南水北調(diào)中線工程水泥改性土換填施工工藝淺析

陳 維

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 工程概述

南水北調(diào)中線干線鎮(zhèn)平三標(biāo)工程樁號76+100～87+925全長11.825 km。渠道全長均屬膨脹土渠段，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，其渠道渠坡及渠底均采用水泥改性土換填，半挖半填方渠段開挖渠坡及渠底水泥改性土換填厚度均為1.2 m。對于渠堤填筑高度小于2 m的渠段均采用水泥改性土填筑；對于渠堤填筑高度大于2 m的渠段，渠堤心墻內(nèi)采用弱膨脹土填筑，渠坡、堤頂及背坡外包一層厚度為1 m的水泥改性土填筑(俗稱“金包銀”)。全挖方渠段一級馬道以下渠坡及渠底水泥改性土換填厚度為1.2 m，一級馬道及馬道以上渠坡水泥改性土換填厚度為1 m。該工程水泥改性土水泥摻量根據(jù)試驗(yàn)確定為4%、5%(重量比)兩種。筆者對所采用的施工工藝進(jìn)行了介紹。

2 施工工藝及程序

2.1 工藝原理

針對膨脹土具有遇水膨脹、失水干縮的特性，采用水泥改性土就是使用穩(wěn)定土拌和機(jī)摻拌設(shè)備，在膨脹土料中摻入適量的水泥，將二者充分拌合并發(fā)生物理及化學(xué)反應(yīng)以改變膨脹土的力學(xué)性質(zhì)，使其強(qiáng)度和水穩(wěn)定性大大提高、膨脹性得到控制。碾壓后形成的換填層一方面可以隔離大氣對膨脹土基礎(chǔ)的直接作用，另一方面能夠吸收基面的膨脹潛能，降低原膨脹土基礎(chǔ)自身因含水量變化而產(chǎn)生的脹縮應(yīng)力，防止膨脹土邊坡渠段遇水產(chǎn)生滑坡現(xiàn)象。

2.2 工藝流程

渠道水泥改性土換填一般按100 m一個(gè)單元(段)進(jìn)行施工(視當(dāng)時(shí)施工能力大小)，填筑時(shí)先填渠道底板，后填兩邊渠堤，填筑時(shí)必須逐層進(jìn)行。每段的施工循環(huán)按流水作業(yè)原則布置：為方便施工和提高施工時(shí)的設(shè)備效率，作業(yè)時(shí)一般分三段：一段進(jìn)行卸料、鋪料、平料，一段進(jìn)行碾壓，一段進(jìn)行質(zhì)量檢查驗(yàn)收，依次循環(huán)往復(fù)。渠道水泥改性土換填施工工藝流程見圖1。

圖1 渠道水泥改性土換填施工工藝流程圖

3 水泥改性土填筑施工

3.1 施工準(zhǔn)備

在水泥改性土施工之前，首先通過室內(nèi)試驗(yàn)取得土料場土料的物理參數(shù)，包括粘粒含量、塑性指數(shù)、膨脹率、水泥摻量等。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)取得的參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場碾壓施工工藝試驗(yàn)，確定鋪松土厚度、碾壓遍數(shù)、壓實(shí)機(jī)械等參數(shù)。根據(jù)試驗(yàn)獲得的參數(shù)指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

3.2 基礎(chǔ)驗(yàn)收前的準(zhǔn)備工作

填筑施工前，對填筑基礎(chǔ)面進(jìn)行清理及驗(yàn)收，使用測量儀器檢測建基面的坡度或平整度，清除松土。渠堤建基面的范圍為堤身設(shè)計(jì)建基面邊線外50 cm。堤基范圍內(nèi)的坑、溝、槽等應(yīng)按堤身填筑要求進(jìn)行回填。所有基礎(chǔ)面只有得到監(jiān)理驗(yàn)收簽證之后才能進(jìn)行下道工序的填筑施工。

3.3 水泥改性土料的攤鋪與平整

渠道的填筑分段分層進(jìn)行，采用10～15 t自卸汽車運(yùn)料、卸料，卸料間距根據(jù)碾壓試驗(yàn)確定，采用推土機(jī)或挖掘機(jī)平整、人工輔助進(jìn)行。

為提高填筑層與被保護(hù)坡面結(jié)合的質(zhì)量，被保護(hù)邊坡面需開挖成小臺階，臺階高度為每一層鋪土碾壓厚度。開挖臺階采用PC220挖掘機(jī)開挖，裝10 t自卸汽車運(yùn)至附近的棄土場。為確保外坡角壓實(shí)度并適當(dāng)考慮碾壓機(jī)械的工作面要求，改性土鋪料時(shí)需超填。超填土料按照1∶1.5左右的坡比放坡，并嚴(yán)格按照碾壓試驗(yàn)獲得的參數(shù)控制鋪料厚度。根據(jù)不同的換填厚度，同一層以設(shè)計(jì)外坡腳為基準(zhǔn)，頂部超填寬度不小于30 cm。

采用進(jìn)占法鋪土，以避免卸料車對已鋪筑碾壓好的堤面造成過壓破壞。邊卸料、邊用推土機(jī)攤鋪，自卸汽車行走平臺及卸料平臺是該填筑層已經(jīng)初步攤平但尚未碾壓的填筑面；自卸汽車退行進(jìn)入工作面，不準(zhǔn)在工作面調(diào)頭。

攤鋪平整前，人工攤鋪出一塊標(biāo)準(zhǔn)面，推土機(jī)鏟刀貼近標(biāo)準(zhǔn)面進(jìn)行攤鋪平整，鋪土厚度用30 cm量尺插入測量，隨鋪隨量，當(dāng)整體鋪平后用水準(zhǔn)儀控制高程，每層攤鋪平整后校核填筑邊線。

3.4 碾 壓

主要采用20 t凸塊振動(dòng)碾施工，采用前進(jìn)、后退全振錯(cuò)距法碾壓，振動(dòng)碾平行于渠道方向行走，前進(jìn)、后退一個(gè)來回按兩遍計(jì)，振跡重疊不小于20 cm。將碾壓速度控制在2～4 km/h范圍內(nèi)，開始碾壓時(shí)采用慢速。碾壓層間需根據(jù)天氣和層面干燥情況灑水濕潤。對于局部邊角接頭處振動(dòng)碾無法碾到的地段，采用人工蛙夯壓實(shí)或沖擊夯等小型設(shè)備夯實(shí)。

碾壓完成后，根據(jù)施工規(guī)范和設(shè)計(jì)要求，采用環(huán)刀法取樣進(jìn)行壓實(shí)度檢測，填筑土料的壓實(shí)度按不小于0.98控制。如不符合要求，應(yīng)立即進(jìn)行補(bǔ)碾；若補(bǔ)碾后仍達(dá)不到要求，需查明原因，采取調(diào)整含水量等措施后再進(jìn)行碾壓，必要時(shí)將整層清除，確保填筑質(zhì)量。鋪料與碾壓工序宜連續(xù)進(jìn)行，若填筑層檢驗(yàn)合格后因故未繼續(xù)施工，或因擱置較久或經(jīng)過雨淋干濕交替使表面產(chǎn)生疏松土層時(shí)，復(fù)工前應(yīng)進(jìn)行復(fù)壓處理。

3.5 結(jié)合面的處理

銜接部位的填筑應(yīng)在渠道斷面方向超填土料削坡之前完成。填筑時(shí)清除較早填筑體沿渠道方向的超填土料。在新老填料相接的坡面上，先將表面松土鏟除至已壓實(shí)合格的土層為止，坡面需經(jīng)刨毛處理并將含水量控制在規(guī)定的范圍內(nèi)，才能繼續(xù)鋪填新土進(jìn)行壓實(shí)。

分段間若有高差的連接，應(yīng)以斜面相接且其坡度不小于1∶6并隨填筑面上升進(jìn)行削坡，削至質(zhì)量合格層。削坡合格后，應(yīng)控制好結(jié)合面土料的含水量，邊刨毛、邊鋪土、邊壓實(shí)。

填筑渠道與剛性建筑物相接時(shí)，施工應(yīng)符合下列要求：填土前，應(yīng)清除建筑物表面的粉塵及油污等；對表面的外漏鐵件(如模板拉模筋等)宜割除。填筑時(shí)，必須先將建筑物表面濕潤，邊涂泥漿、邊鋪土、邊夯實(shí)，涂漿高度應(yīng)與鋪土厚度一致，涂層厚度宜為3～5 mm，并應(yīng)與下部涂層銜接；嚴(yán)禁泥漿干涸后再鋪土、夯實(shí)。

3.6 削 坡

在改性土換填完成后、渠道混凝土襯砌施工前，人工配合挖掘機(jī)削坡。由有經(jīng)驗(yàn)的挖掘機(jī)操作人員按設(shè)計(jì)坡比削坡，削坡方向垂直于渠道軸線，由上向下順坡進(jìn)行。土料攏集于渠底后，裝車運(yùn)出作業(yè)面。削坡時(shí)應(yīng)預(yù)留8～15 cm厚的保護(hù)層。預(yù)留的保護(hù)層削坡時(shí)，將挖掘機(jī)斗齒前焊接一塊厚約20 mm的鋼板作為“刮板”進(jìn)行“粗削”，其長度同挖掘機(jī)斗寬，寬度約為15 cm，前緣與斗齒齊平，開挖方向垂直于渠道軸線，沿坡長自上而下將預(yù)留的保護(hù)層“粗削”至5 cm以下，然后架設(shè)削坡機(jī)“精削”剩余部分到設(shè)計(jì)斷面，期間測量人員全程檢查，直至坡面平整度和坡度符合規(guī)范要求。

4 雨季與冬季施工

4.1 雨季施工

(1)渠道土方的填筑應(yīng)盡量避開雨天施工。渠道開挖施工前，應(yīng)對穿越工程場地的地表和地下水采取妥善的截排措施，以保證填筑作業(yè)面干地施工條件。

(2)降雨到來之前，應(yīng)及時(shí)用平碾壓實(shí)作業(yè)面并做成中央凸起向兩邊傾斜。日降雨量大于50 mm時(shí)應(yīng)停止填筑施工；對已經(jīng)攤鋪好的改性土經(jīng)平碾壓實(shí)后及時(shí)用彩條布或薄膜覆蓋。

(3)對已填筑成型的渠堤，在填筑坡腳外設(shè)置排水溝并保持排水通暢，以利于雨水匯集排放。對修坡完成后的渠堤段鋪設(shè)塑料薄膜，防止雨水沖刷。對于填筑成型未修坡的堤段，在堤頂設(shè)置擋水土埂，坡面設(shè)置梯形埂以增強(qiáng)其抗沖刷能力，保護(hù)坡面。渠堤內(nèi)開挖應(yīng)帶有坡度，在內(nèi)坡腳處間隔設(shè)置齒槽以匯集雨水，有利于抽排，防止其長時(shí)間浸泡渠堤基礎(chǔ)。

4.2 冬季施工

(1)冬季土方填筑施工原則。

雨雪天氣不進(jìn)行土方的填筑施工。為防止填土中含有凍土，鎮(zhèn)平三標(biāo)均在溫度2 ℃以上進(jìn)行土方的填筑施工。

(2)土料保護(hù)措施。

填筑用土料均集中堆存且高度大于5 m。由于土料場的儲(chǔ)存土和翻曬完后的碎土機(jī)碎出來的土均存在一定的含水率，在未進(jìn)行土料填筑施工的時(shí)間內(nèi)，所有土料均采用1 mm厚的塑料薄膜遮蓋，選用料內(nèi)嚴(yán)禁有冰塊夾入土料內(nèi)。

5 施工質(zhì)量控制要點(diǎn)

水泥改性土換填施工過程中容易出現(xiàn)的問題有：土料拌合不均、層間結(jié)合面風(fēng)干、漏壓、彈簧土等。針對以上問題，需要采取以下措施予以預(yù)防：

(1)為保證拌合土料的均勻性，除嚴(yán)格控制土料粒徑外，穩(wěn)定土拌合機(jī)拌合時(shí)間對土料均勻性的影響很大，拌合時(shí)間需通過試驗(yàn)確定。

(2)填筑時(shí)采用進(jìn)占法施工。由于換填的厚度較小，必要時(shí)可適當(dāng)采用推土機(jī)推送。

(3)結(jié)合面的處理。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)行上一層鋪土施工前，需要對結(jié)合面灑水。

(4)水泥改性土拌制完成后，需要在現(xiàn)場取樣檢測拌合質(zhì)量，檢測時(shí)主要檢測拌合的均勻度以及水泥含量、含水量是否滿足要求。

(5)攤鋪時(shí)水泥改性土的含水率宜高于最佳含水率1%～2%，以補(bǔ)償在攤鋪及碾壓過程中的水分損失。

6 影響工效的因素

(1)工 序。水泥土施工的工序包括膨脹土料的運(yùn)輸、碎土、拌制、碾壓、削坡等多個(gè)工序，在進(jìn)行施工組織時(shí)需充分考慮。

(2)水泥摻量。因膨脹土料的性質(zhì)不同，水泥的摻量亦不同，故工效也不相同。

(3)碾 壓。渠道換填水泥改性土要求的壓實(shí)度高，工效較低。

(4)換填厚度及削坡處理。換填厚度對工程效率影響很大。換填厚度較小時(shí)，為保證填筑質(zhì)量、滿足碾壓機(jī)械的工作面要求，超填量所占比例較大，在削坡時(shí)投入的機(jī)械和人工數(shù)量較多，土料損耗較大，導(dǎo)致效率降低。

7 結(jié) 語

水泥改性土換填是南水北調(diào)中線渠道工程施工采用的關(guān)鍵技術(shù)，鎮(zhèn)平三標(biāo)全長11.825 km，填筑水泥改性土方量高達(dá)127萬m3，以上實(shí)施的換填施工工藝基本上全程指導(dǎo)著施工。該工程于2014年底通水，渠道安全運(yùn)行至今，說明該施工工藝是成功的。該施工工藝在膨脹土地區(qū)水泥土換填時(shí)可以做到連續(xù)施工，亦適宜開展大規(guī)模的施工，所取得的經(jīng)驗(yàn)在今后的水泥土換填施工中值得推廣。