水泥改性土施工工藝在南水北調(diào)中線工程中的應(yīng)用

金正偉

水泥改性土施工工藝在南水北調(diào)中線工程中的應(yīng)用

金正偉

一、概述

南水北調(diào)中線工程總干渠全長約1432km，其中膨脹土（巖）渠段累計長度約占到全線長度的27%。為保證工程運行安全，須對膨脹土邊坡進行處理，目前從各項研究成果來看，采用水泥改性土換填是最合理的選擇；但是水泥改性土換填采用什么樣的標(biāo)準(zhǔn)、如何進行規(guī)?；┕?，目前在國內(nèi)國際上都還沒有成熟的施工經(jīng)驗，也是南水北調(diào)中線工程面臨的一大難題。安徽水利開發(fā)股份有限公司在南水北調(diào)中線工程方城八標(biāo)的膨脹土渠道施工中采用了水泥改性土換填，并通過多次的試驗和改進，完成了5.52km長渠道水泥改性土換填施工，形成了一套成熟的水泥改性土換填施工工藝，并為制訂和完善南水北調(diào)水泥改性土施工技術(shù)規(guī)程提供了重要參數(shù)。

二、工藝原理

膨脹土具有遇水膨脹，失水干縮的特性，造成膨脹土邊坡極不穩(wěn)定，通過換填措施，在原膨脹土基面增加一個覆蓋層（摻入2%～8%水泥的膨脹土），使覆蓋層水泥改性土的自由膨脹率達到弱膨脹土的標(biāo)準(zhǔn)，隔離了大氣和天然降水對膨脹土邊坡的直接影響，消除了膨脹土的脹縮誘因。同時通過碎土工藝的改進，解決了水泥改性土換填規(guī)?；┕ぜ巴亮虾首兓瘜λ喔男酝翐Q填質(zhì)量控制影響的難題。

三、施工工藝流程及操作要點

1.施工工藝流程

土料料源復(fù)勘（室內(nèi)試驗取得土料物理力學(xué)參數(shù)）→土料分區(qū)開采、運輸→碎土（碎土工藝試驗、顆粒分析、土料含水量調(diào)整）→水泥土拌制（水泥檢測）→拌和料運輸→攤鋪（拌和料含水量調(diào)整）→碾壓（4h內(nèi)完成）→質(zhì)量檢測→進行下道工序施工或覆蓋保護。

2.操作要點

（1）土料料源復(fù)勘

在改性土施工前，首先對土料料源進行復(fù)勘，查明料源土層結(jié)構(gòu)及物理力學(xué)特性、膨脹性、含水量。并根據(jù)復(fù)勘成果進行土方平衡和分區(qū)開采規(guī)劃。

對不同取土區(qū)域，采用不同方式開采的土料，分別通過室內(nèi)試驗取得天然土料的物理力學(xué)參數(shù)，包括抗剪強度指標(biāo)、天然含水量、粘粒含量、自由膨脹率、最優(yōu)含水量、最大干密度等。

（2）土料分區(qū)開采運輸

從渠道開采的弱（中）膨脹土土料可直接運至拌合場堆放；或者將開采的土料運至臨時堆土場分區(qū)堆放，在進行改性土制備前，再轉(zhuǎn)運至拌合場。

土料堆場周邊應(yīng)做好截水溝，并備有防雨或遮陽設(shè)施；對于地水位較高的料場，應(yīng)結(jié)合料場排水條件，疏通并開挖料場排水溝網(wǎng)，及時排除取土坑及排水溝網(wǎng)內(nèi)的積水，降低地下水位至最低開挖面50cm以下。

3.碎土

（1）在進行碎土施工前，針對不同土源和不同含水率的土料進行生產(chǎn)性碎土工藝試驗，根據(jù)試驗結(jié)果確定不同土料碎土?xí)r的最優(yōu)含水率。

（2）碎土采用改進型WHB-200型輪式碎土機，該設(shè)備采用錘式破碎機原理，將土料打碎后通過篩網(wǎng)，由皮帶輸送系統(tǒng)至土體成品堆放場地；一套穩(wěn)定土拌和機配2～3臺碎土機。

（3）采用輪式裝載機上料、攏堆，破碎好的合格土料可直接送至拌和機拌和，未用完的土料采用塑料布臨時覆蓋防護。

4.水泥改性土拌制

（1）水泥改性土的水泥摻量根據(jù)天然土料膨脹特性，經(jīng)室內(nèi)試驗最終確定。選擇改性土水泥摻量時，不同自由膨脹率天然土料改性水泥摻量控制指標(biāo)及試驗時參考摻量按照表1的規(guī)定確定。

表1 不同自由膨脹率天然土料改性土水泥摻量室內(nèi)試驗控制指標(biāo)參考值

（2）大規(guī)模的水泥改性土拌制宜采用廠拌生產(chǎn)，采用的機械為穩(wěn)定土拌合機。水泥改性土拌和前，先進行水泥改性土拌和試驗和土料的含水率測定：即根據(jù)計量傳送系統(tǒng)的供料速度確定水泥和水的添加量等各項參數(shù)，保證拌出的水泥改性土的各項指標(biāo)與室內(nèi)試驗一致；根據(jù)水泥改性土擊實試驗成果的最優(yōu)含水率，計算水泥改性土拌和所需添加的水量。

（3）將破碎好的土料用裝載機送至穩(wěn)定土拌和機集料斗內(nèi)。為保證土料質(zhì)量，集料斗上口一般加工成帶坡度的形式，并在上口設(shè)置篩網(wǎng)，每個小網(wǎng)格邊長不宜大于10cm，以過濾掉粒徑過大的土料。

（4）在拌和過程中按照生產(chǎn)性確定的參數(shù)充分拌和，拌和稱量系統(tǒng)按照試驗參數(shù)控制土料、水泥和水的重量，拌和時間一般≥2min。出料后，取樣進行均勻性檢測，采用水泥含量標(biāo)準(zhǔn)差進行控制，用EDTA滴定法測定水泥含量，平均值不小于所確定摻量，弱膨脹水泥改性土水泥含量標(biāo)準(zhǔn)差不大于0.7，中膨脹水泥改性土水泥含量標(biāo)準(zhǔn)差不大于0.5。均勻性檢測合格，方可出站用于工作面填筑。

5.水泥改性土運輸

檢測合格的水泥改性土由自卸車運輸至填筑工作面，運輸過程中改性土要進行覆蓋保護。

6.攤鋪

（1）水泥改性土鋪料前，先用推土機對膨脹土基面的坡底進行開凳處理。開凳高度為碾壓試驗成果的壓實厚度。

（2）自卸汽車采用“進占法”卸料在工作面上，由于填筑面的寬度較窄，不易錯車，采用小型挖掘機進行平整，參照“算方鋪料，定點卸料、隨卸隨平、定機定人、鋪平把關(guān)、插釬檢查”的方法，以保證鋪土的厚度和均勻性。

（3）為保證碾壓機械的工作面寬度和換填層設(shè)計邊坡側(cè)壓實度，鋪土邊線在水平距離上要進行超填。超填土料宜按照1∶1.5坡比放坡，并嚴格按照碾壓試驗的參數(shù)控制鋪料厚度，根據(jù)不同的換填厚度，同一層以設(shè)計外坡腳為基準(zhǔn)，頂部超填寬度不小于30cm。超填部分可作為換填層的保護層（見圖1）。

圖1 改性土換填超填示意圖

7.碾壓

（1）水泥改性土施工前須進行碾壓試驗，通過碾壓試驗確定最優(yōu)含水率、鋪土厚度、碾壓方式、碾壓遍數(shù)和壓實厚度等控制參數(shù)。

（2）換填料平整后，采用≥20t振動凸塊碾進行碾壓，振動碾平行于渠堤軸線方向碾壓，行車速度控制在2～4km/h以內(nèi)；先靜壓后振動（碾壓遍數(shù)由試驗確定），碾壓機械行進速度先慢后快，碾壓時應(yīng)做到無漏壓、無漏振。

8.檢測

（1）每層填土完成碾壓后，宜在4h內(nèi)完成質(zhì)量檢測，檢測采用環(huán)刀法。

（2）在6～8h內(nèi)完成上層土覆蓋或者用塑料薄膜覆蓋防護。如不能及時跟進，要對填筑面和建基面做好防雨和保濕等施工期間的保護措施。

四、水泥改性土換填注意事項

1.水泥改性土換填施工質(zhì)量控制

（1）經(jīng)碎土機破碎后的土料最大粒徑不大于10cm，10～5cm粒徑含量不大于5%，5cm～5mm粒徑含量不大于50%，如果土塊顆粒不滿足要求，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，直到滿足粒徑要求。

（2）水泥改性土拌和前，應(yīng)選用現(xiàn)場有代表性的被改性土做室內(nèi)EDTA滴定試驗，以開始摻入水泥后30min、2h、4h、6h、12h為時間參變量，測繪水泥含量經(jīng)時曲線，以便檢測后期的水泥改性土水泥含量。

（3）改性土水泥摻量相同的渠段之間結(jié)合面坡度不應(yīng)小于1∶6，不同水泥摻量的改性土結(jié)合面坡度不應(yīng)小于1∶10，結(jié)合面處的填筑體需開開凳，開凳高度為每一層鋪土碾壓厚度。

（4）雨季施工應(yīng)特別注意天氣變化，避免土料受到雨淋。降雨時應(yīng)停止施工，對已攤鋪的工作面應(yīng)盡快碾壓密實、封面并進行防雨覆蓋，以防止表面積水。

2.環(huán)保措施

（1）施工過程中要做好粉塵和噪聲的防治：施工區(qū)域要定期灑水，保持清潔；拌和站水泥輸送采取全封閉形式；施工時段盡量安排在白天，施工機械要減少鳴笛。

（2）施工中加強生活和生產(chǎn)區(qū)廢棄物的處理：生活、生產(chǎn)污水必須通過沉淀池沉淀后才能排放；固體廢棄物通過集中運輸至指定地點掩埋或焚燒處理。

（3）加強設(shè)備的更新與保養(yǎng)，杜絕漏油對施工區(qū)域造成污染；同時減少有害氣體排放，確保施工機械廢氣排放符合環(huán)保要求。

五、項目成果及效益分析

1.項目成果

南水北調(diào)中線工程方城八標(biāo)項目施工中，利用渠道開挖土進行水泥改性土換填施工，同時采用機械化、平行流水作業(yè)，減少了耕地占用，工效提高，縮短了工期，有效降低了征地費用以及施工總成本。通過測算，直接利用渠道開挖土拌制水泥改性土比新征用土料場取土每立方水泥改性土要節(jié)省16.65元；方城八標(biāo)實際利用渠道開挖土73萬m3，節(jié)約征地投資費用約1216萬元。

2.社會效益

南水北調(diào)中線工程總干渠膨脹土渠段采用水泥改性土換填處理技術(shù)，成功解決了膨脹土渠段的邊坡穩(wěn)定問題；同時在施工中總結(jié)出的施工工藝標(biāo)準(zhǔn)、質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)達到了國內(nèi)施工領(lǐng)域領(lǐng)先水平，特別是水泥改性土相關(guān)生產(chǎn)性試驗工藝及填筑工藝，顯著提高了施工工效和降低施工成本。另外對于鐵路、公路等相關(guān)行業(yè)的膨脹土工程施工具有重要的參考價值和應(yīng)用前景■

（作者單位:安徽水利開發(fā)股份有限公司 233000）

（專欄編輯：張 婷）