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隧道弃渣混
隧道弃渣混填路基技术研究之
施工工艺及质量控制技术报告
山西省交通规划勘察设计院
长安大学
二〇〇九年八月
1课题概述
1.1研究目的
凤凰岭隧道位于忻州至阜平高速公路忻州至长城岭段，隧道为左右分离双孔道，全线长各在5800m左右。
凤凰岭隧道的修建，将会产生大约90万方的石渣，若开挖出的石方全变为弃渣废弃，弃渣场将占据很大面积的耕田，这样不仅破坏了耕地，而且对隧道周边的自然生态环境造成破坏。
因此，我们本着环保、经济、方便和可持续发展的原则，对凤凰岭隧道的弃渣的应用进行研究，使凤凰岭隧道弃渣变废为宝、综合利用，保护了隧道周边的自然环境，使得该技术不仅在忻阜高速公路上得到应用，而且也可以其他同类工程中进行推广，努力把凤凰岭隧道建设成一个建设节约型、环境友好型的工程。
1.2研究意义
高等级公路借土填筑路基存在较为突出的问题：
第一，集中取土量大，临时占地面积多，且取土后复耕困难。
第二，取土场集中，运距较长，费用相应增大。
第三，如果不利用石方，废弃石方堆弃困难，不仅需要消耗大量的人力、物力、机械，而且大量废弃石方的运输使施工周期延长。
利用石方填筑路基，可避免借土填筑路基和大量石质弃方占用大量土地的不合理现象。
可见，填石路基的应用具有重要的经济社会效益。
2填石路堤质量控制研究
2.1填石路堤的定义
根据填料中石料含量有不同，路基分为填石路基、土石混填路基和土质路基三种类型。
当填筑材料粒径大于2mm的颗粒含量大于70％，粒径小于0．074mm的颗粒含量小于15％时，称为填石路堤。
2.2质量控制
目前，对于路堤填石检测存在两个指标体系：
一是强度指标体系，二是密实度指标体系。
我国公路习惯采用密实度指标体系。
属于强度指标体系检测方法有：
承载板板、K30法、压沉值法、压实度计法、动力响应法。
属于密实度指标体系检测方法有：
灌沙法、灌水法、核子密度仪、面波仪。
2.2.1相关检测方法介绍
（1）压实度计法
压实度计法是前几年发展起来的一种控制碾压质量的新型仪器。
将压实计安装在振动碾上，可以对整个碾压作业面进行全面实时的质量控制，但压实计仪表上的读数并不表示填石的技术指标（如密度，含水量等），只表示被检测面的密实程度，一般压实计较适用于施工人员在压路过程中对被压实体的实时监控和控制压实遍数。
由于在振动频率、碾压速度、前进方向以及粒料含水量、粒径不同时，其测试结果也不同。
因此，它无法提出一个比较明确的指标，这给监理单位带来了困难。
（2）承载板法
承载板法是铁路部门检测粗粒土压实质量的常用方法之一。
该方法采用直径30cm的承载板检测压实体的回弹模量。
以此判定被压实体的质量。
与此类似的还有弯沉法（通过检测被压实体的弯沉来控制压实质量）。
由于承载板法和弯沉法需要准备标准荷载车辆和专用检测设备，在常规施工检测中有费时、费力的缺点，特别是弯沉法，由于其结果离散性较大，很难作为质量控制指标。
现在，以上方法很少用在常规检测中，一般在填方工程最后一层顶面检测一次，为路面设计、施工提供路基的回弹模量指标。
（3）沉降值法
此检测采用标准吨位的压路机（12t以上）碾压前后被压实层表面的沉降量，由于测点可以在被压实层表面随机布置，所以，检测结果能较快、较好的反映被检测体的整体情况。
但是，沉降差检测需要l台振动压路机，这给每次检测带来一定的不便。
沉降差与被检测体密实度指标的关系等，都需要在工程实践中去试验研究。
（4）面波检测
有着其它方法无可比拟的优点，如无损工程实体，方便、快捷、理论上可行等。
但是，由于被检测体结构组成的复杂性和现有仪器精度、软件处理的限制等，无疑更增大了面波检测的难度。
可以认为，随着科学技术的发展，面波检测是填石路堤压实质量检测的一种很有发展前途的方法。
2.2.2常用检测方法对比（见表2.1）
表2.1常用检测方法对比
检测方法
优点
缺点
灌沙法
便于掌握，已在公路部门长期使用
工作量大，填石路堤填料空洞大，
数值偏小
灌水法
类似灌沙法，可准确测定数据
工作量大，干密度测定数值偏大
压实计法
可全面实时的对整个施工进行监控
仪器读数离散性较大
面波仪
方便、快捷、无损
受材料性能局限性较大
核子密度仪
适于现场快速评定
测定数值相关性差，
不宜作仲裁和验收标准
承载板法
适合检测粗粒土
需专门的车辆和设备，施工费时费力
沉降值法
快捷、无损易掌握，可全场布点
指控指标需结合其他施工参数综合确定
2.3试验目的
现场试验的目的是通过对多种施工工艺及参数的比选，例如最大粒径的控制、松铺厚度、碾压机械的选择、施工工序的安排等等，确定既能满足设计技术要求、又经济合理、简单实用的施工工艺和质量控制方法，也就是说施工工艺和检测方法的确定应综合考虑技术要求、经济效益、便于操作人员掌握三方面要素。
主要包括以下几个方面：
（1）检验压实机具和其它施工机具的性能；
（2）确定施工压实参数（如铺层厚度，碾压遍数、填料粒径等）；
（3）制定出质量控制标准（如孔隙率、高程差等）；
（4）总结试验段施工经验，编写施工总结；
（5）确定施工工艺和质量保证措施，为大面积施工提供依据。
2.4试验段概况
计划应用凤凰岭隧道弃渣回填路基的试验段两至四段，均在隧道出口段附近。
3试验段施工参数与质量控制标准的确定
3.1试验段施工准备
在施工前，全面熟悉设计文件和设计交底的基础上，进行现场核对和施工调查，因不同的填料，对压实厚度，质量控制标准不同。
根据爆破后石料取样检测结果，将沿线不同的填料按填石的硬度，风化程度进行划分。
通过对填料物理性质的划分，为优化机械组合，选择压实功率，确定检测手段提供依据。
同时组织施工人员学习有关规范和有针对性的进行施工技术内容的培训工作。
由于填石材料特殊的工程特性，原有的施工工艺体系是否适用于有待检验，课题组根据已有的填石路堤施工经验，采用静压压路机和振动压路机进行组合。
课题组建议应从压路机的压实参数，填料松铺厚度、最大粒径以及颗粒级配四方面进行试验和分析。
3.2振动压路机压实参数的确定
采用振动压路机可以明显提高填石路堤的压实效果，例如：
13T的振动压路机振动时和静止时的土压力的应力比为5：
1。
振动压路机振动频率的选择：
表3.1常见路堤填料自振频率
填料类型
自振频率HZ
干砾土
32.5
沙砾
31
细沙-中沙
23.5-27.5
砂卵石
24.7
粗砾石
30
（2）振动压路机振幅的选择
其他条件一定的情况下，填石料所受到的压实作用随振幅的加大而显著提高，因此应在机械允许的范围内尽量增大振动压路机的振幅，但受限于机械的设计限制和使用寿命，一般调到1.5~1.8mm之间为宜。
（3）振动压路机碾压速度
考虑技术要求和经济合理性的统一，确定碾压速度为2~4km/h。
3.3填石料施工工艺参数的确定
（1）最大粒径和松铺厚度的确定
填石路堤的石料强度不应小于15MPa（用于护坡的不应小于20MPa）。
填石路堤石料最大粒径不宜超过层厚的2/3，压实层厚度一般不超过500mm。
按照公路路基施工技术规范的规定，将路堤划分下路堤、上路堤、路床三大部分，相应的压实度（重型）要求分别为90%、93%、95%。
课题组主要研究上、下路堤部分，结合上述规定并参照现有的工程实际和水利部门的施工经验，课题组确定路堤不同部位的松铺厚度和控制最大粒径如下表所示：
表3.2岩石路堤层厚和最大粒径试验安排
分区
松铺厚度（cm）
最大粒径（cm）
下路堤
80
50
60
40
40
25
上路堤
60
40
40
25
（2）填石料级配的控制
高速公路填石路堤施工中，由于线路长、填料变异性大等特点，对填料级配进行控制难度较大。
填石料在开挖和运输过程中，容易引起粗、细料的分离现象，对此应该在施工组织安排中予以重视，保证粗细骨料之间的合理搭配。
（3）填石料的含水率
填石料的含水率对路堤的影响与填石料自身的填石性质有关，开挖后的隧道弃渣在自然环境下有一定风化，因此，应严格控制填石料的含水率。
3.4密实度检测方法
考虑到技术、经济和现场人员技术水平的综合因素，本课题组采用压沉值法和压实干密度法两种方法进行对比检验填筑路堤的密实度。
（1）压实干密度法
填石路堤压实度采用最大干密度进行检测的原理和普通填土路堤一致，但填石料粒径大，颗粒级配分布不均匀，需要采用大型的击实仪和相似级配法对实际情况予以模拟和分析。
由于填石料颗粒之间存在较多的空洞，因此规范所推荐的灌沙法难以反映真实的填石程度，只能采用试坑灌水法予以测定。
在采用灌水法进行干密度测定时，为保证所开挖填石料的代表性及检测层的整体碾压效果，应开挖至每一填筑层的底部，试坑直径应不小于最大粒径的1.5倍。
表3.3试开挖尺寸
填筑厚度cm
限制粒径cm
开挖厚度cm
试坑最小直径cm
80
60
80
90
60
40
60
60
40
30
40
45
（2）压沉值检验法
在一定吨位压路机充分碾压的基础上，在相邻两次碾压后测定路堤填筑层的沉降，当新发生的沉降较小时，即认为在该施工工艺下该填筑层已达到密实状态。
（3）两种测定方法综合分析和比较
上述的两种方法均具有简单可行，方便施工人员掌握的特点，并且已经在一些实际工程中得到了应用和验证。
但应注意到上述两种方法均存在自身的不足：
最大干密度法原理简单清楚，为国家规范所采用和推广，但大粒径填石料最大干密度的测定始终是一个难点，同时存在费工费时；压沉值法测定简单迅速、方便、易于掌握，但测定出来的压沉值并不直接代表压实后填石料的密度，同时在层厚和压实机械确定的情况下，即使底部的填石料未被压实，填筑层表面的沉降值在达到一定程度后也不再发展，因此应该考虑将两种方法进行综合考虑分析。
4试验段施工工艺与检测方法
测量恢复
线路中桩
检测原地面压实度
自卸车卸填料
推土机摊铺填料
光轮振动压路机静压
拖式振动碾压
检测沉降值
地表清理及填前碾压
进行下一层填筑
光轮振动压路机振压、静压
控制碾压变数
控制碾压变数
控制碾压变数
控制平整度
不
合
格
图4.1填石路基填筑工艺流程图
4.2施工机械组合及施工方法
（1）碾压机具及碾压遍数
大面积填筑前，根据规范要求进行试验段施工，以确定最佳的机械组合、施工工艺及方法。
在征求监理工程师同意后，选取具有代表性几段试验段进行施工。
在试验段施工时，先填筑三层进行比较。
第一层松铺厚度控制在60cm，第二层松铺厚度控制在50cm，第三层松铺厚度控制在40cm，其最大填料粒径控制在填筑厚度的2／3以内，超过的采用人工破解或挖掘机将其剔除。
经人工配合推土机整平后，各层采用XSM220光轮振动压路机和YZ18拖式振动碾压形成不同的碾压次序及碾压遍数，进行试验比较。
各层采用的碾压机具及碾压遍数见表4.1，每层在碾压至无明显轮迹后，采用压沉值法检测路基的压实度。
表4.1碾压机具及碾压遍数表
层数
碾压机具
碾压遍数/遍
合计/遍
第一层
XSM220光轮振动压路机
静压1
6
YZ18拖式振动碾
碾压3
XSM220光轮振动压路机
激振1
XSM220光轮振动压路机
静压1
第二层
XSM220光轮振动压路机
静压1
7
YZ18拖式振动碾
碾压4
XSM220光轮振动压路机
激振1
XSM220光轮振动压路机
静压1
第三层
XSM220光轮振动压路机
静压1
7
YZ18拖式振动碾
碾压4
XSM220光轮振动压路机
激振1
XSM220光轮振动压路机
静压1
质量控制
采用压沉值法和测定填石料碾压后干密度相结合的方法予以测定和分析。
在每次碾压后，用水准仪精确测量各测点高程，并分别记录，测点按照不少于16点/1000m2进行布置；在完成碾压后，按照不同的施工工艺，在不小于3点/1000m2的频率进行压实密度的实验。
初步确定按照最后两遍振动碾压压沉值不超过3mm作为检验标准。
布点方法
每30m作一断面，每个断面选6个点（各点相距3m）作测量处，设置道钉。
测点布置见图4.2，采用水准仪测出标高并记录，压路机激振重压一遍（往返），再测一次标高并记录，得到一个压沉值。
当压沉值小于3mm时，认为路基压实度符合。
记录数据如表4.2。
图4.2测点布置图
表4.2各层压沉值表（每测点断面均按下表重复进行）
层数
点号
检测前读数/m
检测后读数/m
沉降值/mm
第一层
1
2
3
4
5
6
第二层
1
2
3
4
5
6
第三层
1
2
3
4
5
6
通过以上试验段三层施工的数据结果并加以分析，得出结论。
例如每层的松铺厚度应控制在多少得出的沉降值最小、得出碾压机具的最佳组合及遍数。
（3）结合碾压后干密度的方法进行分析：
①层厚60cm压实实验
表4.3层厚60cm压实检测结果
碾压遍数
0～2
2～4
4～6
6～8
压沉值mm
压实干密度g/cm2
②层厚50cm压实实验
表4.4层厚50cm压实检测结果
碾压遍数
0～2
2～4
4～6
6～8
压沉值mm
压实干密度g/cm2
③层厚40cm压实实验
表4.4层厚40cm压实检测结果
碾压遍数
0～2
2～4
4～6
6～8
压沉值mm
压实干密度g/cm2
注：
以上各表中的沉降值和压实干密度均为各次试验所得到得平均值。
4.3施工工艺与质量控制试验分析
由表4.2至4.4试验段碾压测试的数据结果分析，可以得出试验段填石路堤的密实度、压实机械、松铺厚度、碾压遍数等因素之间的影响关系，并得出相应的质量控制指标，最后得出最佳的施工方法。
5填石路堤施工工艺与质量控制
在总结试验段施工与质量控制的体系的基础上，课题组提出了针对填石路堤的施工工艺和质量控制体系：
（1）填石路堤施工准备与试验；
（2）填石路堤施工工艺；
（3）填石路堤质量控制。
5.1填石路堤施工准备
5.1.1施工准备
（1）在全面熟悉设计文件的基础上，进行现场校队和施工调查，发现问题应及时根据有关程序提出修改意见并报请变更设计。
施工前应进行的主要调查内容为：
①工程范围内的地形、地质、水文和地面排水情况；②工程范围内的交通和地上、地下构筑物以及公用管线情况；③施工现场的供水、供电、以及场内外的填料运输线路情况等；④路堤填石料类型是否与设计一致。
（2）安排好施工现场防、排水措施，清理路堤基底；
（3）按照施工所采用的填料类型安排相应的施工机械；
（4）针对不同的填石性质确定相应的爆破参数和方法获得较为理想的填料粒径分布。
5.2填石路堤施工工艺
由试验段实际施工，验证课题组前文所提出的施工工艺流程是否可行，若达到技术要求则进行下一层填筑，否则调整施工参数重新进行碾压。
在填石路堤施工中应注意以下几点：
（1）填石料摊铺整平方法的选择；
（2）剔除超粒径填料、补充细料、人工找平；
（3）碾压施工；
（4）碾压质量控制。
检测原地面压实度
自卸车卸填料
推土机摊铺填料
光轮振动压路机静压
拖式振动碾压
检测沉降值
地表清理及填前碾压
进行下一层填筑
光轮振动压路机振压、静压
控制碾压变数
控制碾压变数
控制碾压变数
控制平整度
不
合
格
测量恢复
线路中桩
图5.1填石路堤施工工艺
5.3填石路堤质量控制体系
在试验段填石路堤工程施工的基础上，课题组将会提出适用于填石路堤的质量控制体系：
（1）针对地质情况和现场开挖试验，提出相应的填石料开完工艺方案，确定爆破方法和参数；
（2）是否建议采用大吨位振动压路机械，以达到较高的压实度；
（3）基于所采用的施工机械，进行更多种组合进行填筑试验，参照压实干密度和压沉值法检测数据，确定施工工艺和质量控制体系；
（4）按照填筑试验所确定的施工参数确定施工方案，应用所确定的检测标准对填筑质量进行检测检验。
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