论垂直振动压路机代替高速液压夯补强施工的可行性

胡俊茂 邵兴伟

（1.中铁二十一局集团第四工程有限公司，陕西 西安 710000；2.中铁建宁夏高速公路有限公司，宁夏 银川 750000）

1 工程概况

1.1 工程简介

银昆高速公路作为交通强国建设宁夏试点工程，是“十四五”期间宁夏十大公路工程之一和中国铁道建筑集团有限公司五大公路工程之一，交通强国建设宁夏试点工程以银昆高速公路项目建设为依托，大力发展绿色公路、品质公路和科技公路。银昆高速公路太彭段LJ12-2标合同段起讫桩号K215+912.5~K225+780，全长9.87km。标段主要施工内容包括路基、桥涵、排水及防护工程。线路多处以桥梁的形式跨越沟谷，并以挖方路基的形式穿越黄土梁峁，其中，路基工程有挖方405.5万m3，填方20.19万m3。因为标段所在地位于湿陷性黄土地区，所以设计要求在填筑路基时每1.5m采用高速液压夯进行一次补强，补强后路基压实度提高1%以上，补强面积共89628m2[1]。

1.2 工程地质及水文地质条件

银昆高速公路太彭段LJ12-2标合同段位于黄土高原，标段主要位于发育剥蚀黄土丘陵区、侵蚀堆积河谷区及剥蚀黄土残塬区。其中，剥蚀黄土丘陵区分为黄土丘陵亚区和丘陵间洪积平台亚区；侵蚀堆积河谷区分为小河河谷亚区、茹河河谷亚区及红河河谷亚区；剥蚀黄土残塬区分为黄土残塬亚区。黄土梁峁上部覆盖马兰黄土，土质疏松，直立性较好，具湿陷性；中部地层为离石黄土，较密实，含黑色铁锰质斑点，夹多层褐红色古土壤层；底部为新近系泥岩、砂质泥岩和白垩系砂岩、砾岩。新近系泥岩胶结较差，遇水易软化，具弱膨胀性。洪积平台堆积20m~30m 不等的粉土，土质疏松多孔，可见水平层理，顶部土体垂直节理发育，具湿陷性，底部出露新近系泥岩，表面风化破碎呈碎块状。标段内路基工程均为湿陷性黄土，其湿陷性等级主要为Ⅳ级（很严重），零星分布有少量Ⅱ级~III级湿陷性黄土。合同段内水资源十分匮乏，地下水和地表水均不发育，主要水资源以大气降水为补给源，地表水主要以地表径流形式排泄，完全受降雨季节影响。新构造运动和地震均不发育，除湿陷性黄土外，主要的地质灾害为路线跨越洪积平台内冲沟。

2 施工准备

2.1 技术准备

路基填筑使用的土样严格按建设程序进行标准击实试验并报中心试验室进行验证试验。施工前对工作面进行平整和碾压，对压实度和平整度等指标进行自验，合格后报监理工程师验收。提前组织人员和施工机械，待补强工作面经监理工程师验收合格后，施工人员和验收合格的机械进场补强施工。

根据试验段明确采用施工机械的规格、性能和最佳的组合参数，确定质量检测方法及评价标准[2]。

2.2 机械准备

根据工程经验、施工组织及对比试验，拟定的施工机械配置见表1。

表1 施工机械配置表

3 施工方案

3.1 采用高速液压夯施工

3.1.1 施工原理

高速液压夯利用线性激振被压材料产生定向冲击波，削弱颗粒、水和空气之间的联系，促使被压材料（大小颗粒、液态水以及空气）重新结合而变得更密实。垂直振动技术的压实设备具有压实能量利用率高和传播方向集中等优势，克服了圆周振动压实能量相对分散、影响施工环境和压实深度有限的缺点，能降低能耗，提高压实效率和深层压实质量。

高速液压夯通过装载机或挖掘机等承载机构实现动力输出，将内置在夯架内的作用锤头提升到一定高度后释放，作用锤头在自身重力和液压油缸的助推作用下加速下落，高速往复运动将动能转换为冲击能，从而达到连续击打夯实基础的目的。

3.1.2 施工工艺

当采用高速液压夯施工时，对确定的夯点首先记录其高程，采用试验确定的最佳档位夯击，以3锤为一组，累加并记录每3锤的沉降量，直至最后三锤与其前三锤的相对夯击沉量差值不大于 10mm即完成该点夯击任务，具体流程如图 1 所示。

图1 施工工艺流程图

3.1.3 详细施工步骤

详细施工步骤如下：1）填料严格控制含水率，控制在最佳含水率的±2%[3]。对填筑面进行平整及碾压，压实标准和平整度等进行检验，检测合格后，可以进行夯点的布设。2）使用灰线标记出夯实范围并标记出夯点位置。夯点布点示意图如图2所示。3）每填筑1.5m使用液压夯实机补强一次，夯点间基本紧靠。4）按照夯击顺序，液压夯实机就位。高速液压夯实机根据其夯实能分为强、中、弱三档，将夯机调至强、中、弱三档分别采集数据，以每 3 锤为一组，累加并记录每个测量夯点位置的下沉量，直至最后三锤与其前三锤的相对夯击沉量差值不大于 10mm。5）压实度的检测根据前面步骤的结果，按照强、中、弱三档以及不同的夯击组数分别对夯实补强的最上一层和最下一层进行压实度检测，根据检测的压实结果，选取夯实的最佳组合参数为后期的大面积补强提供依据。6）严格按照试验段确定的最佳组合参数，在完成单个夯点夯击作业后，机械采用直线作业方法或扇形作业方法依次夯实，做到有序施工，提高施工效率。7）在夯击作业完成后，采用平地机刮平当夯实时在夯击点边缘形成的剥离体，确保补强面平整。

图2 夯点布置示意图

3.1.4 液压高速夯实质量检测标准

液压高速夯实机压实后1.5m范围内压实度应不小于94%，当检测结果达不到设计要求时，应采取补夯措施，直到达到设计要求为止。

3.1.5 施工注意事项

施工注意事项如下：1）高速液压夯实机作业点夯锤外缘距桥涵结构物最小距离应根据现场试验确定。建议当使用强档夯实时，作业点夯锤外缘距桥涵结构物的最小距离不小于5m。如果遇到涵洞和通道路段，其顶部填土高度须分别超过2.5m 和3.5m。2）当填筑层表面干燥时要适量洒水，防止表面粉尘化，影响能量向深层传递。3）严格按照设计要求，路基每填筑1.5m补夯一次，高速液压夯夯击能不小于36 kJ。4）高填路堤的压实度比一般路堤压实度要求提高1%[4]。

3.2 采用垂直振动压路机施工

3.2.1 工作原理

垂直振动压路机与传统压路机当作业时产生的惯性振动原理不同，垂直振动压路机采用垂直定向力叠加的原理，既在同样吨位压路机的情况下相比能产生出高于普通压路机的激振力和传递出更深的压实穿透力，具有更高的压实效率和压实质量以及更低的作业成本和能源消耗等特点；利用线性激振被压材料产生定向冲击波，削弱颗粒、水和空气之间的联系，使被压材料（大小颗粒、液态水以及空气）重新结合而变得更密实。

垂直振动压路机钢轮内中心轴上串联设置了三组偏心块，两侧偏心块与中间偏心块以360°同步反向高速旋转，实现在垂直方向分力叠加，水平方向分力抵消，带动钢轮产生垂直定向振动，实现线性定向碾压功能，快速提高对材料的压实，如图3所示[5]。

图3 垂直振动压路机工作原理图（中心轴上串联设置3组偏心块、垂直方向力叠加、水平方向分力抵消）

3.2.2 施工工艺

当采用垂直振动压路机施工时，首先放线确认范围，测量并记录原地面标高，进行初次振动碾压并静压收面；随后检测其压实度，重复上述流程直至合格，同时测量并记录压实后标高，具体流程图如图4所示。

图4 施工工艺流程图

3.2.3 详细施工步骤

详细施工步骤如下：1）填料严格控制含水率，控制在最佳含水率的±2%。对填筑面进行平整及碾压，检验压实标准和平整度，检测合格后，可以进行垂直振动压路机补强。2）使用灰线标记出垂直振动压路机补强位置。3）每填筑1.5m使用垂直振动压路机补强一次。4）使用灰线标记出补强范围。垂直振动压路机就位，分别采用组合一：振压1遍，静压收面1遍和组合二振压1×N遍（N为现场试验调整取值），静压收面1遍以2 km/h的速度进行碾压，之后检测补强的深度及补强后压实度增长情况，并分别记录原位置的下沉量。5）根据组合一和二的压实结果，确定垂直振动压路机的最佳压实组合。6）检测压实度，确保压实度大于等于设计要求94%。7）在补强作业后，达到压实要求，机械就位至下一段路基进行补强施工。

3.2.4 质量检测标准

垂直振动压路机压实后1.5m范围内压实度应不小于94%，当检测结果达不到设计要求时，应采取补压措施，直至达到设计要求为止。

3.2.5 施工注意事项

施工注意事项如下：1）当垂直振动压路机作业时外缘距桥涵结构物最小距离应根据现场试验确定。建议当补强作业时，外缘距桥涵结构物的最小距离不小于2m。如果遇涵洞和通道路段，其顶部填土高度须分别超过2.5m和3.5m。2）当填筑层表面干燥时要适量洒水，防止表面粉尘化，影响能量向深层传递。3）严格按照设计要求，路基每填筑1.5m碾压补强一次。4）高填路堤的压实度比一般路堤压实度要求提高一个百分点。

4 试验结果对比

4.1 对比原则

对比原则如下：1）路基采用高速液压夯。在3遍、6遍液压夯夯实后进行检测，补强后各层的压实度增长情况；2）路基采用LSV260型垂直振动压路机。按组合一（振压1遍，收面1遍）和组合二（振压3遍，收面1遍）进行补强，补强后检测各层的压实度增长情况。3）选择K216+560~K216+810段路基作为试验段，根据两种设备补强前后的数据对比，判定两种机械在路基补强施工中的优劣。

4.2 结果对比

按照试验要求，完成 K216+560~K216+810 段路基补强对比分析试验，经检测并记录各项指标，形成试验数据见表 2。

表2 试验数据对比表

补强机械及深度：项目部采用高速液压夯补强深度为1.5m，夯击遍数为6遍 ，路基的整体压实质量提高1.6%。

采用LSV260型垂直振动压路机补强机械，补强深度为1.5m，以2 km/h的速度行走，先振压3 遍，静压收光1遍，路基的整体压实质量提高3.2%。

效果对比：垂直振动压路机补强后表面整体较平整，补强面不需要再次进行平整，补强后压实度提升值高于高速液压夯补强提升值。

5 经济效果对比

根据现场K216+560~K216+810段路基补强施工情况，该段路基补强面积共7110m2，采用高速液压夯补强3560m2用时2天，可知高速液压夯施工效率为1780m2/d；剩余3550m2工程量采用垂直振动压路机进行施工，仅用时0.5d完成施工，可得垂直振动压路机施工效率为7100m2/d。按我标段共 89628m2工程量计算，采用垂直振动压路机可减少工期T=89628/1780-89628/7100=38d。现场机械配置、机械数量、每种机械月租费用及平均每天耗油量见表3。

表3 机械费用表

通过比较，采用高速液压夯施工工期多38天，根据表3机械费用表，增加路基其他机械组合费用=272540/30×38+38×12685=827247元。

采用高速液压夯施工，该项目劳务成本为12元/m2（含装载机，高速液压夯和柴油）标段共计补强面积为89628m2，需要总成本为107.6万元。而采用垂直振动压路机可以避免液压夯机及配套设备的使用，垂直振动压路机的租赁费用为10万元/月（含柴油），根据上面计算的功效所得，完成标段补强任务需要工期T=89628/7100=13天，计算出补强费用=10万元/30天×13天=4.3万元。从而节约施工成本103.3万元。

由此可见，采用垂直振动压路机共可节约成本82.7万元+103.3万元=186万元。

6 能效及能耗对比

6.1 工作效率对比

标段补强面积为89628m2，高速液压夯施工效率为1780m2/d，完成补强工期T=89628/1780=51天；垂直振动压路机施工效率为7100m2/d，完成补强工期T=89628/7100=13天，缩短工期T=38天。

6.2 工作油耗对比

根据现场油耗统计分析采用高速液压夯施工，装载机XG952型平均每小时耗油约32L，完成补强工程量消耗柴油=32L×51天×8h=13056L，采用LSV260型垂直振动压路机平均每小时耗油约26L，完成补强工程量消耗柴油=26L×13天×8h=2704L，通过对比，完成补强工程量垂直振动压路机比高速液压夯节省柴油10352L。

6.3 减少二氧化碳对比

采用垂直振动压路机提前工期38天，经现场统计路基其他机械组合每天消耗柴油为295L/h×5h/天=1475L，节省柴油=1475/天×38=56050L，通过对比垂直振动压路机与高速液压夯，完成以上补强施工任务节省柴油10352L，按照每升柴油排放2.63kg二氧化碳量计算，可减少二氧化碳排放量=（56050L+10352L）×2.63=174637kg。

7 施工压实效果对比

采用高速液压夯后，路基压实度平均提高1.6%，补强面为点状补强、补强区域四周形成剥离体、补强效果可以达到设计要求。采用垂直振动压路机补强后，路基压实度平均提高3.2%，垂直振动压路机垂直传递深度更深，能形成面状补强，补强后导致的表面剥离体较少。

通过试验对比，使用垂直振动压路机补强可以达到设计要求，补强施工速度快，补强效果优于高速液压夯补强效果。

8 结论

通过对比垂直振动压路机和高速液压夯在银昆高速公路路基填筑补强施工中的表现，得出主要结论：1）该标段使用垂直振动压路机施工，与高速液压夯相比，完成该标段补强工程可以大大降低综合成本、减少二氧化碳排放和缩短工期，实现高效施工和低碳环保的目标。2）垂直振动压路机既可承担路基填筑压实工作，又可承担路基补强工作，避免了专用施工机械利用率不高的问题。