軟土地基強夯碎石墩施工方案及定額測定

李 準 徐 濤 顏 歡

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

軟土地基在我國分布十分廣泛，其承載力低、強度增長緩慢、加荷后宜變形且不均勻的特點，往往造成路堤沉陷、塌方等病害，因此，合理確定軟土地基處理措施是鐵路設計與施工的重要環(huán)節(jié)。碎石墩法是以塊石、碎石或砂礫為主要材料，制成復合地基的柱狀砂石墩，對軟土起到置換、擠密和促進排水固結的作用。廣泛應用于軟基地基的處理工程中。然而，在鐵路現(xiàn)行路基工程的預算定額中，并沒有碎石墩的定額。投資計算中往往只能采用碎石樁的定額編制費用，未考慮兩者工法、工藝等因素區(qū)別，造成實際施工成本與預算費用差異較大。本文以新建玉磨鐵路普洱車站地基處理工程施工為依托，分析碎石墩與碎石樁的差異，結合具體施工實際，研究施工技術，對該工點強夯碎石墩工料機消耗進行測定，補充相應定額，為完善同類工程的概預算編制定額體系奠定基礎。

1 項目概況

新建玉溪至磨憨鐵路普洱車站DK 269+630～DK 269+975范圍內(nèi)原為水庫，該工點基底軟土分布較厚，主要為淤泥質土、淤泥、軟粉質粘土和軟塑狀粉質粘土等，厚度最大達12 m。設計采用直徑1.5 m的強夯碎石墩加固，正三角形布置，墩間距2.8～3.0 m，加固寬度為路堤坡腳外3.0 m[1]。施工完畢后，在頂面鋪設0.6 m厚碎石墊層夾兩層80 kN/m雙向土工格柵，再施工路堤本體填筑。

2 碎石墩與碎石樁的差異分析

本文首先研究碎石墩與碎石樁的施工工藝及施工要點，然后對兩者的差異進行分析，以期找到兩者的共同點與不同點。

2.1 碎石樁施工工藝和技術要求

2.1.1碎石樁的施工工藝

碎石樁成樁可采用振沖法或沉管法，樁徑通常有0.3 m、0.5 m、和0.8 m等規(guī)格，沉管法包括振動沉管成樁法和錘擊沉管成樁法。用于消除地基砂土及粉土液化時,宜釆用振動沉管成樁法。處理不排水抗剪強度小于20 kPa的飽和黏性土地基時,應在施工前通過現(xiàn)場試驗確定其適用性。

(1)振沖碎石樁施工流程：平整場地→布置樁位→機具就位→啟動供水泵和振沖器→造孔至設計深度→清孔→加料振密制樁→逐段成樁至樁頂→關閉振沖器和水泵→機具移至下一樁位。

(2)振動沉管碎石樁施工流程：平整場地→布置樁位→機具就位→振動沉管至設計深度→加料→拔管,反插,停拔振動后再拔管,重復循環(huán)施工至樁頂→加壓成樁→機具移至下一樁位。

(3)錘擊沉管碎石樁施工流程：平整場地→布置樁位→機具就位→投石制塞→內(nèi)擊沉管至設計深度→分段填沖(拔管、加料、沖夯,循環(huán)往復至成樁)→機具移至下一樁位。

2.1.2碎石樁的施工技術要求

(1)碎石樁施工順序

對砂土和粉土地基中以擠密為主的碎石樁宜從外圍或兩側向中間進行，中間的樁間隔(跳打)施工；對黏性土地基中以置換為主的碎石樁宜從中間向外圍或隔排施工，同一排中也宜間隔施工；鄰近既有建(構)筑物施工時，應背離建(構)筑物方向進行。

(2)振沖碎石樁施工技術要求

首先，根據(jù)設計荷載、原土強度、設計樁長等條件選用不同功率的振沖器。升降振沖器的機械可用起重機、自行井架式施工平車或其他合適的設備。施工設備應配有電流、電壓和留振時間自動信號儀表。其次，施工現(xiàn)場應事先開設泥水排放系統(tǒng)，或組織好運漿車輛將泥漿運至預先安排的存放地點，宜設置沉淀池重復使用上部清水。最后，制樁過程中，各段樁體最終電流值、填料量和留振時間等均應符合試樁要求。

(3)沉管碎石樁施工技術要求

首先，選用能順利出料和有效擠壓樁孔內(nèi)填料的樁尖結構。當采用活瓣樁靴時，對砂土和粉土地基宜選用尖錐型，對黏性土地基宜選用平底型。一次性樁尖可采用混凝土錐形樁尖。其次，振動沉管法制樁過程中應嚴格控制拔管高度、拔管速度、壓管次數(shù)和時間、填砂石量、電機工作電流，保證樁體連續(xù)、均勻、密實。再次，錘擊沉管法制樁過程中應根據(jù)沖擊錘的能量控制拔管高度、分段填砂石量、貫入度保證樁體質量。除此以外，當實際灌碎石量沒有達到試樁要求時，應在原位將樁管打入，補充碎石后復打一次，或在旁邊補樁。最后，施工中樁位水平偏差不大于0.3倍套管外徑，套管垂直度偏差不大于1%，樁體有效直徑振動沉管法允許偏差20 m。

(4)樁體施工完畢后，應將地表以下的松散土層挖除或夯壓密實，再鋪設墊層。

2.2 碎石墩施工工藝和技術要求

2.2.1碎石墩的施工工藝

碎石墩強夯單擊采用6 000 kN/m的單夯能，碎石墩完成后所需滿夯的夯擊能500 kN/m，塊石墊層厚度60 cm，局部軟弱地段適當加厚。落距由5 m逐漸提升至 6 000 kN/m能級高度，過程中提升均勻，提升速度不超過10 min/m。當夯坑超過2 m深或提錘困難時及時填料，采用裝載機利用夯錘掛鉤及提升至高于地面3 m時間進行填料。收樁最后兩次夯沉量不得大于5 cm，一遍和二遍夯擊間隔時間2～3 d。低能滿夯夯印彼此搭接面積不小于錘底加固面積的1/4，強夯碎石墩施工工藝流程如圖1所示。

圖1 強夯碎石墩施工工藝流程圖

具體步驟如下：

(1)清理并平整施工場地，標出夯點位置。施工前應先做好該施工區(qū)內(nèi)的臨時截排水設施，避免雨水浸泡。

(2)施工前，應在施工現(xiàn)場有代表性的場地上選取一個試驗區(qū)，進行工藝試驗，以確定強夯的單擊夯擊能量、夯完后檢查夯坑位置，發(fā)現(xiàn)偏差和漏夯應及時糾正；按設計要求檢查每個夯點的夯擊次數(shù)和夯沉量。

(3)強夯碎石墩特指單夯工序的工程，夯點施工前，應檢查夯錘重和落距，以確保單擊夯擊能量符合設計要求；在每遍夯擊前，應對夯點放線進行復核，夯完后檢查夯坑位置，發(fā)現(xiàn)偏差和漏夯應及時糾正。

(4)按由內(nèi)而外，隔行跳打原則完成單夯施工。

(5)碎石墩強夯完成后，推平場地，用低能量滿夯，將場地表層松土夯實，并測量夯后場地高程。

(6)地表鋪設0.6 m厚中粗砂夾兩層土工格柵，并分層碾壓密實，完成全部填筑工作。

2.2.2碎石墩的施工技術要求

碎石墩施工技術要求如下：

(1)開夯前應檢查夯錘重和落距，以確保單擊夯擊能量符合設計要求。

(2)夯錘底面宜采用圓形，夯錘底靜接地壓力值可取100～120 kPa。

(3)強夯碎石墩施打順序宜由內(nèi)向外，隔孔分序跳打，逐一完成全部墩位的前工。

(4)強夯碎石墩施工允許偏差控制：高程允許偏差±50 m，墩間距允許偏差±0.1D(D為夯錘直徑)，墩直徑不小于設計值。

(5)滿夯時搭接面積不小于加固面積的1/4。

(6)每個夯點的夯擊次數(shù)、每擊的夯沉量、夯擊間隔時間及施工步驟應符合工藝試驗成果。

(7)夯擊施工中，因坑底傾斜而造成夯錘歪斜時，應及時平整坑底。當夯坑過深而發(fā)生起錘困難時應停夯，向坑內(nèi)填料直至坑頂平齊。

(8)在施工過程中對各項參數(shù)和施工情況進行詳細記錄。

(9)強夯碎石墩加固地基承載力和加固有效深度及置換深度應滿足設計要求。

2.3 差異分析

(1)從施工工藝來看，碎石樁施工方式較多，設備選擇靈活，施工效率較高，適用性較強，但從原理來看，與碎石墩基本一致，均采用沖擊的方式形成工程實體。但在成樁規(guī)格方面，兩者存在較大區(qū)別，碎石墩通常尺寸較大，直徑基本在1.0 m以上，而碎石樁直徑一般在1.0 m以內(nèi)。因規(guī)格不同，為滿足沖擊力要求，沖擊機械也相應發(fā)生變化。強夯碎石墩與碎石樁設備對比如表1所示。

表1 強夯碎石墩與碎石樁設備對比表

(2)從適用條件來看，碎石墩主要用于處理高飽和度黏性土地基，而碎石樁可用于處理松散砂土、粉土、粉質粘土、素填土、雜填土、松軟土等地基以及可液化地基。

(3)從技術要求來看，碎石墩較碎石樁技術要求更復雜，技術難度更大，在夯錘底靜接地壓力、允許偏差、搭接面積、夯擊工序等方面均有具體要求。這導致兩者的工效差異也較大，碎石墩每臺班施工約3.5根/35 m，碎石樁每臺班施工約80根/400 m，即碎石墩人工、機械消耗量均較碎石樁大。

現(xiàn)行路基定額按國家鐵路局發(fā)布的鐵建設〔2017〕33號“關于公布《鐵路工程基本定額》等十四項鐵路工程造價標準的公告”的路基定額執(zhí)行，其中“LY-358碎石樁φ80 cm”的定額基價為43.7元/m，其帶結尾的綜合單價約為97.5元/m。受軟土、淤泥厚度及飽和度的影響，碎石消耗量往往與定額考慮的樁徑的1.333系數(shù)存在一定差別，因此，本次測定不含碎石消耗的定額情況，“LY-358碎石樁φ80 cm”碎石樁不含碎石消耗的定額基價為20.4元/m，帶結尾的綜合單價約為32.6元/m。

3 定額測定數(shù)據(jù)測算與處理

3.1 定額測定方法

以現(xiàn)行路基定額為研究基礎，建立施工組織模型，采用寫實統(tǒng)計法和現(xiàn)場測定法，現(xiàn)場收集測定強夯碎石墩施工數(shù)據(jù)，對不同工序人工、材料、機械消耗進行寫實統(tǒng)計，并與碎石樁定額消耗進行對比，形成最終定額研究成果[2]。

3.2 工料機配置情況

(1)人員配置情況：除機上司機和其他操作人員外，還需要立尺、設備掛鉤2人，讀儀器、填寫施工記錄2人，現(xiàn)場帶班、指揮2人，共計6人。

(2)材料消耗情況：主要為一些零星材料使用，無主要材料消耗。

(3)機械使用情況：機械主要包括到強夯機≤6 000 kN/m和輪胎式裝載機≤2 m3，挖掘機和渣土車等配合作業(yè)機械可不考慮。

3.3 數(shù)據(jù)寫實測定情況

嚴格按照定額測定方法，對現(xiàn)場施工情況進行記錄，部分數(shù)據(jù)采集情況如表2所示。

表2 寫實施工記錄表

3.4 工料機消耗量確定

根據(jù)寫實施工記錄，以8 h作為一個臺班或工日，確定完成100 m碎石墩施工需設備工作時間2.625臺班，綜合考慮施工準備及后續(xù)工作時間，確定工作時間為2.8875臺班。結合人機配置情況，確定每100 m碎石墩人工消耗為17.325工日，強夯機 ≤6 000 kNm和輪胎式裝載機≤2 m3機械消耗為2.8875臺班。對零星材料使用綜合考慮后，每100 m碎石墩計列147.73元其他材料費。

4 定額測定結果與費用分析

4.1 人工和機械臺班單價確定

人工單價根據(jù)國家鐵路局TZJ 3001-2017I《鐵路基本建設工程設計概(預)算費用定額》[3]類工標準確定。機械臺班根據(jù)國家鐵路局TZJ 3004-2017《鐵路工程施工機具臺班費用定額》[4]確定。由于機具臺班費用定額中僅有“9105261 強夯機械 ≤1 200 kN/m”、“9105262 強夯機械 ≤2 000 kN/m”和“9105261 強夯機械≤3 000 kN/m”的定額，而本項目采用的是“強夯機械 ≤6 000 kN/m”，缺項機械臺班單價，需進行重新分析測定，可采用內(nèi)插類比法和臺班費要素分析法綜合確定[5]。

(1)內(nèi)插類比法

中國電力企業(yè)聯(lián)合會發(fā)布的《電力建設工程施工機械臺班費用定額》[6]中包含“強夯機械 3 000 kN/m”和“強夯機械 6 000 kN/m”的定額，兩者比例關系為1∶40，其機械臺班費用如表3所示。

表3 電力建設工程強夯機械臺班費用表

因此，本文以TZJ 3004-2017《鐵路工程施工機具臺班費用定額》中“9105261 強夯機械 ≤3 000 kN/m”的定額為基礎，結合《電力建設工程施工機械臺班費用定額》的臺班費用，采用內(nèi)插類比法，確定“強夯機械 ≤6 000 kN/m”臺班費用，計算結果如表4所示。

表4 強夯機械臺班內(nèi)插類比法計算結果表

(2)臺班費要素分析法

臺班費要素包括折舊費、檢修費、維護費、人工費和柴油油耗[7-8]。根據(jù)現(xiàn)場收集的機械銷售企業(yè)報價以及最終中標的機械價格，“強夯機械 ≤6 000 kN/m”的購置費用約為160萬元，耐用總臺班 2 700，從而確定折舊費為 1 600 000×(1-3%)/2 700=574.81元，檢修費為 1 600 000×0.36/2 700=213.33元，維護費為213.33×1.56=332.80元。人工費按2017年價格水平，人工70元/工日，共計2×70=140元。“強夯機 ≤6 000 kN/m”功率約為 194 kw，“9105261 強夯機械 ≤3 000 kN/m”功率為135 kw，柴油按2017年價格5.23元/kg計算，結合“9105261 強夯機械 ≤3 000 kN/m”的燃油消耗，可推算“強夯機 ≤6 000 kN/m”的柴油油耗約為122.22 kg。臺班費要素分析法的計算結果如表5所示。

表5 強夯機械臺班費要素分析法計算結果表

分析內(nèi)插類比法和臺班費要素分析法的計算結果，兩種差異在6%左右，但考慮到機械購置價格存在一定的市場行為，且內(nèi)插類比法的計算結果與電力建設工程定額更為接近，故本文按內(nèi)插類比法確定臺班單價，即“強夯機械 ≤6 000 kN/m”單價為 1 778.49元/臺班。

4.2 定額綜合單價分析

根據(jù)確定的工料機單價和消耗量，測定強夯碎石墩定額(不含碎石消耗)的綜合單價如表6所示。

表6 強夯碎石墩定額表(不含碎石消耗)

該結果合理確定了強夯碎石墩的工程投資，降低了施工過程中因概算編制失真引起的糾紛幾率，減少了工程驗工計價投資變化。

5 結束語

高飽和度的軟塑、流塑黏性土軟土地基是路基工程中地基處理的難點之一，采取合理的處理手段是確保施工安全，消除次生災害的關鍵環(huán)節(jié)，強夯碎石墩是解決該類問題的有效方法之一，應用廣泛。但現(xiàn)行鐵路工程路基定額中并沒有強夯碎石墩的相關定額，導致概預算人員無依據(jù)可用，費用計算不準確。為此，本文結合具體工程實例，對碎石墩和碎石樁的施工工藝、技術要求、工程消耗等進行比較，確定強夯碎石墩的施工參數(shù)和技術流程，并按照定額測定方法，測定工料機消耗，分析得出強夯碎石墩定額，可為類似工程概預算編制提供借鑒和處理思路。