南水北調中線工程改性土填筑施工工藝

□袁晏齡(南水北調中線建管局河南分局)

1 概述

南水北調中線一期總干渠陶岔渠首-沙河南（中線建管局直管項目）淅川段工程施工六標總干渠樁號為37+319—44+700，全長7.38km，渠道土體多為中膨脹土，局部具有強膨脹性。地面高程136.50～156m，地形較起伏。標施工渠段，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、渠坡穩定問題。

2 渠道施工地質條件

2.1 樁號37+319～39+800渠段

從趙集鎮冀寨村北過湍河渡槽出口起，向東止于黑白洼村南，全長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粉質粘土、粉質壤土，厚3.5m～9m,黃褐、灰黃色，呈可塑狀～堅硬狀，裂隙較發育，含少量鐵錳質結核及鈣質結核。下部為中細砂。下部砂層含水，具中等透水性，渠段地下水位127.80～130.50m。Q3粉質粘土、粉質壤土具中等壓縮性，土體強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問題，需采取清基處理。

2.2 樁號39+800～40+900段

屬中膨脹土渠段，長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粉質粘土組成。該渠段局部分布厚1.50～2.50m的坡積粉質粘土，分布長750m，具大孔隙比、低抗剪強度和低承載力，土層底面接近或高于渠底高程，建議適當挖除。Q2粉質粘土層具中等膨脹性，中等壓縮性，裂隙較發育，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，渠坡穩定性一般。

2.3 樁號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41+620～44+700渠段，挖深>15m，渠坡由Q2粉質粘土、粘土組成。Q2粉質粘土、粘土具中等膨脹性，網狀裂隙發育，裂面多光滑并充填有灰白色粘土，抗剪強度低。上層滯水地下水位138.50～154.80m，局部需施工排水。土體裂隙發育，具中等膨脹性，局部具強膨脹性，膨脹性不均一。

3 主體工程

樁號37+319～39+800渠段，為以粘性土地基為主的填方段。渠線從趙集鎮冀寨村北過湍河渡槽出口起，向東止于黑白洼村南，全長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39+800～40+900渠段，為半填半挖渠段。屬中膨脹土渠段，長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40+900～44+700渠段，為全挖斷。屬中膨脹土段，挖深8～19m。其中樁號41+620～44+700渠段，挖深>15m，整個坡面采用改性土進行換填。

4 渠段土質分析

4.1 改性土碾壓實驗成果

改性土碾壓實驗成果見表1。

土料經過添加水泥改性后，實驗成果變化如下：當水泥摻量在5%、6%時，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，從工程經濟性考慮，確定本標段水泥改性土摻量為5%。

表1 冀寨新村土料場水泥改性土碾壓試驗成果表

4.2 改性土生產工藝試驗成果

冀寨新村土場的碾壓試驗成果見表2

表2 冀寨新村土場的碾壓試驗成果見表

5 改性土工程施工

5.1 改性土施工工藝

土場清表→翻曬→初破碎→集料→中轉運輸→儲料→碎土→拌制→運輸→攤鋪→灑水→碾壓→檢測→初削坡→精削坡

5.2 土料場降水控制施工

從改性土實驗成果及改性土生產工藝實驗成果可以看出：土料場土料含水率達26%～29%，改性土拌合的最優含水率在16%～19%。要滿足改性土破碎及拌合要求，首先需要進行土料降水控制。土料場降水控制施工主要有挖排水溝及集水井，以便匯集土場雨水及上層滯水；利用土場大面積場地資源進行翻曬；增加土料的周轉次數；對土料進行防雨保護。

5.3 土料翻曬

曬土場采用HP220推土機清表，清表厚度為50cm，土料翻曬按照分區分塊先采用三臺HP160推土機(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，但內部降水困難。需要對翻松的土料加快晾曬降低含水量。采用旋耕機初破碎，根據土壤含水量隔時段進行旋耕，采用HP220推土機將土料堆集成堆。

5.5 土料中轉、堆存及精破碎

對翻曬好的土料采用ZL-50型裝載機或1.00m3挖掘機裝10 t自卸汽車運至碎土設備處（中轉料場），ZL-50型（3m3）裝載機統一堆集至相應高度，采用彩條布等措施進行防雨遮陽，同時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。

為滿足改性土連續施工需要，特別是針對本地區多雨的氣候特點，在各改性土拌和站規劃一定面積場地作為土料儲備堆存場，堆存土量按拌合站生產能力確定，目前拌和站生產能力按每套每小時300t，日生產量按15h計即為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，則每套改性土需儲備堆存17500m3，堆存高度按3m計，則堆存場地需約5000㎡，在進行碎土施工前，針對不同土料場、不同含水量，結合土料開采及堆存方式進行生產性碎土工藝試驗，并根據試驗結果確定相應料場土料在確定的開采方式下的碎土生產工藝。通過前期碎土工藝性試驗知道，土料適宜的碎土含水量及其變化范圍基本上保持在16%～18%。

本標段采用的碎土設備為的WHB-700型碎土機，碎土首先將中轉料場土料用ZL-50型（3m3）裝載機上料，人工配合進行碎土。在天雨影響等因素下因中轉料場斷料情況下啟動土料堆存場，對土料堆存場土料采用1.00m3挖掘機裝車，10t自卸汽車運輸至中轉料場，然后ZL-50型裝載機上料，人工配合進行碎土。碎土過程中應密切監測進入碎土場土料的含水量變化情況，含水量偏高時應通過翻曬、風干等措施降低含水量，含水量偏低時應適當灑水濕潤。受雨淋或造成板結的碎土土成品料應重新破碎至滿足碎土質量要求才能用于生產改性土。

碎土質量受碎土成品料土粒粒徑級配控制，碎土粒徑級配采用篩分法檢測，合格土塊粒徑級配為：最大粒徑≤10cm，10～5cm粒徑含量≤5%，5～5mm粒徑含量≤50%（不計僵石含量）。如土塊顆粒不滿足上述要求，則應采取調整篩孔尺寸、篩分剔除、調整碎土生產工藝及控制參數等措施，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，由試驗室依據《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》，及時選用現場有代表性的改性土做室內 EDTA滴定試驗，以開始摻入水泥后 30min、2、4、6、12h為時間參變量，測繪水泥含量標準曲線，以便檢測后續生產的水泥改性土水泥含量，并經現場監理確認。二是水泥改性土拌和嚴格按照水泥改性土拌和生產性試驗確定拌和機械的運行控制參數進行施工，采用WCZ-600或700、800型穩定土拌和站，皮帶運輸至拌和設備內加水泥及水進行拌合。三是拌合過程中由工地試驗室相關人員根據要求及時校核改性土水泥摻量；根據改性土現場水泥含量標準差評價評定改性土質量。成品料水泥含量采用EDTA滴定法測定，其水泥摻量平均值不得小于設計摻量，標準差≤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

對于開挖渠坡換填層，為提高處理層與被保護坡面結合質量，被保護邊坡面需開挖成小臺階，臺階高為每一層鋪土碾壓厚度。同一層以設計外坡腳為基準，頂部超填寬度≥30cm（見圖1），超填部分可作為換填層的保護層，在渠道襯砌施工前削坡修整到設計邊坡輪廓。臺階開挖采用施工放樣，并撒灰線標識，推土機推集成堆，裝載機裝10t自卸汽車運輸至棄土場。

臺階開挖到位后，對施工層面及臺階面進行灑水濕潤，推土機拋錨，以保證層間結合，然后10t自卸汽車運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，推土機攤鋪，人工配合修邊，并負責檢查攤鋪厚度，20t凸塊振動碾碾壓成型。

每層填土完成碾壓后，宜在4h內完成質量檢測，在6-8h內完成下層上土覆蓋。如不能及時跟進的，要對填筑面和建基面做好防雨和保濕等施工期的保護措施，并防止大型施工設備在其上行駛。

每層水泥改性土施工完成后，應進行自檢，自檢完成后，會同監理人進行質量檢查和驗收，驗收合格后方可進行下一道工序施工。

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計邊坡輪廓。削坡首先采用1.00m3挖掘機從上到下進行粗削坡，粗削完成后采用1.00m3挖掘機挖斗前帶刮板進行二次精削坡，直至達到襯砌基礎面要求為止。

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行，每一層施工先進行改性土回填施工，然后填筑中間素土。上料方式采用進占法。未采取同步回填僅進行了素土回填渠段需進行改性土包裹回填的，首先對原素土回填部分進行削坡，然后按開挖段改性土回填施工方法施工。

回填施工其他相關要求：一是填筑及碾壓參數一旦確定不得隨意更改。當檢測結果不滿足要求時，應分析原因，必要時應通過碾壓試驗調整鋪料厚度及碾壓參數。二是碾壓機械沿渠道軸線方向前進、后退全振錯距法碾壓，前進、后退一個來回按兩遍計，碾跡重疊≥20cm。碾壓速度控制在2～4km/h范圍內，開始碾壓時宜用慢速。碾壓層間需根據天氣和層面干燥情況，灑水濕潤。對邊角接頭處大型機械碾壓不到、易漏壓的地帶，需由人工采用蛙夯或沖擊夯等小型設備夯實。三是改性土填筑施工超填的余料不得用于渠坡換填部位及渠堤外包填筑體部位。如用于設計指定的次要部位時，應將其運輸至指定位置堆存，余料填筑前應進行碾壓試驗確定削坡余料的碾壓參數。四是雨季施工應特別注意天氣變化，避免土料受到雨淋。降雨時應停止施工，對已攤鋪的工作面應盡快碾壓密實、封面并進行防雨覆蓋，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段之間的銜接部位的填筑除滿足上述各條款要求外，結合面處理應滿足以下要求：①銜接部位填筑應在渠道斷面方向超填土料削坡之前完成；填筑時應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合面坡度≥1:60；不同被改性土料、不同水泥摻量的改性土結合面坡度≥1:10；③結合面處早期填筑的填筑體需開挖成小臺階，臺階高為每一層鋪土碾壓厚度；④結合面處壓實度應滿足設計壓實度要求。

5.8 改性土施工質量控制

水泥改性土壓實度采用環刀法在試坑中下部取樣進行檢測，宜按渠堤填筑檢驗長度每100～150m為一個單元工程進行質量檢驗評定。

換填土體單元工程質量評定標準應符合以下規定：一是合格標準：鋪填邊線偏差合格率≥70%,水泥均勻度合格率≥80%，檢測土體壓實度合格率達到設計及相關技術要求，其余檢查項目達到標準。二是優良標準：鋪填邊線偏差合格率≥90%,水泥均勻度合格率≥90%，檢測土體壓實度合格率超過規定數值3%以上，其余檢查項目達到標準。

6 質量、組織保證措施

6.1 質量保證措施

6.1.1 組織保證

依托已成立的項目質量管理領導小組，由總質檢師和項目總工牽頭，相關工區負責人參與，質量部組織，在改性土施工過程中對施工質量進行監控。

6.1.2 過程控制

一是由項目質量部不定時組織由各有關部門參與，對改性土料源、拌和情況、填筑情況進行全面檢查，對檢查中發現的問題及時向項目主要負責人報告，由質量管理領導小組及時處理。二是施工過程中工地試驗室及時對填筑壓實度進行取樣檢測。除此之外還要不定時對改性土拌和料源、拌和成品的改性土進行取樣檢測。確保質量滿足要求。三是對于穩定土拌和機，為保證拌和的均勻性，除嚴格控制土料粒徑外，拌和時間對均勻性的影響很大。拌和時間必須通過試驗確定。四是填筑時采用進占法施工，由于換填的厚度小，填土時運輸車輛在同一工作面反復碾壓，造成土料剪切破壞及彈簧土，故嚴禁車輛在填筑面碾壓。在邊坡換填時，為減少運輸車輛對填筑面的反復碾壓，采用推土機或裝載機推送。五是在碾壓時，由于受天氣影響，填筑層表面風干很快。為保證層間結合，在進行上一層鋪土施工之前，及時對結合面進行灑水。填筑前在原渠坡上逐層進行開蹬處理，臺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、拌和遍數直接影響水泥改性土的質量。在制備水泥土時必須嚴格按照試驗參數進行拌制，嚴格進行檢測。七是水泥改性土拌制完成后，由工地試驗室及時在現場取樣檢測拌和質量，檢測時主要檢測拌和均勻度以及水泥含量、含水量是否滿足要求。八是攤鋪時水泥改性土的含水率宜高于最佳含水率的1.00﹪～2.00﹪，以補償在攤鋪及碾壓過程中的水分損失。九是雨季施工應特別注意天氣變化，避免使水泥和混合料受到雨淋。降雨時應停止施工，已經攤鋪的水泥土應快速碾壓、封面并覆蓋。十是超填的余料經試驗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輸至指定位置堆存，采用防雨布等進行覆蓋保護，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，檢測合格后再次利用。

6.2 質量檢查

1.土料壓實度必須嚴格按規范要求進行。現場壓實度檢測采用環刀法；2.進行水泥含量和均勻性檢測；3.對結合部位的檢查和觀測；4.填筑作業面鋪土整平后，現場人員對松鋪厚度進行抽樣檢測，測量碾壓前虛鋪土料高程，碾壓完畢后，檢測壓實土層高程以便計算沉降量，并作好記錄;5.碾壓過程及完成后，應檢查有沒有“彈簧土”、層間光面、層間中空、松土層或剪切破壞等質量問題，發現應及時處理。

7 結語

改性土填筑施工工藝在南水北調中線得到了很好的應用和推廣，效果較好，在后續的渠道工程中將得到了充分的應用，確保了土方填筑的施工質量，減少了后期的維護費用。