淺談引江濟(jì)淮工程膨脹土河渠開挖施工技術(shù)的應(yīng)用

(中國(guó)水利水電第五工程局有限公司第一分局，成都，610066)

1 工程概況

引江濟(jì)淮工程蜀山泵站樞紐位于合肥境內(nèi)江淮分水嶺南側(cè)寧西鐵路橋北側(cè)約1.0km處，樞紐所在樁號(hào)29+530～32+100，總長(zhǎng)2.57km。蜀山泵站樞紐主要包含：引水泵站、船閘、泄水閘、向陽跌水涵、連接渠道及兩岸防洪堤等主要建筑物。建筑物及河渠均為崗地開挖，開挖底寬60.0m～110.2m，深度10m～30m。兩側(cè)每6.0m高設(shè)一道4.0m寬平臺(tái)，各級(jí)邊坡均采用1∶3.0。樞紐開挖結(jié)構(gòu)斷面見圖1。

圖1 蜀山泵站樞紐開挖結(jié)構(gòu)斷面示意

2 地質(zhì)條件

從揭露的地質(zhì)鉆探資料分析，蜀山泵站樞紐邊坡土質(zhì)多為上部弱或中膨脹土、砂性土，下部軟巖結(jié)構(gòu)，軟巖結(jié)構(gòu)為全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、中等風(fēng)化粉砂巖或泥巖。本工程全為混合邊坡，影響穩(wěn)定的主要因素除巖體風(fēng)化程度外，存在邊坡高地下水位出溢問題及高邊坡穩(wěn)定問題。

坡頂⑤層重粉質(zhì)壤土、粉質(zhì)粘土具有中等膨脹性；下部邊坡及渠底⑨3層中等風(fēng)化～新鮮粉、細(xì)砂巖具有失水干裂、遇水崩解等特性。根據(jù)⑤層膨脹土自由膨脹率試驗(yàn)數(shù)據(jù)分布規(guī)律，對(duì)其膨脹性進(jìn)行等級(jí)劃分，具體詳見表1。

表1 ⑤層膨脹土特性及等級(jí)劃分

3 施工工藝原理及流程

3.1 施工工藝原理

在開挖施工過程中，采取“逐層開挖排水溝以有效排除滯水、滲水，分層分段開挖施工”的開挖方式，同時(shí)采取臨時(shí)支護(hù)或臨時(shí)覆蓋、預(yù)留不小于50cm保護(hù)層和后續(xù)工序跟進(jìn)等措施，有效隔絕陽光爆曬，雨雪沖刷，以減少邊坡土體失水收縮硬裂、遇水膨脹軟化和強(qiáng)度衰減而引發(fā)的邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象，從而降低安全風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 施工工藝流程

膨脹土開挖施工工藝流程詳見圖2。

圖2 膨脹土開挖施工工藝流程

4 施工方法

4.1 施工準(zhǔn)備

4.1.1 周邊截水溝的開挖與處理

正式開挖施工前，在河渠兩側(cè)開挖線外設(shè)置臨時(shí)截水溝，防止地表水流入開挖施工作業(yè)面內(nèi)，以減少對(duì)河渠邊坡的沖刷和侵蝕。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地形匯水條件，截水溝與開挖施工區(qū)域外水系通道連通。

為確保截水溝起到匯水作用，在開挖線與截水溝之前做成向截水溝傾斜的緩坡，以免坡頂積水。同時(shí)為防止截水溝滲水影響邊坡穩(wěn)定，截水溝采用土工膜防滲。

4.1.2 地表清理

開挖施工前首先對(duì)開挖范圍內(nèi)的表層植被進(jìn)行清理挖除，清表厚度30cm～50cm，清理邊線延伸至最大開挖邊線外側(cè)5m的距離。表層清理采用SD22推土機(jī)集料，用PC400液壓反鏟裝20t自卸汽車運(yùn)送到指定位置堆放。場(chǎng)地清理過程中，盡可能保護(hù)清理區(qū)域范圍外的天然植被和農(nóng)作物。

4.1.3 測(cè)量放線

首件工程實(shí)施前對(duì)發(fā)包人提供的水準(zhǔn)點(diǎn)、中心樁號(hào)進(jìn)行復(fù)測(cè)，布設(shè)施工控制網(wǎng)。然后根據(jù)布設(shè)控制網(wǎng)及水準(zhǔn)點(diǎn)每20m設(shè)置加密水準(zhǔn)點(diǎn)。

坡腳、坡頂開挖線測(cè)量控制：先根據(jù)設(shè)計(jì)施工圖紙計(jì)算進(jìn)水渠中心線距離邊坡坡腳水平距離，然后以進(jìn)水渠中心線為基準(zhǔn)測(cè)放放坡腳線和高程(若遇圓弧段采取加密測(cè)量的方式)，并每間隔20m設(shè)置一個(gè)固定樁。坡腳線測(cè)量布設(shè)完畢后嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)邊坡坡比計(jì)算出邊坡與固定樁同一斷面的坡頂邊線，并測(cè)放出設(shè)計(jì)邊坡坡頂邊線，同時(shí)設(shè)置固定樁。所設(shè)立固定樁在施工階段必須做好保護(hù)工作，不得損壞。

4.2 土方開挖

4.2.1 開挖方法

土方開挖采用PC400液壓挖掘機(jī)按自上而下的順序倒退法分段分層開挖，分層厚度每層控制在3m～4m，分段長(zhǎng)度控制在20m～30m(一次性開挖作業(yè)面不宜過大)。開挖土方液壓挖掘機(jī)直接裝20t自卸汽車運(yùn)輸?shù)街付ǖ囊?guī)劃棄渣場(chǎng)堆存。分層斷面詳見圖3。

圖3 蜀山泵站開挖典型斷面分層示意

開挖時(shí)先對(duì)河渠兩側(cè)邊坡坡腳處開挖，首先形成排水溝，排水溝距坡角>2.0m(每層開挖前，排水溝都優(yōu)先形成，且低于每層開挖底面50cm～100cm)，然后進(jìn)行大面積土方開挖施工。針對(duì)同一個(gè)斷面、同一開挖層，由河渠左右兩岸邊坡向中間開挖，以利于開挖層間排水。具體見圖4。

圖4 開挖施工過程中典型斷面示意

同一開挖區(qū)段內(nèi)的開挖面要求平行均衡下降，當(dāng)不能平行均衡向下開挖時(shí)，兩者高差不宜大于一個(gè)開挖梯段，且必須保持一定的坡度(坡度為1∶2)，要求坡度必須大于邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)1.2。開挖過程中，邊坡預(yù)留保護(hù)層50cm(垂直于邊坡)，在河渠邊坡永久結(jié)構(gòu)施工前開挖揭示。自上而下開挖至每一級(jí)馬道后必須停止開挖，進(jìn)行邊坡防護(hù)措施施工后方可進(jìn)行下一層開挖。

按照上述方法依次循環(huán)開挖至建基面，建基面預(yù)留100cm～150cm保護(hù)層在永久結(jié)構(gòu)施工前開挖。

4.2.2 開挖注意事項(xiàng)

(1)土方開挖施工過程中，嚴(yán)格遵循“先挖后支、挖支交替，豎向分層、縱向分段，嚴(yán)禁超挖”的原則組織施工。

(2)開挖期間，隨時(shí)注意觀測(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)的變化動(dòng)態(tài)，發(fā)現(xiàn)異常情況要立即停止開挖，分析原因，采取有效措施處理后，方可繼續(xù)施工。

(3)河渠四周3m范圍內(nèi)嚴(yán)禁堆土、堆料或停放機(jī)械設(shè)備，如挖掘機(jī)履帶、自卸車、裝載機(jī)等設(shè)備。3m范圍以外地面堆載要求≤20kPa。各級(jí)邊坡或開挖平臺(tái)上嚴(yán)禁堆載。

4.3 邊坡防護(hù)

由于膨脹土的特殊性質(zhì)，在開挖施工過程中盡量減少大氣環(huán)境影響的時(shí)間和避免雨雪沖刷邊坡。因此，根據(jù)蜀山泵站特點(diǎn)臨時(shí)防護(hù)分兩種形式，分別為預(yù)留保護(hù)層覆蓋和噴射混凝土。

(1)對(duì)于河渠較深的部位，采取開挖一層錨噴支護(hù)一層的施工方式臨時(shí)防護(hù)。錨噴支護(hù)為噴射C20素混凝土，厚度為5cm。

(2)對(duì)于河渠較淺的施工部位，采取預(yù)留保護(hù)層與覆蓋相結(jié)合的方式臨時(shí)防護(hù)。結(jié)合蜀山泵站樞紐工程的地質(zhì)條件，在開挖施工過程中，邊坡預(yù)留保護(hù)層50cm(垂直于邊坡)，同時(shí)每開挖一層鋪設(shè)一層密目呢絨網(wǎng)覆蓋，然后播撒草籽，利用生態(tài)作臨時(shí)防護(hù)。

4.4 施工排水

土方分層開挖施工期間，采取設(shè)置臨時(shí)排水溝與集水井相結(jié)合的排水方式及時(shí)排除滲水或雨水。

首先在距離河渠兩側(cè)邊坡坡腳2.0m位置平行河渠軸線開挖臨時(shí)排水溝，其排水溝低于分層開挖的分層線50cm～100cm，用于匯集邊坡層間滯水、滲水和雨水。在每一開挖區(qū)段端部合適位置設(shè)置臨時(shí)集水井，與臨時(shí)排水溝連通，集水井內(nèi)布置污水泵，開挖區(qū)域內(nèi)結(jié)合實(shí)際情況設(shè)置臨時(shí)支溝并與臨時(shí)排水溝連通。當(dāng)施工期降雨形成地面徑流或出現(xiàn)層間滯水、滲水時(shí)，水流通過臨時(shí)支溝、臨時(shí)排水溝匯集到臨時(shí)集水井內(nèi)，利用污水泵抽排至開挖線外兩側(cè)設(shè)置的排水溝內(nèi)。排水溝和臨時(shí)支溝跟隨著開挖施工作業(yè)面平行下移，并始終保持臨時(shí)排水溝底部標(biāo)高低于開挖分層線，臨時(shí)集水井底部標(biāo)高低于臨時(shí)排水溝溝底，確保開挖施工作業(yè)面無明水。

4.5 保護(hù)層開挖

保護(hù)層是為了保護(hù)邊坡和建基面不受大氣環(huán)境的影響而臨時(shí)預(yù)留的土層。在進(jìn)行永久結(jié)構(gòu)施工前，需將保護(hù)層開挖至設(shè)計(jì)邊坡和設(shè)計(jì)建基面。

保護(hù)層開挖采用人工配合PC220反鏟薄層開挖。嚴(yán)格按照測(cè)量放線設(shè)置的固定樁，采取“沿?cái)嗝鎾炀€”的控制方式，利用挖掘機(jī)在坡面上每隔20m開挖岀樣槽，然后由有經(jīng)驗(yàn)的挖掘機(jī)操作人員按照樣槽進(jìn)行自上而下順坡薄厚層開挖，開挖方向垂直于河渠軸線。開挖渣料攏集于坡腳位置，裝于20t自卸汽車運(yùn)至指定位置堆放。

為了減少超挖，當(dāng)保護(hù)層開挖至設(shè)計(jì)邊坡結(jié)構(gòu)線和建基面時(shí)預(yù)留10cm～15cm薄土層。薄土層開挖分兩種形式：一是邊坡施工部位采用削坡機(jī)開挖施工，削坡機(jī)平行于河渠軸線方向運(yùn)行，開挖渣料攏集到坡腳位置；二是河渠底板施工部位開挖施工，將挖掘機(jī)斗齒前焊接一塊厚約20mm的鋼板作為“刮板”，長(zhǎng)度同挖掘機(jī)斗寬，寬度約為15cm，前緣與斗齒齊平，開挖方向垂直于渠道軸線，開挖渣料直接攏集到底板不影響開挖的邊緣位置。

5 雨季施工措施

(1)雨季開挖施工期間，采用排水溝與集水井相結(jié)合的方法加強(qiáng)排水工作。正式開挖施工前，在開挖邊線外設(shè)置截水溝，防止水流沖刷坡面。每層開挖之前，首先在河渠兩側(cè)邊坡開挖排水溝，同時(shí)在各開挖區(qū)段端部設(shè)置臨時(shí)集水井，并相互連通。通過在集水井內(nèi)設(shè)置污水泵將開挖區(qū)內(nèi)雨季匯水和滲水抽排至開挖線外截水溝內(nèi)，從而引排至開挖區(qū)域外，確保施工作業(yè)面無積水。

(2)針對(duì)已開挖未及時(shí)作臨時(shí)防護(hù)的施工部位，采用塑料布覆蓋的方式防止雨雪水滲入邊坡。覆蓋時(shí)采用上層塑料布?jí)合聦铀芰喜嫉姆椒?，相鄰兩塊塑料布搭接長(zhǎng)度不小于1.0m。覆蓋過程中要做到不留死角，坡頂?shù)姆雷o(hù)范圍較坡腳的防護(hù)范圍適當(dāng)加大。

(3)開挖施工過程中，隨時(shí)檢查邊坡的穩(wěn)定情況，如發(fā)現(xiàn)邊坡出現(xiàn)裂縫等不安全因素，應(yīng)立即停止該施工部位開挖施工，并制定相應(yīng)處理措施，確定無安全隱患后方可繼續(xù)施工。

(4)提前規(guī)劃，為避免雨季影響開挖施工通道，開挖施工作業(yè)至開挖棄渣場(chǎng)的主要施工干道均采用C25混凝土路面，厚30cm。開挖區(qū)域和棄渣場(chǎng)區(qū)域內(nèi)通道采取鋪設(shè)鋼板的方式，為防止車輛打滑，在鋼板上采取防護(hù)措施(如：每間隔20cm焊接1根φ16鋼筋)。同時(shí)成立道路維護(hù)隊(duì)伍，專門進(jìn)行開挖施工作業(yè)通道維護(hù)。

(5)合理選擇開挖施工機(jī)械設(shè)備。為防止雨季出現(xiàn)陷車現(xiàn)象，盡量選擇履帶式機(jī)械設(shè)備進(jìn)入開挖施工作業(yè)面。

6 開挖施工成效分析

經(jīng)過采取合理的開挖施工方法，河渠土方開挖效率得到有效提高，最高峰月開挖強(qiáng)度達(dá)60萬m3。質(zhì)量得到較好地控制，最大欠挖控制在2cm以內(nèi)，最大超挖控制在10cm以內(nèi)。質(zhì)量驗(yàn)收評(píng)定全部合格，一次驗(yàn)收通過率100%，其中優(yōu)良率98.2%。

7 結(jié)語

引江濟(jì)淮蜀山泵站樞紐工程通過膨脹土河渠開挖施工技術(shù)的應(yīng)用，有效減少了邊坡坍塌安全隱患，降低了雨季或遇透水層開挖施工難度，同時(shí)提高了膨脹土開挖施工效率，質(zhì)量得到較好控制，為引江濟(jì)淮工程的建設(shè)奠定了一定基礎(chǔ)，可為類似地質(zhì)條件下土方開挖提供較好的借鑒，值得推廣應(yīng)用。