高填方工程施工中的系统控制方法

施发弘

(中国航空港建设第九工程总队,四川 新津 610000)

1 高填方工程影响因素系统分析方法

随着国内经济的发展,高山机场、山区道路、填海工程等项目建设应运而生,如九寨黄龙机场、康定机场、雅西高速等项目的相继建设。这些位于高山峻岭的项目,工程地质、水文地质非常复杂,在施工中可能面临高挖深填几十米甚至上百米的高填方。

高填方工程影响因素系统分析方法就是应用系统理论的思想和方法,对工程场地条件、工程设计、工程施工和工程质量检测等各个环节的各种影响因素进行系统梳理,找出影响工程的关键性参数进行有效控制,以解决工程施工过程中的技术难题,实现工程建设管理的最优化。

1.1 场地条件系统

工程地质条件包括地形地貌、地质构造、地层岩性、工程地质分区、场地稳定性、场区内土石比和气候条件等;水文地质条件包括场区水文特征、地下水类型及含水岩组划分、地下水补给、排泄、迳流条件、水化学类型及水的腐蚀性等。

1.2 设计系统

包括地质勘察、图纸设计和设计试验。

地质勘测是对工程范围内的地质结构、地下水、岩土特性等要素,进行充分的调查、勘测和研究。高填方工程的图纸设计不仅要靠考虑工程地质条件、地质水文、气候、地形地貌等因素,而且要根据施工条件考虑施工场地制约、施工技术与设备、施工组织管理等因素的影响,科学地进行设计优化。设计试验是高填方工程设计的特殊要求,是解决高填方工程设计中疑难技术问题的重要手段。

高填方是一个三维的、高度非线性的、时效的复杂系统,其稳定性受多种因素的影响,如土层分布与岩土特性,地基处理效果、填筑料的岩土特性、碾压密实度、填筑速率、工程措施以及排水措施情况等。因此,在大面积施工前需要进行工程试验或前期工程,就是验证和优化地基处理设计,确定地基处理施工工艺和质量控制标准。

1.3 施工系统

施工系统包括施工队伍、施工组织、技术方案和技术创新等。施工队伍和施工组织的影响差别不大,但技术方案和施工技术创新将直接影响到工程的工期、质量和安全。

1.4 监测系统

对工程施工过程和使用过程中的基面沉降进行同位监测,预防意外情况发生。

1.5 设计—施工一体化时效动态系统

高填方工程不能按照常规的设计、施工程序进行设计和施工,要求将动态的、逐步深入的设计优化思想贯穿整个工程过程:从工程前期的方案优化调整、场地施工条件的优化组织、施工技术方案的优化调整、边坡坡度变化的地势设计优化到地基处理的优化,施工图阶段根据实际发生的土石方量、土石比变化进行的调整和修改优化,到根据沉降预测进行的地势设计和工程措施调整优化。

设计—施工—监测三位一体信息化施工时效管理,就是将设计—施工—监测三个系统的信息收集起来进行综合分析、处理,有效地用于施工全过程管理,这就是设计—施工一体化时效动态管理系统。施工中的试验为设计的实践依据,发现的新问题、设计缺陷、技术难题反馈给设计,由设计者修改或者优化设计方案,解决技术性难题。设计和施工的结果需要实践证明,这就是监测系统的功能。通过观测记录,掌握填筑体的性态变化,掌握非饱和土填筑体的沉降变化规律与特征,在时间上和空间上对沉降变形做出科学判断,并据此进行设计优化和施工组织技术调整。

2 高填方工程施工“三面一体”控制法

高填方工程质量的关键是“三面”的施工及处理。“三面一体”施工控制法就是将影响“基底面”、“搭接面”、“临空面”和“填筑体”施工质量及技术的所有因素看成一个功能系统,在系统分析的基础上,对关键参数进行控制,以实现系统功能最大化的管理方法。该施工控制法重点突出的是“三先”、“三化”和三项重点。“三先”:优先进行植物土的挖除;优先进行原地面的强夯和冲击碾压补强的施工;优先进行石方打眼爆破施工。“三化”:管理科学化;施工作业机械化;工序平行流水化。“三项重点”:重点做好土石方挖运、回填;重点做好原地基处理和冲击碾压补强。

2.1 “基底面”处理控制方法

(1)填前地基处理。首先对地基进行挖探和清除,如果地表下面土质良好,状况稳定,则清除地表植被、树根、垃圾和不良土质后即可进行填前压实。对挖方、填方区的草皮、树根、植物土等必须全部清除干净。对道槽区和边坡稳定影响区下的软弱土及粉土予以挖除至少至砾砂层。

(2)填前排水处理。由于填方区多位于地势低凹处,水系发育且水量富集,如不采取措施或未彻底根治,将成为今后工程安全的隐患。临时排水设施应和永久性排水设施结合施工。对地表水主要采取截的办法,可沿地基纵向在填筑区外开沟截水,要将地表水引入附近涵洞或其他临时横向排水通道。

2.2 “搭接面”处理控制方法

图1 搭界面处理示意

填方体与边坡的搭接是直接影响填方稳定性的关键因素。对于山高坡陡的高填方地段,填方施工难度高,填方稳定性差。为保障填方体与接触体的紧密连接,在原地面横坡在1∶10～ 1∶ 5时,填土前应先将表层土翻松 5～10cm以上;原地面坡度陡于 1∶5时,应将原地面开挖搭接台阶,以便逐层相互搭接进行压实。台阶宽度不小于 2.5m,台阶高宽比 1∶2,台阶开挖成向内 2.0%的横坡(图 1)。

搭接台阶应该随填随挖,在进行完一层填方的填筑碾压后,经检测合格后,再进行下一层施工后。需开挖台阶的填方地段,必须将填方预留 2%的横坡,以防止雨水聚积在填方与原地面的搭接处,每层填方应有一定的坡度,使雨水能自排,防止积水。对于两个填方作业段的接茬部位,应同时填筑,分层交错搭接,搭接的长度不小于 3m;如不能同时填筑部分,先填者应按 1∶5坡度分层留出台阶。填方区的边坡,应随每层填土逐步形成,不得欠填,填土的含水量应控制在最佳含水量±2%的范围内。

填筑体与场区较陡的自然边坡搭接处,若边坡上存在块石架空结构,应将块石清除,然后再按照要求开挖台阶。填筑体回填碾压厚度达到 5.0m时,应对台阶搭接处增加两排强夯、点夯处理方式进行加固处理,处理参数详见下表1。

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对于“搭接面”挖方区接坡应按照以下方式进行处理:(1)如挖方区为土质边坡区,则采用浆砌块石框格防护处理;(2)如挖方边坡为石质边坡,边坡岩石风化,且有断裂带,破碎带及软弱夹层等现象,则需采用水泥砂浆嵌填稳定填实处理,然后采用浆砌块石框格防护处理;(3)如挖方边坡为石质边坡,要求开挖后边坡应顺直,基本平整,不得有松石、危石,突出设计边坡的石块,其突出尺寸不应大于 20cm;(4)坡底石砌护脚、防坡平台以及浆砌块石框格每隔 5～10m需设一道沉降缝,且在转折点处应设伸缩缝。

2.3 “临空面”处理控制方法

“临空面”的处理应具有较好的抗渗性、耐久性、高温抗流淌、低温抗裂及适应基础变形的能力。

2.3.1 “临空面”(边坡)的稳定性计算

(1)坡堤的坡身稳定性、地基的整体稳定性宜采用简化Bishop法进行分析计算;(2)坡堤沿斜坡地基或软弱层带滑动的稳定性可采用不平衡推力法进行分析计算。

2.3.2 “临空面”(边坡)控制处理

(1)基底的夯实。一般要求其密实度不得小于 0.95;(2)边坡面层处理。对于不同高度和坡度条件下的边坡,使用钢筋混凝土或者沥青混凝土面层进行固坡的厚度是不同的。其原材料性能、控制指标及混合料的配合比等均是决定面层强度、变形、低温开裂等性能的关键。

2.4 “填筑体”的控制处理

填筑体作为一个“结构体”,与原地基共同作用,其自身的压缩变形导致“填体顶面”的位移和沉降,并影响原地基的沉降变形。在边坡稳定影响区,填筑体的强度则直接影响高边坡的稳定性。因此,填筑体的控制是高填方工程控制的核心。

高填方工程的填筑土体由三部分组成,即固体颗粒、水和气体,土体受外力作用而引起的压缩变形包括三部分:(1)固体颗粒的压缩变形;(2)土体内孔隙水的压缩变形;(3)水和空气从孔隙中排出而使孔隙体积的减小。上述三部分变形,土粒和水的压缩变形都很小,可以忽略不计。因此,土的压缩变形可认为是孔隙体积减少而引起的,土的压缩过程是土中孔隙体积减少,孔隙水和空气排出的过程。根据上述原理,按分层总和法确定地基的最终沉降量。

2.4.1 选择合适填料,制定相应的控制标准

填料性质是影响压实作业的内在因素,填筑施工应首选利于压实的良好填料,但是受现场实际条件的限制,如挖方材料、经济运距、填方条件等等,不可能都使用理想的填筑材料,施工时应根据实际情况,量材作业、区别对待,以达到压实的目的。一个重要的原则是:严格进行填料试验检测,在施工前取得有关数据,使用符合规范要求的填料,做好填方试验段,掌握填料在现有设备和施工条件下的压实规律。路基采用岩渣填筑,路堤、路床填料粒径不得超过 15cm。填料每填筑 5000m3做一次标准试验,以便及时了解填料的CBR值、液限、塑限、综合毛体积密度等性质,调整压实方法,准确检测每层填料的固体体积率,保证填筑质量。

2.4.2 控制层厚及填料粒径,分层压实

不同性质土应按水平分层分别填筑,以保证该层强度均匀,特别是透水的与不透水的土,不得非成层地混杂使用,以免在填方内形成水囊。严格控制填料最大粒径,确保压实成效。为切实控制石料粒径,建议在挖方处安装粗破设备,保证填料粒径。为保证在各种压实功能机具条件下达到有效压实深度,严格控制填料分层厚度。将填料中超粒径块石剔除或破碎后使用,并尽量将粗颗粒与细粒土搭配使用;填筑材料最大粒径不得大于虚铺厚度的 2/3,不均匀系数 Cu>5。

2.4.3 进一步消除沉降的措施

地基经过处理大部分沉降得以消除,在上覆填体压力下还有部分沉降发生。“填筑体”的沉降对于高填方地基的总沉降和工后沉降也有较大的影响。为此,我们不仅要在现有施工规范基础上提高标准进行填筑,消除部分填体沉降,还应采取进一步消除沉降的措施。这些措施包括:道槽区强夯补强;工作面搭接强夯处理、堆载预压;填体内部排水措施;合理调整施工进度以及合理的沉降稳定期。

2.4.4 含水率调整

最佳含水率调整:V=(W-W0)×[Q/(1+W0)]。V为所需加水量(kg),W为压实最佳含水量,W0为填料含水量;Q为需要加水的填料的重量(kg)。需加的水,宜在前一天均匀浇洒在填料表面(或取土坑表面),使其渗入土中,洒水用水车喷洒适当并拌合均匀,防止加水不均,干湿不匀。

2.4.5 土石混填控制措施

首先进行基底清理,即消除树根、草皮等杂物与腐植土,并压实后才填筑土石;其次天然土石混合材料中,石块的最大粒径控制在松铺厚度的 2/3以内,超过的予以清除或破碎。当所含石块为软质岩或极软岩时,石块最大粒径控制在层厚以内,超过的予以破碎;三是土石混填分层填筑,逐层压实,最大填厚控制在 40cm以内;四是压实后渗水性较大的土石混合填料,分层填筑,如需纵向分幅填筑,将压实后渗水性良好的土石混合料填筑于外侧,以利排水;五是土石混合填料的石料含量超过 70%时,先铺大块石料,大面向下,放置平稳,再铺小块石料、石渣或石屑嵌缝找平,然后碾压;石料含量小于 70%时,土石混合铺筑,并避免石质较硬、粒径较大的石块集中;六是道床以下 50cm范围内填筑碎石土,并分层压实。填料最大粒径控制在 10cm以内。