如何提高土石方冲碾效率分析

尹春桥

［上海公路桥梁（集团）有限公司，上海200040］

1 工程概况

成都天府国际机场规划6 条跑道，飞行区等级指标为4F，总占地面积达到4830 万m2，土石方量巨大。其中，成都天府国际机场地基处理及土石方工程07 标段土石方量超500 万m3，设计主要压实方式为冲击碾压。在工程初期，为了解该工程冲击碾压效率水平，从该工程填方区随机抽取100 层填筑层，调查各层碾压遍数并绘制出碾压遍数分布图如图1 所示。从图中可知碾压遍数超过22 遍的情况高达65%，只有不到35%是在20～22 遍，计算平均碾压遍数为（3×19+6×20+10×21+16×22+23×23+20×24+17×25+5×26）/100≈23 遍，可见提高20～22 遍的占比，降低平均碾压遍数，即可提高碾压效率水平。为此，项目部成立了专项课题小组，旨在保证质量和安全的前提下，尽可能提高土石方冲碾效率。

图1 碾压遍数分布图

2 冲碾效率影响因素分析

2.1 目标范围选取分析

07 标段施工场地如图2 所示，南北长约2280m，东西宽约645m，总面积大约1470000m2。总填方约5500000m3，总挖方约6300000m3。红色虚线框部分为此次课题选取地点，长210m，宽75m，原地面标高429.05m，设计标高441.05m，属于土面区，分层填筑压实，填料以强风化岩为主，压实方式为冲击碾压，压实层厚为60cm，设计压实标准≥90%。目标范围的冲碾作业条件苛刻，对碾压效率约束性强，在全场具有代表性，故被选为课题地点，条件苛刻体现如下。

图2 成都天府国际机场07 标段施工场地

2.1.1 目标范围临近道面区、挖方区、边坡区，靠近大铁基坑，周边环境复杂

目标范围夹于道面区、挖方区、边坡区和大铁基坑间，与道面区最小距离仅2m，与大铁基坑最小距离仅5m，北侧紧邻挖方区，场地狭小，交通组织复杂，协调工作量大，施工风险大，见图3。

图3 目标范围周边环境分布图

第一，与相邻道面填方区的施工进度需注意协调一致，高差控制在一个碾压层厚内，采用碾压搭接，以减少填筑体间产生差异沉降。搭接长度75m，搭接宽度5m，共20 层搭接，搭接量=75×5×20=7500m2。

第二，与北侧紧邻的挖方区交界处，需采用强夯搭接补强处理，总填筑高度12m，冲碾层厚0.6m，每填筑3m 进行一次强夯搭接补强，搭接宽度不小于10m。

第三，在靠近基坑和边坡区的一侧须做好围挡和交通导行措施，以减少不同工作面之间的相互干扰，保证冲碾作业安全顺利地进行。

2.1.2 填筑高度大、层数多，转弯半径小

目标范围填筑高度高达12m，填筑层数多达20层，填筑土方量超180000m³。大方量的土石方工程无论在组织上、质量上还是进度上都是一个挑战。冲击式压路机在目标范围进行冲碾作业时，局部地方转弯半径小，转弯角度达90°，冲碾机速度提不起来，影响冲碾效率。

2.2 影响因素分析

为找到降低碾压遍数的途径，小组成员从人、机、料、法、环、测六个方面展开讨论，着手研究影响碾压效率的末端因素[1]，共9 个，冲击碾压效率影响因素见图4。通过初期冲碾施工资料查阅、试验检测、现场调查等方式从末端因素中确认了要因。

图4 冲击碾压效率影响因素

2.2.1 驾驶人员偏离轨迹——非要因

施工前对施工员、驾驶员进行了技术交底，明确冲碾轨迹，并用石灰粉在现场放样，冲碾全程有施工员旁站，未出现冲碾机偏离轨迹影响冲碾效率的情况。

2.2.2 机械维护保养不到位——非要因

查看冲碾机保养记录和施工日志，未出现因冲碾机故障导致冲碾中断或拖延现象。

2.2.3 填料含水率过大——要因

填料含水率对填料所能达到的压实度起到很大作用，在同样的压实能效下，填料压实度随含水率在一定范围内增加而增大，当含水率超过最佳含水率后，填料压实度随含水率增加而减小。已完成的冲碾层中，有一层在冲碾过程中出现过弹簧土现象，经过翻挖掺撒石灰粉后进行重新冲碾，影响了冲碾效率。通过调查得知，该层填料填铺时下起了小雨未能及时冲碾，第二天未做含水率检测直接进行了冲碾，导致填料含水率过大，出现了弹簧土现象。

2.2.4 填料粒径过大——要因

填料粒径及级配对压实度具有明显影响，当大粒径过多、级配不良时，大粒径与大粒径间空隙就会过多，不利于压实，需要依靠增加碾压遍数或提高冲击能来达到预期压实度[2]。调查发现，料源以开挖的强风化岩为主，部分粒径超过40cm 的块料未经解小直接进行了填铺碾压，平均碾压遍数为23 遍。

2.2.5 机械行驶速度慢——要因

冲击轮的动能越大，冲击能就越大，物体的动能计算公式为Ek=mv2/2，可见同质量的冲击轮速度越大，所具有的冲击能就越大，在一定程度上冲碾效率就越高。通过查看冲碾施工记录，发现65%的冲碾速度集中在8.4～9.5km/h，仅有不到35% 的冲碾速度超过10km/h，平均碾压遍数为23 遍。

2.2.6 冲碾刮平不及时——非要因

在冲碾过程中，波浪轮迹会阻碍冲碾机行驶速度的提升。通过调查，均在每层冲碾第3 遍、8 遍、15 遍和最后一遍时使用平地机配合推土机及时刮平，不会因此影响冲碾效率。

2.2.7 松铺厚度不均匀——非要因

为了保证松铺厚度均匀，采用20m×20m 方格网布置高程控制杆，专人指挥自卸汽车倒料，推土机摊平，每层顶面均用平地机精平，实行层层验收。当层验收合格方能进行下层施工，保证各层高程及平整度均符合设计及规范要求，未出现松铺厚度不均匀的情况。

2.2.8 临近施工区域土方车辆多——非要因

冲碾施工过程中，采用边界撒白灰、间隔插旗、设立警示标志牌、安排安全员巡逻的形式进行施工区域警戒，未经允许其他车辆和人员不得入内，不存在其他车辆和人员进入冲碾施工区打断冲碾作业的情形。

2.2.9 试验检测及测量作业跟进不及时——非要因

配备了专业的试验部和测量部，试验员和测量员均为专职，整个冲碾作业全程跟进，试验结果和测量结果均能及时报出，未出现因此影响冲碾效率的情形。

3 控制措施及实施

对于以上分析出来的具体要因，小组集体讨论制定对策，通过表决确定责任人，全权负责相关工作的开展。具体控制措施及实施过程如下：

措施一：对料源含水率进行严格控制，使其保持在最佳含水率±2%内。

实施一：施工前先在料源取样，采用重型击实试验测定出最大干密度及最佳含水率。由于料源含水率随天气变化而波动，施工过程中在每台班取料前测定料源当天含水率，并与最佳含水率进行对比，根据对比结果采取不同措施，含水率满足要求后方可取料填铺。当含水率大于最佳含水率+2%时，采用挖掘机现场翻晒；当含水率小于最佳含水率-2%时，采用洒水车适当洒水。

措施二：对填料粒径进行严格控制，使最大粒径不超过层厚的2/3。

实施二：在装料过程中派专人监督，发现粒径若有超过40cm 的块料时，立即安排挖机将其解小再装车，挖机无法当场解小的则集中堆放在一处，统一用镐头机进行破碎解小。在填铺作业面运输车卸料及料堆推平过程中，派专人跟踪检查，及时挑拣出粒径超过40cm 的块料当场予以解小。

措施三：提高冲碾速度，使其保持在10～12km/h，并实施数字化监控。

实施三：优化冲碾路线，选择利于提高冲碾速度的冲碾路线。目标区域有2 条冲碾路线，冲碾路线对比示意见图5。后者较前者的优势在于，冲碾路线由1—6—2—7—3—8—4—9—5—10 转 为1—4—2—5—3—6，每条直道长度由75m 变为210m，减少了弯道长度，增加了直道长度，使冲碾速度的提升和保持有了更多空间。同时，在冲碾机上安装了数字化设备[3]，包括高精度定位器、无线传输模块、数据处理单元和驾驶室内显示器，冲碾的相关数据传输到监控后台，监控员发现冲碾速度不足时可及时通知驾驶员提速，驾驶员也可通过显示器关注冲碾路线和速度等，发现偏差及时调整。

图5 冲碾路线对比示意图

4 实施效果

通过对目标范围内的第4 层至第20 层冲碾遍数进行统计，如表1 所示，平均碾压遍数计算如下：（23+24+22+21+22+22+21+20+22+21+21+22+21+21+20+19+18）/17≈21 遍，达到了小组活动目标。

表1 目标范围第4 层至第20 层冲碾遍数统计表

工程中后期经济效益计算：

在式（1）中：

式（1）中：

T——碾压1 万m2场地1 遍所需时间；

D——25kJ 冲击式压路机轮宽1.8m，每只轮宽0.9m；

V——碾压作业时平均速度11km/h；

T=10000/（1.8×11×1000/3600）≈1818s。

整个标段中后期填方面积约600000m2，平均总填筑高度8m，填筑层厚0.6m，平均填筑层数14 层，总碾压面积S=600000×14=8400000m2。冲击式压路机采用月租方式，月租价格为6 万元/月，平均2000 元/天，工人工资300 元/天，平均碾压遍数由23 遍降为21遍，节省费用8400000/10000×1818/3600/8×（23-21）×（2000+300）=243915 元。

5 结语

依托成都天府国际机场地基处理及土石方工程，选取典型施工区域，从人、机、料、法、环、测六个方面分析土石方冲碾效率的影响因素。确定要因后，制定了相应施工措施，包括严格控制填料含水率在最佳含水率±2%内，选取填料最大粒径不超层厚2/3，并采用数字化施工技术控制冲碾速度在10～12km/h。有效降低了碾压遍数，提高了冲碾效率，节约了成本，并为今后冲击碾压工程降本增效提供一定的参考。