南水北調(diào)中線工程改性土填筑施工工藝

□袁晏齡(南水北調(diào)中線建管局河南分局)

1 概述

南水北調(diào)中線一期總干渠陶岔渠首-沙河南（中線建管局直管項(xiàng)目）淅川段工程施工六標(biāo)總干渠樁號(hào)為37+319—44+700，全長(zhǎng)7.38km，渠道土體多為中膨脹土，局部具有強(qiáng)膨脹性。地面高程136.50～156m，地形較起伏。標(biāo)施工渠段，既有高填方段，半挖半填段，又有全挖方渠段，施工工序復(fù)雜，施工難度大。工程存在的主要問題是：膨脹土問題、地基不均勻沉降問題、渠坡穩(wěn)定問題。

2 渠道施工地質(zhì)條件

2.1 樁號(hào)37+319～39+800渠段

從趙集鎮(zhèn)冀寨村北過湍河渡槽出口起，向東止于黑白洼村南，全長(zhǎng)2.48km，地面高程134～137.00m，渠底板高程137.69～137.59m左右，渠道填高10～13m，為以粘性土地基為主的填方段。地基土體主要為al-lQ3粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)壤土，厚3.5m～9m,黃褐、灰黃色，呈可塑狀～堅(jiān)硬狀，裂隙較發(fā)育，含少量鐵錳質(zhì)結(jié)核及鈣質(zhì)結(jié)核。下部為中細(xì)砂。下部砂層含水，具中等透水性，渠段地下水位127.80～130.50m。Q3粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)壤土具中等壓縮性，土體強(qiáng)度滿足上部荷載要求。但由于填方高度一般>10m，存在地基不均勻沉降工程地質(zhì)問題，需采取清基處理。

2.2 樁號(hào)39+800～40+900段

屬中膨脹土渠段，長(zhǎng)1.10km，地面高程137～146m，挖深0～7m，填高2.50～10m，屬半填半挖渠段。渠坡主要由dlQ和Q2粉質(zhì)粘土組成。該渠段局部分布厚1.50～2.50m的坡積粉質(zhì)粘土，分布長(zhǎng)750m，具大孔隙比、低抗剪強(qiáng)度和低承載力，土層底面接近或高于渠底高程，建議適當(dāng)挖除。Q2粉質(zhì)粘土層具中等膨脹性，中等壓縮性，裂隙較發(fā)育，分布于渠坡中下部位。上層滯水地下水位133.60～136.80m。Q2土體具中等膨脹性，渠坡高度小于10m，渠坡穩(wěn)定性一般。

2.3 樁號(hào)40+900～44+700段

為中膨脹土段，地面高程142～156m，渠底高程137.55～137.31m，挖深8～19m。其中樁號(hào)41+620～44+700渠段，挖深>15m，渠坡由Q2粉質(zhì)粘土、粘土組成。Q2粉質(zhì)粘土、粘土具中等膨脹性，網(wǎng)狀裂隙發(fā)育，裂面多光滑并充填有灰白色粘土，抗剪強(qiáng)度低。上層滯水地下水位138.50～154.80m，局部需施工排水。土體裂隙發(fā)育，具中等膨脹性，局部具強(qiáng)膨脹性，膨脹性不均一。

3 主體工程

樁號(hào)37+319～39+800渠段，為以粘性土地基為主的填方段。渠線從趙集鎮(zhèn)冀寨村北過湍河渡槽出口起，向東止于黑白洼村南，全長(zhǎng)2.48km，地面高程134～137.5m，渠底板高程137.69～137.59m左右，渠道填高10～13m，采用素土外包改性土的填筑方法。

樁號(hào)39+800～40+900渠段，為半填半挖渠段。屬中膨脹土渠段，長(zhǎng)1.10km，地面高程137～146m，挖深0～7m，填高2.50～10m，地面以下全部采用改性土進(jìn)行換填，地面以上同全填段采用外包改性土的施工方法。樁號(hào)40+900～44+700渠段，為全挖斷。屬中膨脹土段，挖深8～19m。其中樁號(hào)41+620～44+700渠段，挖深>15m，整個(gè)坡面采用改性土進(jìn)行換填。

4 渠段土質(zhì)分析

4.1 改性土碾壓實(shí)驗(yàn)成果

改性土碾壓實(shí)驗(yàn)成果見表1。

土料經(jīng)過添加水泥改性后，實(shí)驗(yàn)成果變化如下：當(dāng)水泥摻量在5%、6%時(shí)，各樣本水泥改性土28d自由膨脹率都在原狀土膨脹率60%界限以下，即均能滿足28天自由膨脹率≤0.60α的要求。6%水泥摻量與5%水泥摻量，改性土28d自由膨脹率抑制效果更好，但抑制效果不顯著，從工程經(jīng)濟(jì)性考慮，確定本標(biāo)段水泥改性土摻量為5%。

表1 冀寨新村土料場(chǎng)水泥改性土碾壓試驗(yàn)成果表

4.2 改性土生產(chǎn)工藝試驗(yàn)成果

冀寨新村土場(chǎng)的碾壓試驗(yàn)成果見表2

表2 冀寨新村土場(chǎng)的碾壓試驗(yàn)成果見表

5 改性土工程施工

5.1 改性土施工工藝

土場(chǎng)清表→翻曬→初破碎→集料→中轉(zhuǎn)運(yùn)輸→儲(chǔ)料→碎土→拌制→運(yùn)輸→攤鋪→灑水→碾壓→檢測(cè)→初削坡→精削坡

5.2 土料場(chǎng)降水控制施工

從改性土實(shí)驗(yàn)成果及改性土生產(chǎn)工藝實(shí)驗(yàn)成果可以看出：土料場(chǎng)土料含水率達(dá)26%～29%，改性土拌合的最優(yōu)含水率在16%～19%。要滿足改性土破碎及拌合要求，首先需要進(jìn)行土料降水控制。土料場(chǎng)降水控制施工主要有挖排水溝及集水井，以便匯集土場(chǎng)雨水及上層滯水；利用土場(chǎng)大面積場(chǎng)地資源進(jìn)行翻曬；增加土料的周轉(zhuǎn)次數(shù)；對(duì)土料進(jìn)行防雨保護(hù)。

5.3 土料翻曬

曬土場(chǎng)采用HP220推土機(jī)清表，清表厚度為50cm，土料翻曬按照分區(qū)分塊先采用三臺(tái)HP160推土機(jī)(120KW)帶五鏵犁將原土分層翻松，晾曬至土料含水適中利于旋耕破碎即可。

5.4 初碎及集料

經(jīng)過五鏵犁翻松的土料大多為大土塊，且表面含水率容易降低，但內(nèi)部降水困難。需要對(duì)翻松的土料加快晾曬降低含水量。采用旋耕機(jī)初破碎，根據(jù)土壤含水量隔時(shí)段進(jìn)行旋耕，采用HP220推土機(jī)將土料堆集成堆。

5.5 土料中轉(zhuǎn)、堆存及精破碎

對(duì)翻曬好的土料采用ZL-50型裝載機(jī)或1.00m3挖掘機(jī)裝10 t自卸汽車運(yùn)至碎土設(shè)備處（中轉(zhuǎn)料場(chǎng)），ZL-50型（3m3）裝載機(jī)統(tǒng)一堆集至相應(yīng)高度，采用彩條布等措施進(jìn)行防雨遮陽(yáng)，同時(shí)在堆存的土料四周開挖排水溝，以便把雨水引排至就近的排水溝道。

為滿足改性土連續(xù)施工需要，特別是針對(duì)本地區(qū)多雨的氣候特點(diǎn)，在各改性土拌和站規(guī)劃一定面積場(chǎng)地作為土料儲(chǔ)備堆存場(chǎng)，堆存土量按拌合站生產(chǎn)能力確定，目前拌和站生產(chǎn)能力按每套每小時(shí)300t，日生產(chǎn)量按15h計(jì)即為4500t，折合自然方為2500m3，每次雨后按7d后才能取得翻曬好的土料考慮，則每套改性土需儲(chǔ)備堆存17500m3，堆存高度按3m計(jì)，則堆存場(chǎng)地需約5000㎡，在進(jìn)行碎土施工前，針對(duì)不同土料場(chǎng)、不同含水量，結(jié)合土料開采及堆存方式進(jìn)行生產(chǎn)性碎土工藝試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定相應(yīng)料場(chǎng)土料在確定的開采方式下的碎土生產(chǎn)工藝。通過前期碎土工藝性試驗(yàn)知道，土料適宜的碎土含水量及其變化范圍基本上保持在16%～18%。

本標(biāo)段采用的碎土設(shè)備為的WHB-700型碎土機(jī)，碎土首先將中轉(zhuǎn)料場(chǎng)土料用ZL-50型（3m3）裝載機(jī)上料，人工配合進(jìn)行碎土。在天雨影響等因素下因中轉(zhuǎn)料場(chǎng)斷料情況下啟動(dòng)土料堆存場(chǎng)，對(duì)土料堆存場(chǎng)土料采用1.00m3挖掘機(jī)裝車，10t自卸汽車運(yùn)輸至中轉(zhuǎn)料場(chǎng)，然后ZL-50型裝載機(jī)上料，人工配合進(jìn)行碎土。碎土過程中應(yīng)密切監(jiān)測(cè)進(jìn)入碎土場(chǎng)土料的含水量變化情況，含水量偏高時(shí)應(yīng)通過翻曬、風(fēng)干等措施降低含水量，含水量偏低時(shí)應(yīng)適當(dāng)灑水濕潤(rùn)。受雨淋或造成板結(jié)的碎土土成品料應(yīng)重新破碎至滿足碎土質(zhì)量要求才能用于生產(chǎn)改性土。

碎土質(zhì)量受碎土成品料土粒粒徑級(jí)配控制，碎土粒徑級(jí)配采用篩分法檢測(cè)，合格土塊粒徑級(jí)配為：最大粒徑≤10cm，10～5cm粒徑含量≤5%，5～5mm粒徑含量≤50%（不計(jì)僵石含量）。如土塊顆粒不滿足上述要求，則應(yīng)采取調(diào)整篩孔尺寸、篩分剔除、調(diào)整碎土生產(chǎn)工藝及控制參數(shù)等措施，直至滿足粒徑要求。

5.6 改性土拌制

一是水泥改性土拌和前，由試驗(yàn)室依據(jù)《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》，及時(shí)選用現(xiàn)場(chǎng)有代表性的改性土做室內(nèi) EDTA滴定試驗(yàn)，以開始摻入水泥后 30min、2、4、6、12h為時(shí)間參變量，測(cè)繪水泥含量標(biāo)準(zhǔn)曲線，以便檢測(cè)后續(xù)生產(chǎn)的水泥改性土水泥含量，并經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)理確認(rèn)。二是水泥改性土拌和嚴(yán)格按照水泥改性土拌和生產(chǎn)性試驗(yàn)確定拌和機(jī)械的運(yùn)行控制參數(shù)進(jìn)行施工，采用WCZ-600或700、800型穩(wěn)定土拌和站，皮帶運(yùn)輸至拌和設(shè)備內(nèi)加水泥及水進(jìn)行拌合。三是拌合過程中由工地試驗(yàn)室相關(guān)人員根據(jù)要求及時(shí)校核改性土水泥摻量；根據(jù)改性土現(xiàn)場(chǎng)水泥含量標(biāo)準(zhǔn)差評(píng)價(jià)評(píng)定改性土質(zhì)量。成品料水泥含量采用EDTA滴定法測(cè)定，其水泥摻量平均值不得小于設(shè)計(jì)摻量，標(biāo)準(zhǔn)差≤0.70，不合格的改性土拌制品不得用于主體工程填筑施工。

5.7 改性土填筑

5.7.1 開挖段填筑施工

對(duì)于開挖渠坡?lián)Q填層，為提高處理層與被保護(hù)坡面結(jié)合質(zhì)量，被保護(hù)邊坡面需開挖成小臺(tái)階，臺(tái)階高為每一層鋪土碾壓厚度。同一層以設(shè)計(jì)外坡腳為基準(zhǔn)，頂部超填寬度≥30cm（見圖1），超填部分可作為換填層的保護(hù)層，在渠道襯砌施工前削坡修整到設(shè)計(jì)邊坡輪廓。臺(tái)階開挖采用施工放樣，并撒灰線標(biāo)識(shí)，推土機(jī)推集成堆，裝載機(jī)裝10t自卸汽車運(yùn)輸至棄土場(chǎng)。

臺(tái)階開挖到位后，對(duì)施工層面及臺(tái)階面進(jìn)行灑水濕潤(rùn)，推土機(jī)拋錨，以保證層間結(jié)合，然后10t自卸汽車運(yùn)輸從改性土拌合站拌合的合格土料采用后退法至工作面卸料，推土機(jī)攤鋪，人工配合修邊，并負(fù)責(zé)檢查攤鋪厚度，20t凸塊振動(dòng)碾碾壓成型。

每層填土完成碾壓后，宜在4h內(nèi)完成質(zhì)量檢測(cè)，在6-8h內(nèi)完成下層上土覆蓋。如不能及時(shí)跟進(jìn)的，要對(duì)填筑面和建基面做好防雨和保濕等施工期的保護(hù)措施，并防止大型施工設(shè)備在其上行駛。

每層水泥改性土施工完成后，應(yīng)進(jìn)行自檢，自檢完成后，會(huì)同監(jiān)理人進(jìn)行質(zhì)量檢查和驗(yàn)收，驗(yàn)收合格后方可進(jìn)行下一道工序施工。

圖1 改性土填筑超填示意圖

整體坡面水泥改性土施工完成后，在渠道襯砌施工前修整到設(shè)計(jì)邊坡輪廓。削坡首先采用1.00m3挖掘機(jī)從上到下進(jìn)行粗削坡，粗削完成后采用1.00m3挖掘機(jī)挖斗前帶刮板進(jìn)行二次精削坡，直至達(dá)到襯砌基礎(chǔ)面要求為止。

5.7.2 回填段填筑施工

回填段改性土填筑施工首先要求同素土回填同步進(jìn)行，每一層施工先進(jìn)行改性土回填施工，然后填筑中間素土。上料方式采用進(jìn)占法。未采取同步回填僅進(jìn)行了素土回填渠段需進(jìn)行改性土包裹回填的，首先對(duì)原素土回填部分進(jìn)行削坡，然后按開挖段改性土回填施工方法施工。

回填施工其他相關(guān)要求：一是填筑及碾壓參數(shù)一旦確定不得隨意更改。當(dāng)檢測(cè)結(jié)果不滿足要求時(shí)，應(yīng)分析原因，必要時(shí)應(yīng)通過碾壓試驗(yàn)調(diào)整鋪料厚度及碾壓參數(shù)。二是碾壓機(jī)械沿渠道軸線方向前進(jìn)、后退全振錯(cuò)距法碾壓，前進(jìn)、后退一個(gè)來(lái)回按兩遍計(jì)，碾跡重疊≥20cm。碾壓速度控制在2～4km/h范圍內(nèi)，開始碾壓時(shí)宜用慢速。碾壓層間需根據(jù)天氣和層面干燥情況，灑水濕潤(rùn)。對(duì)邊角接頭處大型機(jī)械碾壓不到、易漏壓的地帶，需由人工采用蛙夯或沖擊夯等小型設(shè)備夯實(shí)。三是改性土填筑施工超填的余料不得用于渠坡?lián)Q填部位及渠堤外包填筑體部位。如用于設(shè)計(jì)指定的次要部位時(shí)，應(yīng)將其運(yùn)輸至指定位置堆存，余料填筑前應(yīng)進(jìn)行碾壓試驗(yàn)確定削坡余料的碾壓參數(shù)。四是雨季施工應(yīng)特別注意天氣變化，避免土料受到雨淋。降雨時(shí)應(yīng)停止施工，對(duì)已攤鋪的工作面應(yīng)盡快碾壓密實(shí)、封面并進(jìn)行防雨覆蓋，以防止表面積水。五是改性土換填層沿渠道軸線方向填筑渠段或不同標(biāo)段之間的銜接部位的填筑除滿足上述各條款要求外，結(jié)合面處理應(yīng)滿足以下要求：①銜接部位填筑應(yīng)在渠道斷面方向超填土料削坡之前完成；填筑時(shí)應(yīng)清除較早填筑體沿渠道方向的超填土料；②土料料源和改性土水泥摻量相同的渠段之間結(jié)合面坡度≥1:60；不同被改性土料、不同水泥摻量的改性土結(jié)合面坡度≥1:10；③結(jié)合面處早期填筑的填筑體需開挖成小臺(tái)階，臺(tái)階高為每一層鋪土碾壓厚度；④結(jié)合面處壓實(shí)度應(yīng)滿足設(shè)計(jì)壓實(shí)度要求。

5.8 改性土施工質(zhì)量控制

水泥改性土壓實(shí)度采用環(huán)刀法在試坑中下部取樣進(jìn)行檢測(cè)，宜按渠堤填筑檢驗(yàn)長(zhǎng)度每100～150m為一個(gè)單元工程進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定。

換填土體單元工程質(zhì)量評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)符合以下規(guī)定：一是合格標(biāo)準(zhǔn)：鋪填邊線偏差合格率≥70%,水泥均勻度合格率≥80%，檢測(cè)土體壓實(shí)度合格率達(dá)到設(shè)計(jì)及相關(guān)技術(shù)要求，其余檢查項(xiàng)目達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。二是優(yōu)良標(biāo)準(zhǔn)：鋪填邊線偏差合格率≥90%,水泥均勻度合格率≥90%，檢測(cè)土體壓實(shí)度合格率超過規(guī)定數(shù)值3%以上，其余檢查項(xiàng)目達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。

6 質(zhì)量、組織保證措施

6.1 質(zhì)量保證措施

6.1.1 組織保證

依托已成立的項(xiàng)目質(zhì)量管理領(lǐng)導(dǎo)小組，由總質(zhì)檢師和項(xiàng)目總工牽頭，相關(guān)工區(qū)負(fù)責(zé)人參與，質(zhì)量部組織，在改性土施工過程中對(duì)施工質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控。

6.1.2 過程控制

一是由項(xiàng)目質(zhì)量部不定時(shí)組織由各有關(guān)部門參與，對(duì)改性土料源、拌和情況、填筑情況進(jìn)行全面檢查，對(duì)檢查中發(fā)現(xiàn)的問題及時(shí)向項(xiàng)目主要負(fù)責(zé)人報(bào)告，由質(zhì)量管理領(lǐng)導(dǎo)小組及時(shí)處理。二是施工過程中工地試驗(yàn)室及時(shí)對(duì)填筑壓實(shí)度進(jìn)行取樣檢測(cè)。除此之外還要不定時(shí)對(duì)改性土拌和料源、拌和成品的改性土進(jìn)行取樣檢測(cè)。確保質(zhì)量滿足要求。三是對(duì)于穩(wěn)定土拌和機(jī)，為保證拌和的均勻性，除嚴(yán)格控制土料粒徑外，拌和時(shí)間對(duì)均勻性的影響很大。拌和時(shí)間必須通過試驗(yàn)確定。四是填筑時(shí)采用進(jìn)占法施工，由于換填的厚度小，填土?xí)r運(yùn)輸車輛在同一工作面反復(fù)碾壓，造成土料剪切破壞及彈簧土，故嚴(yán)禁車輛在填筑面碾壓。在邊坡?lián)Q填時(shí)，為減少運(yùn)輸車輛對(duì)填筑面的反復(fù)碾壓，采用推土機(jī)或裝載機(jī)推送。五是在碾壓時(shí)，由于受天氣影響，填筑層表面風(fēng)干很快。為保證層間結(jié)合，在進(jìn)行上一層鋪土施工之前，及時(shí)對(duì)結(jié)合面進(jìn)行灑水。填筑前在原渠坡上逐層進(jìn)行開蹬處理，臺(tái)階高為每一層鋪土的厚度（虛鋪）。六是水泥摻量、拌和均勻度、土料含水量、粒徑、拌和用水量、拌和遍數(shù)直接影響水泥改性土的質(zhì)量。在制備水泥土?xí)r必須嚴(yán)格按照試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行拌制，嚴(yán)格進(jìn)行檢測(cè)。七是水泥改性土拌制完成后，由工地試驗(yàn)室及時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)取樣檢測(cè)拌和質(zhì)量，檢測(cè)時(shí)主要檢測(cè)拌和均勻度以及水泥含量、含水量是否滿足要求。八是攤鋪時(shí)水泥改性土的含水率宜高于最佳含水率的1.00﹪～2.00﹪，以補(bǔ)償在攤鋪及碾壓過程中的水分損失。九是雨季施工應(yīng)特別注意天氣變化，避免使水泥和混合料受到雨淋。降雨時(shí)應(yīng)停止施工，已經(jīng)攤鋪的水泥土應(yīng)快速碾壓、封面并覆蓋。十是超填的余料經(jīng)試驗(yàn)論證其作為填筑再利用料的可行性后方可再次利用作為填筑料源。超填的余料在削坡后運(yùn)輸至指定位置堆存，采用防雨布等進(jìn)行覆蓋保護(hù)，防止其水分變化，以便再次填筑利用。再次利用填筑前需重新加水拌合，檢測(cè)合格后再次利用。

6.2 質(zhì)量檢查

1.土料壓實(shí)度必須嚴(yán)格按規(guī)范要求進(jìn)行?，F(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度檢測(cè)采用環(huán)刀法；2.進(jìn)行水泥含量和均勻性檢測(cè)；3.對(duì)結(jié)合部位的檢查和觀測(cè)；4.填筑作業(yè)面鋪土整平后，現(xiàn)場(chǎng)人員對(duì)松鋪厚度進(jìn)行抽樣檢測(cè)，測(cè)量碾壓前虛鋪土料高程，碾壓完畢后，檢測(cè)壓實(shí)土層高程以便計(jì)算沉降量，并作好記錄;5.碾壓過程及完成后，應(yīng)檢查有沒有“彈簧土”、層間光面、層間中空、松土層或剪切破壞等質(zhì)量問題，發(fā)現(xiàn)應(yīng)及時(shí)處理。

7 結(jié)語(yǔ)

改性土填筑施工工藝在南水北調(diào)中線得到了很好的應(yīng)用和推廣，效果較好，在后續(xù)的渠道工程中將得到了充分的應(yīng)用，確保了土方填筑的施工質(zhì)量，減少了后期的維護(hù)費(fèi)用。