郭 秋 金

(福州市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)有限公司,福建 福州 350108)

近年來(lái),我國(guó)早期修建的水泥混凝土路面逐漸達(dá)到設(shè)計(jì)年限,亟需對(duì)舊水泥混凝土路面進(jìn)行提升改造。常見(jiàn)的“白改黑”道路改造,雖然在改造完成初期能大幅度提高道路使用性能,但隨著車(chē)輛荷載的持續(xù)作用,舊面板病害處應(yīng)力集中,加鋪層出現(xiàn)反射裂縫[1]。共振碎石化技術(shù)是一種新的改造技術(shù),主要用于結(jié)構(gòu)性較差的舊水泥混凝土路面改造,防治反射裂縫效果顯著[2]。且舊路破碎之后可作為路面基層,直接加鋪瀝青混凝土面層,既能加快施工速度,又能促進(jìn)資源的再生利用[3]。

共振碎石化技術(shù)最早在2001年由美國(guó)RMI公司提出,我國(guó)于2005年將該技術(shù)應(yīng)用于上海3條試驗(yàn)路的修建,并對(duì)力學(xué)分析模型、設(shè)計(jì)方法、施工工藝與質(zhì)量控制等展開(kāi)研究[4-7]。王青海[8]采用有限元方法,分析了共振破碎中水泥混凝土路面的變形、破壞特征及不同因素對(duì)破碎效果的影響。劉亞琳[9]基于層狀彈性體系理論對(duì)比分析共振碎石化、多錘頭碎石化及沖擊破裂穩(wěn)固三種情況下加鋪層受力情況,結(jié)果表明共振碎石化技術(shù)優(yōu)于其余兩種技術(shù)。姜獻(xiàn)東[10]依托實(shí)體工程,多方面對(duì)比分析直接加鋪瀝青層、多錘頭破碎后加鋪水穩(wěn)層和瀝青層、共振破碎后加鋪瀝青3種改造方案,認(rèn)為共振碎石化技術(shù)從質(zhì)量、費(fèi)用及社會(huì)效益方面表現(xiàn)更優(yōu)。咼潤(rùn)華等[11]通過(guò)有限元方法分析共振碎石化后瀝青加鋪層裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子和疲勞壽命,發(fā)現(xiàn)共振碎石化技術(shù)顯著減小裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子,延長(zhǎng)瀝青加鋪層疲勞壽命。隨著共振碎石化技術(shù)的研究與推廣,全國(guó)各地相繼在舊水泥混凝土路面應(yīng)用共振碎石化技術(shù)并取得了良好的使用效果[12-14]。

上述研究主要針對(duì)共振碎石化技術(shù)的設(shè)計(jì)方法、施工質(zhì)量控制及使用效果等方面,但關(guān)于共振碎石化施工對(duì)周?chē)h(huán)境的振動(dòng)影響和所產(chǎn)生粉塵、噪聲污染的研究極少。尤其是城鎮(zhèn)舊水泥路面改造過(guò)程中,振動(dòng)施工可能會(huì)影響周?chē)ㄖ锖偷叵略O(shè)施的安全,施工時(shí)產(chǎn)生的粉塵和噪聲會(huì)嚴(yán)重影響周?chē)用竦恼Ｉ詈徒】?。因?如何界定共振碎石化施工的影響范圍,減小施工對(duì)周?chē)h(huán)境的不利影響,也是判斷共振碎石化技術(shù)適用性的關(guān)鍵。

鑒于此,依托福州某舊水泥混凝土路面改造工程,開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試,研究共振碎石化施工對(duì)周?chē)ㄖ锖偷叵鹿芫€的振動(dòng)影響程度,分析施工作業(yè)點(diǎn)產(chǎn)生的粉塵和噪聲污染隨施工距離的變化規(guī)律。研究結(jié)論可為共振碎石化技術(shù)在舊水泥混凝土路面改造工程中的安全文明施工控制提供理論依據(jù)。

1 工程概況

1.1 工程基本情況

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)依托于福州某舊路改造工程,原水泥路寬14 m,設(shè)計(jì)速度40 km/h,道路等級(jí)為次干路,雙向四車(chē)道,抗震設(shè)防烈度7度區(qū),設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10g。經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)營(yíng),在自然和汽車(chē)荷載的作用下,該路機(jī)動(dòng)車(chē)道多處路面出現(xiàn)多種病害,從現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況分析和統(tǒng)計(jì)可知,露骨、破碎、裂縫等是其主要病害。研究后決定采用共振碎石化技術(shù)進(jìn)行改造,碎石化后混凝土碎石層強(qiáng)度較高,可直接作為基層使用。

改造后路面結(jié)構(gòu)為:4 cm AC-13+6 cm AC-20C+8 cm ATB-25+玻纖格柵滿鋪(或路面加筋網(wǎng))+1 cm ES-3型稀漿封層+舊水泥路面碎石化。

1.2 工程難點(diǎn)

該工程旨在通過(guò)共振碎石化技術(shù)減少對(duì)現(xiàn)有交通影響的基礎(chǔ)上,提升路面的承載力、平整度以及耐久性,但面臨著以下難點(diǎn):

(1)該路屬于市政道路,兩側(cè)既有大量住房,道路下方及兩側(cè)管線眾多,難以確定共振碎石施工對(duì)周?chē)ㄖ锖凸芫€的影響。

(2)施工時(shí)不可避免產(chǎn)生揚(yáng)塵和噪聲,如何界定揚(yáng)塵和噪聲的影響范圍,并采取相應(yīng)降塵和降噪措施。

2 動(dòng)力與環(huán)境測(cè)試方案

2.1 振動(dòng)速度測(cè)試

當(dāng)共振破碎機(jī)的振動(dòng)錘頭開(kāi)始接觸水泥路面板時(shí),錘頭發(fā)出持續(xù)激振作用,項(xiàng)目沿線周邊建筑物可能受到程度不同影響,造成周邊一定距離建筑物的損壞。為研究共振破碎機(jī)作業(yè)對(duì)沿線不同距離處建筑物的影響,在距振源不同位置的地面上布置傳感器,采用加速度傳感器采集地表處加速度時(shí)程曲線,得到振動(dòng)加速度隨碎石機(jī)作業(yè)距離增加的衰減規(guī)律,可確定共振碎石化施工作業(yè)面距周邊建筑物的水平安全距離。

圖1為加速度傳感器測(cè)點(diǎn)布置示意圖,測(cè)點(diǎn)總長(zhǎng)度為20 m,由于共振破碎機(jī)無(wú)法在同一點(diǎn)重復(fù)作業(yè),本次測(cè)試中不同工況共振破碎機(jī)作業(yè)點(diǎn)距測(cè)點(diǎn)1距離不同,工況1—工況6共振破碎機(jī)破碎作業(yè)距測(cè)點(diǎn)1的距離分別為1.25 m、1.00 m、0.75 m、0.50 m、0.25 m、0.00 m。采用加速度傳感器分別測(cè)試不同振動(dòng)頻率下橫向(X方向)、豎向(Z方向)加速度變化?，F(xiàn)場(chǎng)傳感器布置時(shí),先用皮尺預(yù)先測(cè)量出傳感器點(diǎn)位,采用紅色噴漆標(biāo)識(shí)點(diǎn)位,再布置加速度傳感器,傳感器底部采用橡皮泥固定并使其與底面均勻接觸?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)共進(jìn)行6種不同工況下地表振動(dòng)監(jiān)測(cè),測(cè)試工況如表1所示,也用于土壓力、粉塵濃度及噪聲分貝的測(cè)試。

表1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試工況

圖1 加速度傳感器測(cè)點(diǎn)布置示意圖

2.2 土壓力測(cè)試

城鎮(zhèn)道路路面結(jié)構(gòu)下方有較多管線。在共振碎石機(jī)的作業(yè)影響下,管涵可能因受到過(guò)大的動(dòng)土壓力和動(dòng)荷載多次作用而破壞。為研究共振破碎機(jī)作用下對(duì)公路下方構(gòu)筑物產(chǎn)生的影響,采用動(dòng)土壓力傳感器采集共振碎石化施工作業(yè)面下方的土壓力加速度時(shí)程曲線,得到共振破碎機(jī)作業(yè)面下方動(dòng)土壓力隨結(jié)構(gòu)深度增加的衰減規(guī)律,即可確定共振碎石化施工作業(yè)面與地下管線的安全距離。

圖2為土壓力盒埋設(shè)試坑,試驗(yàn)前在試驗(yàn)段路面邊緣開(kāi)挖深度為1 m的試坑,埋設(shè)動(dòng)土壓力盒后回填,每隔0.2 m埋設(shè)兩個(gè)傳感器。圖3為動(dòng)土壓力測(cè)點(diǎn)布置示意圖,將5個(gè)0.4 MPa動(dòng)態(tài)土壓力盒編號(hào)為1—5用于豎向(Z方向)動(dòng)態(tài)土壓力測(cè)試,埋設(shè)朝向?yàn)槭芰δぐ迕媾c豎向(Z方向)軸線垂直;5個(gè)0.4 MPa動(dòng)態(tài)土壓力盒編號(hào)為6—10用于橫向(X方向)動(dòng)態(tài)土壓力測(cè)試,埋設(shè)朝向?yàn)槭芰δぐ迕媾c橫向(X方向)軸線垂直,埋設(shè)時(shí)應(yīng)保證與傳感器兩面接觸的土介質(zhì)顆粒細(xì)膩,不能與較大的而且有尖角的石子接觸,以免在受力時(shí)將受力膜板破壞,埋設(shè)時(shí)在土壓力盒周邊鋪設(shè)薄砂層。土壓力測(cè)試時(shí)共振碎石機(jī)工作頻率為48 Hz,進(jìn)行6次試驗(yàn),共振破碎機(jī)破碎作業(yè)距土壓力盒所在平面的距離分別為2.5 m、2.0 m、1.5 m、1.0 m、0.5 m、0.0 m。

圖2 土壓力盒埋設(shè)試坑

圖3 動(dòng)土壓力測(cè)點(diǎn)布置示意圖

2.3 粉塵濃度測(cè)試

共振碎石機(jī)在施工作業(yè)時(shí)往往伴隨著大量的粉塵,嚴(yán)重影響城鎮(zhèn)環(huán)境空氣質(zhì)量,可吸入顆粒物濃度過(guò)高會(huì)影響人體健康。因此,測(cè)試施工現(xiàn)場(chǎng)可吸入顆粒物(PM10)濃度,得到共振碎石化施工過(guò)程中作業(yè)點(diǎn)粉塵濃度隨距離的衰減規(guī)律,為共振碎石化現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中揚(yáng)塵控制提供參考。

采用空氣質(zhì)量檢測(cè)儀對(duì)共振碎石化施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境PM10濃度進(jìn)行測(cè)試。共振破碎前,試驗(yàn)人員手持檢測(cè)儀提前站在共振碎石化機(jī)行進(jìn)方向40 m處,采集施工過(guò)程中碎石化機(jī)與測(cè)點(diǎn)不同距離時(shí)的粉塵濃度值,得到不同工況下碎石機(jī)從起點(diǎn)到40 m處這一過(guò)程中PM10濃度的變化規(guī)律。試驗(yàn)工況采用表1中工況1—工況6進(jìn)行試驗(yàn)。

2.4 噪聲測(cè)試

共振碎石機(jī)在施工作業(yè)時(shí)錘頭與水泥混凝土的碰撞會(huì)產(chǎn)生較大噪聲,影響城鎮(zhèn)道路周?chē)用竦恼Ｉ?對(duì)人的身體和心理健康產(chǎn)生不良影響。因此,測(cè)試共振破碎現(xiàn)場(chǎng)噪聲排放,得到共振碎石化施工過(guò)程中噪聲隨距離的衰減規(guī)律,為共振碎石化現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中噪聲控制提供參考。

采用?，擜R854聲級(jí)計(jì)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境噪聲進(jìn)行測(cè)試。共振破碎前,試驗(yàn)人員手持聲級(jí)計(jì)提前站在共振碎石化機(jī)行進(jìn)方向40 m處,采集施工過(guò)程中碎石化機(jī)與測(cè)點(diǎn)不同距離時(shí)的環(huán)境噪聲排放值,得到不同工況下噪聲隨施工作業(yè)點(diǎn)距離的衰減規(guī)律。試驗(yàn)工況采用表1中工況1—工況6進(jìn)行試驗(yàn)。

3 結(jié)果分析

3.1 施工對(duì)地表振動(dòng)的影響

振動(dòng)作用對(duì)周?chē)鷺?gòu)(建)筑物存在潛在的危害性,目前判別指標(biāo)主要有兩種:以加速度為判斷指標(biāo)、以地表速度為判斷指標(biāo)。

3.1.1 以加速度為判斷指標(biāo)

圖4為不同振動(dòng)頻率下距振源不同位置不同方向的加速度變化規(guī)律,指向振源方向?yàn)閄向,豎直方向?yàn)閆向。由圖可知,不同振動(dòng)頻率下X、Z方向加速度變化規(guī)律不明顯且峰值基本相同,Z方向振動(dòng)加速度略大于X方向,最近測(cè)點(diǎn)處Z方向加速度峰值約為18 m/s2,X方向約為14 m/s2。X、Z方向加速度峰值均隨著傳感器測(cè)點(diǎn)距離的增加而減小,在某一段距離內(nèi)加速度峰值大幅度減小,超過(guò)該距離后加速度小幅度減小并逐漸趨于穩(wěn)定。X方向振動(dòng)加速度峰值在5 m內(nèi)降幅較大,最大幅度約為6.2 m/s2每米,Z方向振動(dòng)加速度峰值在3 m內(nèi)降幅較大,最大幅度約為6.0 m/s2每米。

圖4 不同振動(dòng)頻率時(shí)距振源不同位置的加速度

參考《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[15](GB 50011—2010)規(guī)定,抗震設(shè)防烈度為6度(0.05g)時(shí),除本規(guī)范有具體規(guī)定外,對(duì)乙、丙、丁類(lèi)的建筑可不進(jìn)行地震作用計(jì)算。故認(rèn)為當(dāng)振動(dòng)所產(chǎn)生的地震加速度值在某地的值小于0.1g時(shí)對(duì)建筑物的安全幾乎沒(méi)有危害,以振動(dòng)加速度峰值0.1g作為確定碎石化振動(dòng)對(duì)周?chē)ㄖ锏陌踩绊憛^(qū)域的指標(biāo)。由圖可知,當(dāng)測(cè)點(diǎn)距振源水平距離大于8 m時(shí),加速度峰值小于0.1g,共振碎石化施工作業(yè)對(duì)周?chē)ㄖ飵缀鯖](méi)有影響。

3.1.2 以地表速度為判斷指標(biāo)

現(xiàn)場(chǎng)采用加速度傳感器僅采集加速度數(shù)據(jù),故根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集的加速度峰值和振動(dòng)頻率大小,采用式(1)計(jì)算得到速度峰值[16],整理得到不同振動(dòng)頻率下距振源不同位置不同方向的速度變化規(guī)律,如圖5所示。

圖5 不同振動(dòng)頻率時(shí)距振源不同位置的速度

v=a/2πf

(1)

式中:v為振動(dòng)速度峰值,m/s;a為振動(dòng)加速度峰值,m/s2;f為振動(dòng)頻率,Hz。

由圖5可知,不同振動(dòng)頻率時(shí)距振源不同位置不同方向的速度峰值變化規(guī)律與加速度基本一致。Z方向振動(dòng)速度峰值略大于X方向,最近測(cè)點(diǎn)處Z方向速度峰值約為12 cm/s,X方向約為10 cm/s。X方向振動(dòng)速度峰值在5 m內(nèi)降幅較大,最大幅度約為4.4 cm/s每米,Z方向振動(dòng)速度峰值在3 m內(nèi)降幅較大,最大幅度約為4.3 cm/s每米。

參考《爆破安全規(guī)程》[17](GB 6722—2014)規(guī)定,把振動(dòng)速度視為評(píng)價(jià)振動(dòng)作用對(duì)周?chē)Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)的指標(biāo),并具體指出了許多結(jié)構(gòu)類(lèi)型的振動(dòng)速度安全限值。對(duì)于一般民用建筑物,其振動(dòng)安全速度限值為2 cm/s～3 cm/s,以振動(dòng)速度峰值2 cm/s作為確定碎石化振動(dòng)對(duì)周?chē)ㄖ锏陌踩绊憛^(qū)域的指標(biāo)。由圖可知,當(dāng)測(cè)點(diǎn)距振源水平距離大于6 m時(shí),速度峰值小于2 cm/s,共振碎石化施工作業(yè)對(duì)周?chē)ㄖ锏挠绊懣梢院雎浴?/p>

綜上所述,選取初步安全距離為8 m,考慮安全系數(shù)1.2并取整,建議共振碎石化施工作業(yè)面距周?chē)ㄖ锼桨踩嚯x為10 m。對(duì)于本工程中,若道路兩側(cè)10 m范圍內(nèi)存在建筑物,不宜直接采用共振碎石化技術(shù)進(jìn)行舊路改造,經(jīng)過(guò)嚴(yán)格論證后才可使用。

3.2 施工對(duì)附加壓力的影響

圖6為距振源不同垂直和水平距離的附加壓力值變化規(guī)律。由圖6可知,X、Z向附加壓力值均隨著水平距離和垂直距離的增加而減小,且Z向附加壓力值ΔP遠(yuǎn)大于X向,故主要討論Z向附加壓力值的變化規(guī)律。Z向附加壓力值在垂直距離0.4 m內(nèi)大幅度減小,且水平距離越大減小幅度越大,超過(guò)0.4 m后附加壓力值趨于穩(wěn)定。水平距離為0 m時(shí),當(dāng)垂直距離從0.2 m增加到0.4 m,ΔP由242.0 kPa減小到1.7 kPa,下降幅度為99.3%;水平距離為2.5 m時(shí),當(dāng)垂直距離從0.2 m增加到0.4 m,ΔP由45.7 kPa減小到7.1 kPa,下降幅度為84.5%。垂直距離為0.2 m時(shí),水平距離從0 m增加到2.5 m,ΔP由242.0 kPa減小到45.7 kPa,下降幅度為81.1%。

圖6 距振源不同垂直和水平距離的附加壓力值

實(shí)際施工過(guò)程中影響管線的因素包括錘擊頻率、路面破碎程度、上覆土質(zhì)、管涵材質(zhì)、管徑等諸多因素,參考《爆破安全規(guī)程》[17](GB 6722—2014)中相關(guān)規(guī)定,以附加壓力ΔP/105<0.55作為確定碎石化振動(dòng)對(duì)埋地管線安全影響區(qū)域的指標(biāo)。無(wú)壓力管線允許施工機(jī)械從其上部通過(guò),無(wú)水平安全距離要求,但為避免共振破壞,在垂直方向上有安全距離規(guī)定。由圖6可知,當(dāng)垂直距離大于0.4 m時(shí)滿足要求,得到初步安全距離0.4 m,考慮安全系數(shù)1.2并取整,得到共振碎石化施工作業(yè)面距地下管線(無(wú)壓力)的垂直安全距離0.5 m。壓力管線不允許共振碎石機(jī)從其上部通過(guò),若埋置深度小于0.5 m,需嚴(yán)格控制水平安全距離。由圖可知,當(dāng)水平距離大于2.5 m時(shí)滿足要求,得到初步安全距離2.5 m,考慮安全系數(shù)1.2,得到共振碎石化施工作業(yè)面距地下管線(壓力)的水平安全距離為3 m。

對(duì)于本工程中,若道路下方存在壓力管線不得使用共振碎石化技術(shù),若道路埋置深度0.5 m范圍內(nèi)存在無(wú)壓力管線,道路兩側(cè)3 m范圍內(nèi)存在地下管線時(shí),不宜直接采用共振碎石化技術(shù)進(jìn)行舊路改造,經(jīng)過(guò)嚴(yán)格論證后才可使用。

3.3 施工對(duì)環(huán)境PM10濃度的影響

《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[18](GB 3095—2012)中規(guī)定二類(lèi)區(qū)適用二級(jí)環(huán)境可吸入顆粒物濃度(PM10)限值150 μg/m3。圖7為PM10排放濃度隨施工距離的變化規(guī)律,空氣質(zhì)量檢測(cè)儀PM10濃度最大量程為999 μg/m3。由圖可知,PM10濃度隨著施工距離的增加而減小,超出一定距離之后PM10濃度趨于穩(wěn)定,工況1穩(wěn)定段PM10濃度約為18 μg/m3,小于其他工況,原因是工況1是第一次破碎,現(xiàn)場(chǎng)原環(huán)境PM10濃度較小。其他工況下當(dāng)共振碎石化施工作業(yè)距離大于15 m時(shí),PM10排放濃度小于規(guī)范限值。

圖7 PM10排放濃度隨施工距離的變化規(guī)律

共振碎石化施工中不可避免地會(huì)產(chǎn)生揚(yáng)塵現(xiàn)象,采取先灑水再進(jìn)行碎石化的辦法可有效緩解揚(yáng)塵現(xiàn)象,當(dāng)表面灑水后,施工過(guò)程中場(chǎng)界可吸入顆粒物(PM10)濃度仍超過(guò)150 μg/m3時(shí),應(yīng)采取圍擋噴淋或水炮等降塵措施,以保證達(dá)到施工期間的環(huán)境保護(hù)要求。

3.4 施工對(duì)環(huán)境噪聲的影響

《建筑施工場(chǎng)界環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)》[19](GB 12523—2011)中規(guī)定建筑施工過(guò)程中場(chǎng)界環(huán)境噪聲排放限值:晝間不超過(guò)70 dB,夜間不超過(guò)55 dB。圖8為環(huán)境噪聲隨施工距離的變化規(guī)律,不同工況下環(huán)境噪聲均隨施工距離的增加而減小,共振碎石化施工作業(yè)點(diǎn)處噪聲排放超過(guò)100 dB,當(dāng)施工距離超過(guò)35 m后噪聲排放基本小于70 dB。城鎮(zhèn)道路環(huán)境噪聲排放約為65 dB,當(dāng)施工距離超過(guò)40 m時(shí),施工噪聲與環(huán)境噪聲基本一致且小于規(guī)范限值。故建議共振碎石化技術(shù)施工的噪聲影響范圍界定為40 m。

圖8 環(huán)境噪聲隨施工距離的變化規(guī)律

共振碎石化施工會(huì)對(duì)周?chē)?0 m范圍內(nèi)居住或工作人員產(chǎn)生不可避免的噪聲影響,施工時(shí)宜采取降噪措施,若40 m范圍內(nèi)存在噪聲敏感點(diǎn)應(yīng)該對(duì)該處采取隔音措施,且盡可能避免夜間施工,防止噪聲擾民。

4 結(jié) 論

(1) 共振碎石化施工地面加速度和速度峰值均隨著施工距離的增加而減小,5 m內(nèi)衰減速度較快,為減小共振碎石化施工對(duì)周?chē)ㄖ锏挠绊?提出共振碎石化施工作業(yè)面距周?chē)ㄖ锼桨踩嚯x為10 m。

(2) 豎向附加壓力隨垂直距離和水平距離的增加而減小,垂直距離0.4 m內(nèi)衰減速度較快,提出共振碎石化施工作業(yè)面距地下管線(無(wú)壓力)的垂直安全距離為0.5 m,距地下管線(壓力)的水平安全距離為3 m。

(3) 當(dāng)施工作業(yè)距離大于15 m時(shí),可吸入顆粒物(PM10)濃度小于150 μg/m3,共振碎石化施工不可避免會(huì)產(chǎn)生揚(yáng)塵,可采取表面灑水或增加吸塵裝置等降塵措施。

(4) 當(dāng)施工作業(yè)距離大于40 m時(shí),施工噪聲與環(huán)境噪聲基本一致且小于70 dB,在噪聲敏感點(diǎn)40 m范圍內(nèi)共振碎石化施工宜采用降噪措施,盡可能避免夜間施工,防止噪聲擾民。