农村公路砂改油工程设计与施工技术的应用

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　摘 要：针对我省农村公路砂改油工程存在的设计单一问题，作者提出了基层结构多元化设计理念，对很少采用的天然砂砾和填隙碎石基层结构列举了成功的应用实例，作者用多年在县乡公路砂改油工程施工监理工作中的实践经验，详细阐述了天然砂砾和填隙碎石在基层施工应用中的优势和施工方法，提出了常用的水泥稳定碎石基层施工应注意的问题，对容易被忽视的公路排水问题，路基补强问题以及沥青油面层施工技术问题与大家进行经验交流和探讨。

　　关键词：农村公路；砂改油工程；设计与施工；技术应用

　　农村公路的概念应是服务于农业生产和农村社会经济发展的公路，从这个意义上说，农村公路指的就是县道和乡道，上等级的村道也应包涵在农村公路的范畴。改革开放以来，随着国民经济的高速发展，县乡公路通车里程也在迅速增加，为适应交通和农村社会经济发展的需要，充分发挥公路的路网功能，必须提高现有县乡公路的路面等级和服务水平。将传统的砂石路面改造成沥青路面是经济合理和现实的选择。

　　按公路分级管理制度划分，县乡公路属地方性公路，由地方政府的交通主管部门负责管理。长期以来，我省县乡公路的管理还处于各自为政的松散状态，建设资金有限，普遍缺乏有公路施工和管理经验的工程技术人材，机械设备缺乏又不配套，对县乡公路的设计、施工和管理都不规范，这种现状对县乡公路的砂改油工程质量和进度造成了不同程度的影响，也不能适应当前农村公路建设发展的形势。因此，针对县乡公路不同于国省道的特点，提高砂改油工程设计与施工技术的应用水平，保证砂改油工程的顺利实施，是值得引起县乡公路各级管理部门高度重视的一个问题。十多年来，我在砂改油工程特别是县际和县到乡镇公路砂改油工程的监理工作实践中，对工程设计如何更加科学，如何因地制宜合理选择基层结构和材料，如何保证工程进度和施工质量有比较深刻的体会，也积累了一些经验。在此，我非常高兴与从事农村公路建设事业的同仁们就有关砂改油工程设计和施工技术应用问题进行交流和探讨。

　　1、路面基层结构设计应多元化

　　目前，我省县乡公路砂改油工程的路面基层结构非常单一，一般都采用水泥稳定碎石，对设计部门来说这种基层结构符合设计规范，能保证结构安全，可以说是四平八稳，不用承担设计风险。如果从降低工程造价，加快施工进度，减少机械设备的购置，充分利用当地材料和施工操作简便等层面上考虑，我认为还可以选择级配碎（砾）石，填隙碎石和天然砂砾作基层。也同样是现行《公路路面基层施工技术规范》所允许使用的基层结构，它具有更多适应农村公路砂改油工程现状的优势。如每公里可节省水泥100多吨，不需要生产水稳材料的拌和机械及配套的发电动力设备，可全天候施工，可充分利用当地廉价的路用材料资源，能加快施工进度，这对施工周期很短的油路施工都是非常有利的。

　　基层施工质量是砂改油工程成败的关键因素，而基层结构设计必定涉及到基层材料的选择。大家都知道，基层材料费用在砂改油工程费用中所占的比重是很大的，油路施工季节性很强，不可能在冬雨季和低温天气施工，如果采用沥青表面处治层铺法施工，九月底就必须停止洒油，施工工期非常有限，一般工期集中在七、八、九三个月就必须完成油路施工任务。虽采用热拌沥青混合料机拌机摊施工，也不宜拖延到十月底以后。如何将工程进度、质量和造价达到统一协调，适应县乡公路砂改油工程正常运行，这常常是困扰县乡公路业主和工程承包人的一个难题。作者认为，只要是公路规范允许使用的各种基层结构，通过经济分析比较后，选择造价最低、取料方便、施工简便的基层结构最合理。要做到这一点就要求设计人员深入工程项目实施现场，对当地的水文地质条件和材料进行详细勘察了解，不断掌握和积累各种不同基层结构的施工技术和经验，不能因缺乏对某些材料的施工应用技术和经验而随意放弃这种基层结构设计，更不能因施工工艺不当而遭到失败就因噎废食，归结为这种基层结构和材料不适用甚至封杀。也不能不考虑县乡公路与国省道和高等级公路的差别而生搬硬套国省道和高等级公路的设计标准和施工技术要求，我想这也是目前县乡公路基层结构缺乏多元化设计的重要原因。

　　2、天然砂砾在基层施工中的应用实例

　　提到天然砂砾，人们的第一反应就是“一盘散沙”，总想没有水泥、石灰、粘土等有机质作结合料，纯天然砂砾怎么会形成一个板结的、具有较好强度的整体结构层，这种先入为主的概念使很多“公路人”不敢涉足用天然砂砾作基层。尽管现行《公路路面基层施工技术规范》明文规定了列入级配砂砾范畴的天然砂砾可做二级和二级以下公路基层以及各级公路的底基层，但现实中很少有人推广使用。为什么天然砂砾能形成一个整体性好、强度高的结构层？我认为天然砂砾基层密实的作用原理是靠细集料将粗集料间的空隙填满，将粗集料紧紧包裹，而细集料之间的摩阻力极大，不同粒径砾石之间也存在很大的摩阻力，在摩阻力相互作用下，使天然砂砾形成了一个高强度整体结构。生活中大家有这样的经验，在大米中放置的鸡蛋，尽管鸡蛋光滑溜园，但要将大米包裹中的鸡蛋取出来很困难，必须将鸡蛋周围大部分大米抠掉才能取出鸡蛋，这与天然砂砾稳定原理是相同的，天然砂砾摩阻力稳定与级配碎石的嵌锁稳定其作用原理是有区别的。

　　一九八九年和一九九○年我担任零陵地区（现永州市）国道322线公路改造工程施工监理，八九年从黎家坪至祁阳县城路段的改造工程设计采用灰土碎石基层结构，由于湘南多雨，地下水丰富，而灰土碎石水稳性差，很显然，该路段在地面水和地下水的频繁作用下对水稳性差的基层是一个致命的威胁，不久便出现了基层变形，造成油面网裂破坏。第二年从祁阳县城到接履桥40余公里砂改油工程，作者建议采用水稳性好的天然砂砾作基层，油面层为热拌沥的基层是一个致命的威胁，不久便出现了基层变形，造成油面网裂破坏。第二年从祁阳县城到接履桥40余公里砂改油工程，作者建议采用水稳性好的天然砂砾作基层，油面层为热拌沥青混合料机拌机摊施工，结果该路段成为该地区质量最好的一段路，被誉为零陵地区的“王牌路”。

　　一九九一年，作者负责桃源县杨溪桥至茶庵铺国道319线的路面改造工程的监理工作，当时全省砂改油工程基层很少采用水泥稳定碎石结构，而多是用石灰稳定土作基层。油面层还是 用传统的铺法进行沥青表面处治施工。临近八月底，茶庵铺路段还有3.7公里因碎石告馨而完不成基层施工任务，临时加工碎石已无法在洒油季节结束之前满足基层铺装要求。作者经过调查，发现离茶庵铺三公里的三元潭有一个天然砂砾贮量丰富的大沙滩，其砂砾质量比国道322线改造工程中所用的砂砾还要好，即要求业主改用天然砂砾作基层，而该地区曾因采用天然砂砾结构进行基层施工遭到过失败，因此公路技术主管部门禁止采用这种结构。作者根据国道322的施工经验，说服了项目主管部门同意采用天然砂砾材料进行基层施工，并亲自指导施工，结果该段油路在通车营运的十年中一直保持良好的路况，远远超过沥青表处路面的设计使用寿命。

　　2001年，作者担任龙山县里耶至洗洛县道第一期40公里砂改油工程的工程总监，全路段基层设计为水稳碎石。里耶至麦子坪标段12公里严重缺乏加工碎石的石料，施工单位到七月中旬才进场，又未预先进行备料，按计划全路段需要碎石两万余立方米，外购碎石价格达50元/m3左右，远远超过施工预算价格，而且也满足不了施工需要量，施工单位担心工程亏损和不能按期完成施工任务，准备退出该标段的施工。经考察，里耶大桥上游酋水河中有一个巨大的河洲，河洲上的砂砾不仅质量优良，而且是取之不尽。作者即向业主建议，将水稳碎石变更为天然砂砾，业主积极支持我的变更建议。为当地修公路采集天然砂砾无需交纳采购费，因此施工单位积极性很高，很快施工单位就调集了60多台东风自卸车，日夜装运天然砂砾到施工现场，仅一个多月就完成了12公里的基层铺装施工任务。该标段砂改油工程不仅按期完成施工任务，而且质量良好，即减轻了业主的投资压力，也使施工单位获得较好的经济效益。

　　2004年，作者担任沅陵县县道北溶至大合坪三、四标段18公里砂改油工程的施工监理，基层原设计为水稳碎石，由于施工单位进场迟缓，同样面临碎石料源紧缺、工期紧迫的问题，作为省委为民办八件实事之一的农村公路改造计划，这项砂改油工程必须要在当年完成。如何能够按计划完成这一工程任务，业主和施工单位也拿不出好办法，感到压力很大。北大线三、四标路段基本是沿河公路，沿河溪有不少沙滩，作者对沙滩上的砂砾进行了抽样检测，其压碎值、级配、粒径及含泥量都符合基层材料质量要求。即书面向业主建议变更为天然砂砾基层结构，当时地区交通主管部门对这种材料的应用缺少经验，担心施工失败，作者用多年的施工实践经验证明了它的可行性和安全性，也得到业主的信任和支持，同意了变更建议。实施结果证明，采用天然砂砾作基层不仅造价低廉，质量良好，也满足了工期要求，当年按时完成了砂改油工程项目实施计划。

　　天然砂砾的优点非常突出：

　　①、它不需要水泥作稳定结合料，可减少水泥费用；

　　②、它无需开采片石和加工碎石，可免除采石和碎石加工机械，也不用担心开采片石进行爆破带来的危险；

　　③、河滩的天然砂砾贮量都比较丰富，完全能保证基层施工砾石的及时供应，对加快施工进度非常有利；

　　④、天然砂砾为国家资源，不属私人所有，修建当地公路都无需支付采购费用，可大大降低工程造价；

　　⑤、天然砂砾可从河滩取料地点直接运送到施工现场进行摊铺，无需水稳碎石的多次转运所增加的运输成本；

　　⑥、可全天候施工，雨天施工还可节省洒水车台班费；

　　⑦、天然砂砾是良好的透水材料，不怕水的浸泡，因此水稳性极好；

　　⑧、天然砂砾基层强度高，洒水碾压密实后弯沉值都在40以下，远远小于基层的设计弯沉值；

　　⑨、天然砂砾基层施工简便，容易操作。

　　3、天然砂砾基层施工技术要点

　　如果没有掌握好天然砂砾基层的施工技术，也有可能变成“一盘散沙” 。天然砂砾基层施工成败关键在于是否能掌握好级配、压实厚度、含泥量和洒水碾压方法几个环节。

　　3.1 级配：天然砂砾必须要有级配，不能采用单一粒径的粗集料或细集料。砂砾最大粒径应控制在6cm以下，10～0.6mm的细集料含量不宜少于1/3，在摊铺时要随时将大于10cm的粗砾石清除。

　　3.2 含泥量：天然砂砾严禁夹带潮泥和土块，含泥量不得大于5%，含泥量越小越好，因潮泥和土块对水有极强的亲和性，遇水就会吸收使其发软，泥土一旦吸水饱和，水份则很难从基层中蒸发掉，这样会形成基层软弹，严重降低基层强度（由风化岩形成的扁平状天然砂砾因压碎值和含泥量大，不能做基层结构材料）。

　　3.3 压实厚度：天然砂砾压实厚度不宜小于20cm，最好在25cm以上，足够的压实厚度可满足细集料对粗集料的层层包裹作用，可增加集料相互间的摩阻力，提高基层的密实与强度。

　　3.4 摊铺：天然砂砾摊铺时要避免粗细集料的离析与窝集，不能用箢箕装料撒铺，也不能用锄耙将集料反复刮耙。尽可能将粗集料置于底层，细集料置于面层，这有利于洒水振动碾压时细集料充分填隙的作用。

　　3.5 洒水碾压：天然砂砾摊铺完成后的洒水碾压是一个重要施工环节，如何克服“一盘散沙”的现象，关键在洒水振动碾压的方法上。基层摊铺成型后，用压路机先进行一次稳定砂砾的静压，然后洒水车以5km/h的行进速度在前面洒水，振动压路机距洒水车后面3m左右以同一行进速度进行振动碾压，通过水流和振动作用，细砂会随水流渗透到基层的所有孔隙中，使基层密实。碾压时如表面露出较多粗集料就随时添加细集料，直到细砂随水流不再下渗，并填满表面砾石缝隙直到平整为止。

　　3.6 路肩处治：天然砂砾未压实前基层两侧砂砾处于松散状态，为避免基层两侧砾石遭到无侧限挤压而坍塌，摊铺前最好按松铺厚度培填好土路肩，也可采用浆砌片石或低标号片石砼浇筑与设计厚度标高一致的路缘石，路缘石宽度不宜小于25cm，有一定的侧向抗弯强度，路缘石应埋置在基层底面以下10-20cm。为便于施工排水，土路肩或路缘石底面以下每距10cm左右应设置施工排水盲沟，盲沟断面深30cm，宽30cm，内填无级配的粗砾石或粗碎石，排水方向应朝向基层外边坡一侧，不能朝向水沟一侧排水；

　　3.7 施工后的过程养护：天然砂砾基层施工完毕后，在表面湿润情况下，可铺撒一层掺有少量水泥的中粗砂，用扫帚扫匀，这样会使表面即坚硬又紧密平整，开放交通也不会松散，可减轻养护的压力。

　　4、填隙碎石基层结构

　　级配碎石对级配要求高，在低等级的县乡公路砂改油工程中，真正采用这种基层结构的很少，因碎石加工难以按照级配碎石粒径要求进行生产和筛分。设计为级配碎石的基层，施工时往往就会因达不到级配要求而变成类似填隙碎石的基层结构。

　　填隙碎石最大粒径可到6cm左右，粗粒径碎石容易加工，碎石生产进度快，造价低，在农村公路砂改油工程中实用性强。顾名思义，填隙碎石基层施工最重要的是充分的填隙，使其达到压实度要求。填隙材料虽可用中粗沙，但以加工碎石筛余的石屑技术性能最好，因碎石与石屑的吸附和粘结性最强。在石屑填满碎石孔隙后形成的摩阻力与碎石的嵌锁力共同作用下，就形成了一个整体强度高的基层结构，它同样具有水稳性和温稳性好的特点。一九九九年至二○○二年，沅陵县官庄至五强溪50公里砂改油工程我先后担任工程技术顾问和监理工程师。全线采用填隙碎石基层和人拌人摊与机拌人摊沥青表处油面层施工，第一期工程已通车营运6年，最近一期工程也通车营运了3年，路面情况良好，今年五月份官五公路全线50公里通过了省公路局的竣工验收。

　　填隙碎石在洒水振动碾压时，要随时将石屑撒布在碎石面层上,使石屑不断填充到孔隙中，直到石屑不再下渗，并将表层碎石缝隙填满为止。填隙碎石压实厚度一般不宜小于15cm，不能用风化岩加工碎石，压碎值和含泥量应符合规范要求。

　　5、水稳碎石基层施工应注意的几个问题

　　水稳碎石是目前县乡公路砂改油工程中广泛使用的一种基层结构。2003年龙山里龙公路第二期砂改油工程桂圹至麦子坪70公里都是采用水稳碎石作基层，我在监理工作实践中，对如何保证施工质量总结了几条经验：

　　①碎石粒径最大不超过37.5cm，粒径越小对碾压密实越有利。细集料不应少于整个集料的1/3，细集料太少难以充满碎石空隙，很难达到压实度要求，因此在加工碎石这一环节上粒径要尽可能小一些。加工最大粒径为31.5mm的碎石混合料中已含有足够的细集料，可满足水稳碎石级配和填隙的要求。

　　②水稳碎石基层要用振动压路机进行碾压，用钢轮压路机碾压效果差；

　　③水稳碎石基层碾压完毕，可在面层上洒水湿润后铺撒一层石屑，扫匀将表面碎石缝隙填平，但石屑不能形成单独的结构层，经行车碾压使表面平整密实不易松散。

　　6、路基补强问题

　　县乡公路砂改油工程基本上是在原砂路基础上进行的，如果砂路路基承载力较弱，会直接影响基层的整体强度。因此，在砂改油之前，应对砂路全线进行一次弯沉值检测，如不符合设计要求就要彻底进行补强，那种“路基不强基层补，基层不强油面补”的认识和作法是错误的。路基补强可用增加一个天然砂砾或填隙碎石结构底基层的方法进行。过去县乡公路路基补强习惯采用手摆片石，如今这种落后的传统施工工艺并未完全摒弃。手摆片石直径一般都在15～20cm，有人总以为石头越大越结实，而对片石之间的大空隙如何填充密实很不重视，在未完全填充密实情况下，汽车行驶动荷载和渗水作用，很容易使大孔隙率的手摆片石摇松变形，手摆片石间的空隙届时变成了“贮水仓”，浸泡路基，使其变软沉陷，并引起唧泥，使补强层丧失它的补强功能。这样会直接影响到基层强度和油面层的稳定性。

　　7、排水问题

　　公路上出现的病害，大多与水的作用有关系，例如暴雨迳流会导致水毁，轻者冲刷路肩和边坡，重者冲毁路基和桥涵；积水的渗透同毛细水上升会使路基上层湿软乃至沉陷；毛细水上升及负温差的影响，对水文地质不良地段易产生路基翻浆等。施工排水不畅同样也会泡软路基。要保证路基经常处于干燥、坚固和稳定状态，就必须设置合理的排水系统。如何防治水害，这是砂改油工程施工首先应予考虑和解决的技术问题。

　　7.1 地表排水：地表水主要来源于天然降水和线路附近流向路基范围内的水流。山区山恋连绵，坡沟纵横，雨水汇流集中，迳流量和流速大，应尽可能在天然沟槽低洼处设置涵洞，涵洞布置位置和过水截面尺寸都必须满足地表水的最大迳流量的顺利排放。边沟型式、断面尺寸以及纵坡大小的选择也应满足地面水在公路路基两侧不滞留，对路基、路面和构造物不造成冲刷和破坏，保证排水设施的稳定和安全使用。引水沟渠设置应尽可能适应天然水流状态，这样能节省工程投资，取得事半功倍的效果。路基坡面上如无植被覆盖，易遭雨水冲刷容易引起塌方，尽可能栽种草皮、刺槐或根系发达，生长较快，枝叶繁茂的植物进行坡面防治。水流通过陡坡地段时应设置跌水和急流槽。防止水流对路基的冲刷。

　　7.2 地下排水：地下水主要来源于①从地面渗入尚未达下层的上层滞水；②在地下经常性的潜水；③沿岩层裂隙流动的裂隙水；④在裂隙破碎沉积岩中静止的层间裂隙

　　隙水。为何在垭口地带岩基上修建的油路容易遭到破坏，而相邻填方地段的土质路基上修建的油路面反而无水害的表现？这种现象人们很不理解。切方地段尽管是岩基，而岩层的裂隙水容易浸入到沥青与集料的界面上，由于水的动力作用，沥青膜逐渐从集料表面剥落，破坏了集料的粘结力而使油面逐渐遭到破坏。如果遇到沿岩层流动的裂隙水，其路堑愈深，渗透水压力愈大，对油面破坏越强烈，这是垭口岩基地段油路容易遭到破坏的原因所在。为此，必须设置地下排水设施暗管、渗沟（或称暗沟、盲沟）渗水井等。在县乡公路施工中，以设置盲沟最简单实用。

　　7.3 施工排水：施工时地表水可采取临时性导流的方法将水引开，使之不影响施工为原则。对施工需大量洒水的排水必须在基层底面以下设置排水盲沟，不能让施工用水滞留在基层中，使下渗的水彻底排出路基以外。

　　8、热拌沥青混合料面层施工问题

　　沥青表面处治层铺法施工弊病多，现在都不再采用这种油面结构和施工工艺。现在常采用的面层结构为热拌沥青混合料，用机械拌和和机械摊铺，这种面层结构和施工工艺能较好的控制油石比、厚度、密实度和平整度，而且无需返油和成型期，施工期可延长到十月底。

　　热拌沥青混合料面层施工应着重注意以下环节：

　　8.1下封层施工：无论哪种基层结构在洒封层油之前必须对路面进行彻底清扫，清扫前必须洒水，否则无法将路面浮土灰尘清扫干净，甚至越扫灰尘越多。如洒油前路面处于干燥状态，必须在洒油前20-30分钟洒水湿润路面，但路面不能有明水。这时洒油其沥青覆盖的均匀度和与基层集料的粘着力最好。下封层厚度1cm比较合适。所用油砂一定要将粉料筛除，沥青表面若覆盖了粉尘会严重影响油砂与沥青的嵌入和粘接。下封层也起到粘层作用，可用140～160号石油沥青，下封层无必要用100号道路石油沥青。

　　8.2 对矿料的要求：县乡公路油面层采用3cm厚细粒石拌和料能满足封水和油面稳定耐磨耗的要求。拌和料的级配要符合要求，矿料中细集料的比重要大，因细集料不足就孔隙率大，碾压后达不到油面层的密实要求。

　　8.3 拌和、摊铺和碾压：沥青混合料拌和时关键要控制好油石比和拌和温度，温度太低则矿料与沥青混合不均匀，碾压时沥青混合料延展性差，难以碾压密实。温度太高会出现沥青老化而延度降低，甚至烧焦变为废料。出炉温度控制在150-160。C为宜。摊铺松铺厚度控制最好用两根厚为松铺厚度，长为摊铺机熨平板宽度的木枋，在摊铺准备作业前，垫在熨平板下，用此固定熨平板离基层顶面的高度，摊铺作业时无需反复调整松铺厚度，这样才能保证沥青混合料面层的压实厚度。拌和料摊铺后及时进行碾压，温度高拌和料延展性最好，碾压容易密实，不必担心因碾压时油面变形而等待温度降低后再去碾压，压路机最好用钢轮压路机，因轮胎压路机容易出现轮胎压痕，影响油面平整度。

　　9、结束语

　　砂改油工程表面看是一个单纯的路面改造问题，其实不然，它是一项系统工程。在理论知识方面，要熟悉掌握很多设计与施工技术规范；设计人员要对工程项目进行详细勘察了解，制定合理的设计方案。施工前期，施工单位要进行一系列的材料标准试验；施工过程中每一道工序都要执行有关施工技术操作规程，每完成一道工序都要严格进行质量检验和评定，并随时处理好种种复杂的技术问题。为此，公路工程设计人员和施工技术人员必须不断地提高自身素质，运用自己的才智，努力使砂改油工程的路面坚实、平整、稳定、耐久，使其取得应有的经济效益和社会效益，为农村公路建设做出更大贡献。