穩定煤矸石基層”的附注內容為:①本定額材料用量按照水泥:煤矸石=5∶95配合比進行計算,可自行調整比例;②本定額未包含煤矸石破碎處理費用,需要時按照相關定額進行計算。

3.2 編制成果

預算定額是施工圖設計階段時采用的定額,其定額水平相較于施工定額來說偏低,工程量要比施工定額大。另外,在測定施工定額時,常常會因為一些不可抗力因素或觀測員自身因素導致數據失真,影響到定額的編制與質量。為了更好地完成預算定額的編制,根據修正后的樣本數據及《公路工程預算定額》(JTG/T 3832—2018)中人工、機械幅度差(見表1),求得“廠拌基層水泥穩定煤矸石混合料”和“水泥穩定煤矸石路面基層”的補充預算定額分別如表2、表3所示。由于人工、材料的市場價有所變動,表2、表3中的人工、材料價格均以陜西省造價信息網2022年5月信息價為準。

表1 人工、機械幅度差系數

表2 (補)廠拌基層水泥穩定煤矸石混合料

表3 (補)水泥穩定煤矸石路面基層

4 測算水平分析

為了更直觀地了解補充定額與已有類似定額的差別,可將已編定額與工藝相近或相似定額子目進行對比分析。目前,中國公路工程預算定額的規范資料較為完整,現有規范中有一部分定額的工作內容與“廠拌基層水泥穩定煤矸石混合料”補充定額相似,因此,選擇規范中“廠拌基層水泥碎石混合料”和“廠拌基層石灰粉煤灰煤矸石混合料”兩個定額子目的人工、機械消耗量以及對應子目的工程直接費進行對比分析,對比情況如圖10、圖11所示。

圖10 人工、機械消耗量對比分析圖

圖11 工程直接費對比分析圖

圖10對比結果表明,人工消耗量定額對比結果的平均值為15%,裝載機消耗量定額對比結果的平均值為15.34%,廠拌設備消耗量定額對比結果的平均值為16.63%,說明測定的人工及機械工程量定額與《公路工程預算定額》中類似項目的工程量相比差別不大,基本達到平均先進水平。圖11對比結果表明,廠拌基層水泥穩定煤矸石混合料比水泥碎石成本降低了44.79%,比石灰粉煤灰煤矸石成本降低了15.63%。綜合來看,編制的補充定額處于合理水平,可作為水泥穩定煤矸石路面基層施工的計價依據,為今后陜西省乃至全國范圍內煤矸石路面基層項目的概預算定額編制提供參考。

5 結論

(1)總結了水泥穩定煤矸石路面基層技術特點和優點,提出了水泥穩定煤矸石路面基層施工工藝及“J3Z3S2”的碾壓工藝。

(2)運用拉依達準則識別樣本數據中的異常值,利用線性插值法對剔除異常值后的樣本數據進行補充修正,修正后的樣本數據標準差值變動較大,減小了樣本數據的波動性。

(3)編制了“廠拌基層水泥穩定煤矸石混合料”和“水泥穩定煤矸石路面基層”補充預算定額,為指導煤矸石筑路材料的造價管理、成本預測及承發包或招投標工作提供參考。

(4)在此背景下,各省定額站及施工單位應充分積累現場工程數據,逐步完善、更新公路工程造價信息庫,有益于新工藝、新技術的推廣應用。