水泥稳定煤矸石路面基层补充定额编制

景宏君, 康明珂*, 孙长锋, 李少平, 叶万军, 张延青

(1.西安科技大学建筑与土木工程学院, 西安 710054; 2.西安科技大学道路工程研究中心, 西安 710054;3.榆林市公路局, 榆林 710009)

煤矸石是煤炭经过洗选后留下的黑灰色岩石,煤矸石含碳量低且伴有少量的有害物质,长期露天堆放会产生扬尘污染、污染周围土壤和水体、危害矿区住户的身体健康,甚至可能引起坍塌、泥石流等地质灾害[1]。随着中国公路行业的高速发展,将煤矸石用于道路工程建设中,不仅解决其堆积占地问题,还可以减少土石资源的开发,是非常好的煤矸石再利用途径[2-3]。在煤矸石路面基层建设的起步阶段,相关定额编制所需的依托工程和样本数据比较匮乏,其工程造价大多是按照类似定额子目进行的,一些参建单位也提出了费用方面的总结,但该总结不全面,不能作为地方性乃至全国性造价标准使用,阻碍了煤矸石筑路材料的发展。因此为了能更规范化、专业化地向陕西省煤矸石路面基层项目提供计价依据,对该类项目较为成熟的施工工艺进行计价标准研究显得尤为重要。

目前,国内众多学者在定额编制及测定方面开展了相关研究,胡海棠[4]提出用格拉布斯准则处理公路施工定额的原始数据,但该方法的可靠性取决于样本数量的多少,当样本数量较少时,其检测结果大打折扣;田涛[5]针对公路工程特点和需要,提出了补充定额编制流程及数据处理方法;史立梅等[6]根据现场实测数据编制了管幕冻结法隧道的补充定额;舒国明等[7]以工字钢梁生产为例,提出了基于BIM技术的精细化定额体系;张传军等[8]解决了当前隧道工程中人工费短缺的问题;刘谦等[9]通过现场测定,得到施工过程中的人、材、机的消耗量,编制出了泥水平衡机械顶管施工的补充定额。与此同时,国内学者也将数学方法应用到定额原始数据处理当中,吴修宇[10]利用标准差比较法和改进型格拉布斯准则检验定额原始数据的系统误差及粗大误差,结果表明蒙特卡洛模拟法能够充分地还原定额数据的分布特征;金龙[11]利用拉依达准则和灰色系统理论,建立了定额原始数据处理模型,为定额原始数据的真实性和准确性提供了保障,有效降低了采集原始数据的误差;赵青[12]基于蒙特卡洛模拟法编制水电工程补充定额,结果表明蒙特卡洛模拟能够较好地改善统计结果不准确的问题;刘中平等[13]构建了高速公路造价评估模型,提出了测算高速公路造价的新方法。国外学者在公路工程造价方面也做了较多研究,Matel等[14]基于机械学习和人工神经网络方法,提出了一种用于工程服务的成本估算模型,但该模型存在许多局限性,需要大量数据来验证其可行性;Love等[15]研究了交通项目的预算核定、标底估计、合同金额和决算之间的差异,但利用“规划谬论”描述工程项目的预算定额时具有误导性;Martina等[16]研究了公路项目运营阶段中产生的社会成本;Elfahham[17]利用神经网络、时间序列及回归法来预测埃及工程造价指数;Coffie等[18]开发了一个成本预测模型,可以预测合同授予阶段中的项目成本;Feng[19]基于狼群算法和优化支持向量机参数模型,开发了市政道路工程造价预测模型框架,并对模型进行仿真模拟,结果表明,预测模型系统具有较好的预测性能和较高的预测精度。

综观现有成果发现,国内外仍未发布关于水泥稳定煤矸石路面基层的相关定额,现以水泥稳定煤矸石路面基层的工程应用为例,运用科学合理的方法测定相关定额的样本数据,利用拉依达准则和线性插值法对样本数据进行整理分析,依据国家标准规范中人工和机械的幅度差,编制出水泥稳定煤矸石混合料的预算定额,研究成果可为陕西省水泥稳定煤矸石路面基层项目概预算提供计价依据,从而能够更规范化、专业化地向建设主管部门上报预算文件。

1 水泥稳定煤矸石路面基层技术特点及施工工艺

1.1 水泥稳定煤矸石基层技术特点

路面基层是道路行车荷载的主要承重层,既要承担面层传递下来的大部分行车荷载作用,还要承担基底的弯拉应力作用。混合料基层的刚度应和沥青面层的刚度相匹配,若刚度相差太大,也容易发生开裂破坏,在基层结合料的选择和剂量的确定上,既要保证强度满足规范要求,也要确保抗裂性能达到设计标准[20]。水泥稳定煤矸石是由水泥与不同级配的煤矸石加水拌和而形成的无机结合料,为防止基层出现开裂破坏,混合料应具备一定的刚度和强度,不同水泥掺量的混合料强度如图1所示,可见该无机结合料的抗压强度随龄期的增长而增长,与其他半刚性基层的增长规律相近,此外该无机结合料具有较好的水稳定性和抗冻性,能满足重交通下各等级公路的规范标准。

图1 水泥稳定煤矸石强度增长规律

水泥稳定煤矸石基层具有以下优点。

(1)水泥稳定煤矸石混合料具有良好的工程特性,可增强路面的抗裂性能与防渗水性能,降低路面的开裂情况,延长道路的使用寿命。

(2)水泥稳定煤矸石混合料可满足二级及二级以下公路路面基层及路基各项技术指标,能有效减少天然石料的开采,遵循绿色发展理念,对发展节约型城市建设具有指导意义。

(3)随着水泥掺量的增加,煤矸石之间的孔隙逐渐减小,水泥稳定煤矸石混合料的结构变得更加密实,经过冻融试验,能有效提高混合料的抗冻性,减少裂缝的产生。

(4)利用水泥稳定煤矸石基层技术,可解决煤矸石大量堆放问题,能有效减少周围环境的污染,提升煤炭固废的利用率,为实现“碳达峰”“碳中和”目标多作贡献。

1.2 水泥稳定煤矸石路面基层施工工艺

1.2.1 煤矸石破碎及运输

煤矸石的强度略低于碎石,则煤矸石破碎时不宜采用功率较大的破碎机,以免破碎后的粒径不满足设计要求,且煤矸石山的稳定性较低,在进行现场破碎时应有专业人员负责指挥与操作,防止出现矸石山坍塌而造成的人员伤亡或机械损坏等情况。

破碎后的煤矸石中含有粉尘,在运输过程中易造成扬尘污染,可利用防尘布对其进行遮盖处理。对于刚洗出来的煤矸石,应进行洒水或晾晒处理的方式降低煤矸石的温度,不得采用温度高于50 ℃的煤矸石。

1.2.2 拌和

在拌和时,为保证混合料的强度能满足规范要求,建议使用厂拌法进行施工,采用生产能力为500 t/h连续式稳定粒料拌和设备进行集中厂拌,出料后,在投料带上取样检查集料的配合比和级配,满足设计要求后,在正式拌和集料时,每2 h检查一次拌和情况,检验其配合比、集料级配、含水量的变化,同时煤矸石混合料拌合时产量不宜超过拌合设备最大产量的2/3。

1.2.3 混合料运输

用20 t左右自卸汽车运输混合料,所需数量由实际拌和量决定,装料完成后,为防止水分流失,混合料强度变差,应尽快将煤矸石混合料运送到施工现场,运输过程中应用防尘布对混合料进行覆盖,有效减少扬尘污染和水分流失。

1.2.4 混合料摊铺

水泥稳定煤矸石混合料松铺系数建议值为1.4～1.5,若松铺系数过大,摊铺时应开启熨平板,确保预期压实度达到75%～80%。摊铺时应根据混合料供料、运输等情况,保持缓慢连续、不间断的摊铺,且至少保持有3台以上的自卸汽车等候卸料,避免摊铺中断。

1.2.5 碾压

结合混合料特性,建议使用“J3Z3S2法”进行基层碾压工艺,即采用振动压路机静压3遍、振压3遍、终压2遍,该方法不仅能将煤矸石充分破碎,还能提高煤矸石混合料的密实度。在碾压工序中,煤矸石混合料经过破碎、压实、再破碎、再压实的渐进压实过程,可以逐步改良煤矸石混合料的级配情况。

1.2.6 整修

针对施工中出现的纵向、横向裂缝问题,对于已经达到密实状态且平整度符合要求的裂缝,可采用压路机或平地机重叠10 cm,重新进行碾压;出现裂缝,检验其是否符合压实度和平整度要求,若不符合,人工铲除旧混合料后,重新摊铺新的混合料。

1.2.7 养护

水泥稳定煤矸石基层应进行洒水养生,养生期为7 d,使基层表面保持湿润,注意洒水次数不宜过多,控制在每天6～10遍即可。养护期间道路不得开放交通,若不能完全封闭路段,可限制重车通行,防止基层破坏强度。

2 水泥稳定煤矸石路面基层补充定额测定

2.1 依托工程概况

通过调查陕北地区具有代表性的公路,选取神木市景观路段为水泥稳定煤矸石路面基层定额编制的依托工程。该工程设计标准为四级公路,设计年限10年,路段全长185 m,水泥稳定煤矸石基层宽6.5 m,已知水泥稳定煤矸石基层铺筑面积为1 288.34 m2,路面端部结构图如图2所示。

图2 路面端部结构图

2.2 前期准备

补充定额编制是一项包含国家政策与经济的技术性工作[21],主要遵从相关政策规定、技术规范、市场管理部门发布的市场价等,将理论与实际相结合,既要满足临时计价的需求,也要确保长期造价水平的稳定性。

为规范陕西省公路行业补充定额的编制程序,要明确定额编制原则、方法等内容,熟悉相关设计文件,理清编制程序,根据陕西省部颁的相关规范文件确定补充定额的子目类型,现场调研具体工程的施工工艺、工作内容及施工组织情况,初步推算人工、机械、材料的需求量,分析实测过程中的漏洞及风险因素,最后对形成的定额成果进行测算分析,确保定额编制质量达到规范要求。由于新的定额缺少历史数据和统计资料,补充定额的编制重点在于现场数据的收集,对新技术、新工艺等项目应熟练掌握,准确、全面地记录项目的工程概况、施工工艺及工料机消耗量等,并对现场采集到的原始数据进行误差识别与修正。

2.3 样本数据采集与整理

2.3.1 采集流程

根据水泥稳定煤矸石基层施工现场的实际情况,统一采集方式和方法,全面记录各个施工工序的施工过程及工、料、机的消耗量,也可通过调研、访谈、调查问卷等方式多渠道采集定额编制所需的样本数据和相关工程资料。具体工作流程如图3所示。

图3 数据采集整理流程图

采集现场原始数据是定额编制程序中不可或缺的环节,但采用传统定额测定方法收集到的原始数据具有一定的局限性,且采集过程中容易受观测者影响,导致样本数据失真,因此要采用更先进合理的数值模拟方法整理分析样本数据,才能使补充定额子目满足实际工程的要求。

2.3.2 异常值识别与修正

1)拉依达准则

(1)

2)线性插值法

线性插值法[22]是利用两点之间的直线来近似表示函数,再根据直线函数求解两点之间的未知量,是一种较为简便的插值法。当利用拉依达准则剔除实测数据中的异常值,就需要补充新的估算值以确保实测数据的完整性,因此利用线性插值法对样本数据中的异常值进行补充修正。

设已知两点的坐标分别为(x1,y1)、(x2,y2),未知点坐标为(x,y),则得到直线方程为

(2)

2.3.3 数据处理

利用拉依达准则识别粗大误差前,先绘制样本数据的频数直方图,查看样本数据的概率分布是否近似服从正态分布。将机械摊铺消耗量和机械碾压消耗量实测数据分别进行频数分布统计,绘制频数直方图,拟合正态分布曲线,其结果分别如图4、图5所示。

图4 机械摊铺消耗量频数分布直方图

图5 机械碾压消耗量频数分布直方图

图6 机械摊铺消耗量波动曲线图

图7 机械碾压消耗量波动曲线图

图8 插值后机械摊铺消耗量波动曲线图

图9 插值后机械碾压消耗量波动曲线图

3 水泥稳定煤矸石路面基层补充定额编制

3.1 定额编制

为与国家标准规范《公路工程预算定额》(JTG/T 3832—2018)[23]2007版及2018版的结构形式保持一致,对拟编制定额的项目名称、工程内容、工程量、计量单位及附注等内容分别进行补充说明。

(1)项目名称。项目名称一般指某一具体工程项目所规定的正式名称,要求简洁明了、通俗易懂。在编制补充定额时,应结合施工组织设计中的施工工艺、材料、机械等要素,确定拟编制定额的项目名称。拟定补充定额的项目名称为“厂拌基层水泥稳定煤矸石混合料”和“水泥稳定煤矸石路面基层”。

(2)工程内容。工程内容可反映出项目概况的指标内容,对于道路工程来说,工程内容主要包含定额子目的施工工序和施工内容。针对“厂拌基层水泥稳定煤矸石混合料”,工程内容可简写为:“①装载机铲运料、上料;②拌和设备拌和、出料”。“水泥稳定煤矸石路面基层”的工程内容可简写为:“①清理下承层;②铺料、洒水、拌和;③整形、碾压、找补”。

(3)计量单位。参照规范及类似定额项目的计量单位特点,最终确定两项补充定额的计量单位均为1 000 m2。

(4)工程量。通过工作日写实法和测时法初步拟定了定额的消耗量,即完成1 000 m2所需人工工日、机械台班及材料消耗量。结合《公路工程机械台班费用定额》(JTG/T 3833—2018)[24]及其释义手册调整消耗量,计算汇总定额基价。

(5)附注。附注是针对定额子目的适用范围、施工项目、组价内容进行补充说明,特殊工作环境下,应对定额调整进行说明。通过对施工工艺及工程内容的进一步研究,拟定“水泥稳定煤矸石基层”的附注内容为:①本定额材料用量按照水泥:煤矸石=5∶95配合比进行计算,可自行调整比例;②本定额未包含煤矸石破碎处理费用,需要时按照相关定额进行计算。

3.2 编制成果

预算定额是施工图设计阶段时采用的定额,其定额水平相较于施工定额来说偏低,工程量要比施工定额大。另外,在测定施工定额时,常常会因为一些不可抗力因素或观测员自身因素导致数据失真,影响到定额的编制与质量。为了更好地完成预算定额的编制,根据修正后的样本数据及《公路工程预算定额》(JTG/T 3832—2018)中人工、机械幅度差(见表1),求得“厂拌基层水泥稳定煤矸石混合料”和“水泥稳定煤矸石路面基层”的补充预算定额分别如表2、表3所示。由于人工、材料的市场价有所变动,表2、表3中的人工、材料价格均以陕西省造价信息网2022年5月信息价为准。

表1 人工、机械幅度差系数

表2 (补)厂拌基层水泥稳定煤矸石混合料

表3 (补)水泥稳定煤矸石路面基层

4 测算水平分析

为了更直观地了解补充定额与已有类似定额的差别,可将已编定额与工艺相近或相似定额子目进行对比分析。目前,中国公路工程预算定额的规范资料较为完整,现有规范中有一部分定额的工作内容与“厂拌基层水泥稳定煤矸石混合料”补充定额相似,因此,选择规范中“厂拌基层水泥碎石混合料”和“厂拌基层石灰粉煤灰煤矸石混合料”两个定额子目的人工、机械消耗量以及对应子目的工程直接费进行对比分析,对比情况如图10、图11所示。

图10 人工、机械消耗量对比分析图

图11 工程直接费对比分析图

图10对比结果表明,人工消耗量定额对比结果的平均值为15%,装载机消耗量定额对比结果的平均值为15.34%,厂拌设备消耗量定额对比结果的平均值为16.63%,说明测定的人工及机械工程量定额与《公路工程预算定额》中类似项目的工程量相比差别不大,基本达到平均先进水平。图11对比结果表明,厂拌基层水泥稳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%。综合来看,编制的补充定额处于合理水平,可作为水泥稳定煤矸石路面基层施工的计价依据,为今后陕西省乃至全国范围内煤矸石路面基层项目的概预算定额编制提供参考。

5 结论

(1)总结了水泥稳定煤矸石路面基层技术特点和优点,提出了水泥稳定煤矸石路面基层施工工艺及“J3Z3S2”的碾压工艺。

(2)运用拉依达准则识别样本数据中的异常值,利用线性插值法对剔除异常值后的样本数据进行补充修正,修正后的样本数据标准差值变动较大,减小了样本数据的波动性。

(3)编制了“厂拌基层水泥稳定煤矸石混合料”和“水泥稳定煤矸石路面基层”补充预算定额,为指导煤矸石筑路材料的造价管理、成本预测及承发包或招投标工作提供参考。

(4)在此背景下,各省定额站及施工单位应充分积累现场工程数据,逐步完善、更新公路工程造价信息库,有益于新工艺、新技术的推广应用。