南水北调工程土石方平衡技术的应用与研究

李志斌

(中国水利水电第二工程局有限公司，北京 100011)

1 概述

该研究项目为南水北调中线一期工程总干渠黄河北～羑河北段鹤壁段施工Ⅰ标，位于河南省鹤壁市淇县，标段全长11 km，均为明渠，标段内有各种建筑物24座，其中左排建筑物9座、分水口1座、桥梁12座、渡槽2座。渠道断面为梯形，设计渠底宽度为19 m，渠 底 高 程 为90.061～89.668 m，渠道内一级边坡坡比为1∶2，一级马道(堤顶)宽5 m，外坡为 1∶2 ～1∶1.5，渠道纵比降为1/28 000。全渠段采用混凝土衬砌。在渠道开口线与永久占地线之间设有截(导)流沟、防洪堤及林带。

地质勘察资料显示，该标段为粘砾多层结构段，卵石呈胶结状，土石方开挖以半挖半填为主，挖方次之，挖方深度一般为4～9 m，最大挖深约16 m。

通过进行土石方平衡计算和调配，力求资源的合理配置和进度满足施工需要并在经济上达到利益最大化。

2 土石方平衡计算的依据

(1)总干渠鹤壁段(第Ι标段)渠道平面布置图;

(2)总干渠鹤壁段(第Ι标段)渠道纵断面图;

(3)总干渠鹤壁段(第Ι标段)渠道开挖图;

(4)总干渠鹤壁段(第Ι标段)渠道横断面图;

(5)总干渠鹤壁段(第Ι标段)渠道湿陷性黄土处理布置图;

(6)渠道土石方开挖、回填技术要求;

(7)建筑物开挖图纸;

(8)鹤壁Ⅰ标设计地勘报告及地勘纵剖面图;

(9)招、投标文件;

(10)《堤防工程施工规范》SL260;

(11)施工组织设计及土石方开挖、回填施工方案;

(12)土石分界测量成果。

3 土石方平衡计算

3.1 计算依据

(1)渠道土石方计算按照设计开挖断面图进行计算;

(2)建筑物土石方按照设计图纸进行计算;

(3)渠道细部土石方按照设计图纸进行计算;

(4)换填段按照设计图纸进行计算;

(5)土方分界参照设计地勘纵剖面图进行区分，以便确定可利用的土方和外弃土方。

3.2 土石方工程量计算过程说明及计算结果

(1)渠道土石方计算过程及结果。

渠道土石方计算以实测原状地形图和设计开挖断面套用进行计算，计算的精度为20 m(20 m为测量断面的精度要求)。经计算，渠道开挖的土石方量为392.8万 m3，其中清基45.2万 m3。

(2)左排建筑物土石方计算过程及结果。

左排建筑物土石方的计算以实测原状地形图和建筑物开挖图套用进行计算，计算后扣除建筑物与渠道较差部分的土石方工程量。经计算，左排建筑物开挖的土石方方量为56.9万m3。

(3)渡槽、分水口土石方计算过程及结果。

分水口土石方计算以实测地形套用设计开挖图纸进行计算。经计算，分水口土石方开挖工程量为 5.9 万 m3。

(4)桥梁土石方计算过程及结果。

桥梁土石方开挖已在渠道开挖中进行过计算。由于桥梁工程需要占压一定的渠道开挖，占压的工作面在渠道回填阶段不能开挖，即不能作为土石方平衡的一部分，故该部分单独计算，以便于土石方平衡和调配。经计算，桥梁土石方开挖量为 6.5 万 m3。

(5)细部结构土石方开挖计算过程及结果。

细部结构主要包括导流沟、截流沟的开挖，经计算，细部结构土石方开挖量为13.9万m3。

(6)土石方开挖小计及说明。

根据上述计算可知，该标段土石方开挖总量为476万m3。

(7)渠道回填土石方计算及结果。

渠道土石方回填计算以清基后的基础面和设计回填断面套用进行计算。计算的精度为20 m(20 m为测量断面的精度要求)。经计算，渠道回填的土石方方量为124万m3。

(8)倒虹吸回填土石方计算及结果。

倒虹吸回填按照开挖断面和回填断面套用进行计算。经计算，倒虹吸回填工程量为37万m3。

(9)桥梁回填土石方计算及结果。

桥梁回填按照清基面和回填断面套用进行计算。经计算，桥梁回填工程量为24万m3。

(10)渡槽、分水口土石方计算及结果。

渡槽、分水口回填土石方计算以开挖基础和回填断面进行套用计算。经计算，回填量为2.4万m3。

(11)土石方回填小计及说明。

综合以上回填单项，加上该项目的弃土回填量(集中低洼段的回填)28.1万m3，该项目回填总量为215.5万 m3。

3.3 土石方平衡分析

根据设计土石方开挖和回填技术要求，渠道清基的45.2万m3用于复耕，不可作为回填;由于桥梁与渠道同时施工，需要占用一定的渠道施工作业面，该部分不能进入土石方平衡计算，后期作为桥梁引道回填考虑;细部结构需要在渠道主体结构施工完毕进行开挖，且开挖强度和方量均不大，开挖物不考虑用于回填，不考虑进行土石方平衡;渡槽、分水口的土石方基本满足该部分的回填，不进行总体平衡考虑。另外，根据地质勘察资料，该标段有80万m3的砂卵石不能用作回填，只能作为弃土。

综上所述，该标段可用于回填的土石方为184.4万 m3，回填总量为215万 m3，考虑到桥梁引道回填利用桥梁占压渠道工作面的土方进行回填土6.5万m3，渡槽、分水口利用相应部位的开挖料进行回填可满足需要，故可参与平衡的回填量为208.5万m3。考虑回填压实系数为0.85，则需要的回填自然方为245万m3。所以，总体上本标段开挖料不能满足回填，需要60.6万m3该外部取土(由于取土场暂时不能确定，故暂不做取土的平衡分析)。

4 施工分段及总体施工安排

4.1 施工分段

前期，因取土场不能确定，在取土不进行平衡考虑的前提下，最经济的施工方式为——开挖至回填的运距最短，即开挖的土料就近进行回填(土方运距不超过2 km为界限)为最经济。弃土就近弃往弃土场(经分析，也是最经济的)，故根据对渠道开挖可利用土和回填需土量进行的分析、比较，将渠道施工总体上分为四段，具体划分为:

桩号Ⅳ144+600～Ⅳ147+000之间的2.4 km为第一段(开挖量较小，回填量较大，土方不能平衡);

桩号Ⅳ147+000～Ⅳ150+000之间的3 km为第二段(开挖量较大，回填量较小，可平衡，有余土);

桩号Ⅳ150+000～Ⅳ152+600之间的2.6 km为第三段(开挖量较大，回填量较小，可平衡);

桩号Ⅳ152+600～Ⅳ155+600之间的3 km为第四段(开挖量较大，回填量较小，可平衡，有余土)。

在每个分段内，根据建筑物的布置再组织流水施工。

4.2 土石方施工总体安排及说明

由于该项目为渠道线性工程，根据总进度计划得知，该项目的关键线路为渠道工程，渠道工程的施工重点及关键线路是渠道的开挖、回填及衬砌，故在施工组织上重点围绕这几个方面进行，其它方面及时插入进行。

按照项目的分段，该标段第一分区和第三分区的土方在分段内不能平衡，故其总体部署如下:第一分区在清基完成后主要进行土方回填工作，尤其是标段的起始1 km部位需要进行换土处理，回填施工从小桩号向大桩号进行;第二分区开挖、回填同时进行，将多余的土方运往第一分区进行回填;第三分区开挖、回填同时进行，回填施工首先进行分区内高填方的回填，然后从小桩号向大桩号方向进行回填;第四分段由于有大量的建筑物，故首先安排建筑物的开挖，在建筑物施工到一定程度后开始渠道的土石方开挖工作，避免土石方开挖全面展开给建筑物施工带来不利的影响，同时考虑到向施工三区运土。在渠道开挖完毕，施工一区和三区还需从外部取土。

5 施工方法简述

5.1 开挖工艺流程

土石方开挖施工工艺流程为:

施工准备→场地移交→测量放线→清基→土石方分步开挖→土石方运输→预留保护层开挖→结构层施工。

5.2 开挖施工方法

根据设计要求的渠道开挖与回填技术标准和设计图纸及施工部署，渠道土石方开挖分两次开挖到位，第一次开挖只进行渠道大面的开挖，开挖后预留0.5 m左右的保护层，以防汛期暴雨冲刷边坡;第二次开挖在具备渠道衬砌条件时进行，二次开挖至结构底。二次开挖时采取人工配合机械的开挖方式，在开挖的同时垫层、保温、防渗及衬砌及时跟进，避免开挖面长时间的暴露而扰动原状土。

土方开挖采用1.2～2 m3的反铲挖掘机进行开挖，15～20 t自卸汽车运输，将开挖的表土运至弃渣场，将可利用的土方根据土方分段就近进行填筑，将不可利用的土方运至弃渣场堆放。

对于开挖深度在5 m以内的可一步开挖到预留保护层的上面;对于开挖深度大于5 m的部分则采取分步开挖，分步厚度视开挖深度在3～5 m之间选择。

土方填筑采用自卸汽车卸料，装载机配合推土机进行平整，振动碾、羊角碾进行碾压，碾压参数按照现场土方碾压试验确定的参数进行，试验采用环刀取样进行试验。

土方填筑工艺流程见图1。

图1 土方填筑施工工艺流程图

5.3 土方填筑工艺流程

5.4 土方填筑施工方案

(1)渠道堤基的清理与压实:堤基清除表层土厚30 cm，清理范围为堤身设计基面边线外50 cm，基础清理完成后应进行碾压。堤基范围内的坑、沟、槽等按堤身填筑要求进行回填处理。

(2)填筑施工时，分段流水作业，每段按200 m划分。统一铺料、统一碾压。回填料碾压机械的走向要平行渠道轴线。分段碾压，相邻作业面的搭接碾压宽度在平行堤轴轴线方向不应小于0.5 m，垂直渠道轴线方向不应小于3 m。

(3)渠堤填筑体分层回填、分层碾压并留有适当的削坡余量。填筑土料的压实度应不小于100%。

(4)根据碾压机械、回填料的性质等进行碾压试验，确定最优含水量、铺料厚度和碾压遍数。施工时按监理人批准的机械进行碾压，并使填料按规定的松铺厚度均匀、平整地摊铺在要求的宽度上。机械碾压时，将碾压行进速度控制在2 km/h左右;对于机械碾压不到的部位，应辅以夯具夯实，夯实时应采用连环套打法，夯迹双向套压，夯压夯1/3，行压行1/3;分段、分片夯实时，夯迹搭压宽度不小于1/3夯径。

(5)采取分段分层填筑碾压，各段土层之间设立标志，以防漏压、欠压和重压。段与段之间的填筑结合部位要求以1∶3缓坡相接。

(6)碾压采用的土料要将含水量控制在最优范围内，否则要采取翻晒或洒水等措施调节含水量，使之达到要求方可填筑。每层填筑后，应检查其干密度达到要求并需经监理验收合格后方可进行下一层填筑。气候干燥时，土料碾压前要适当洒水，以利于充分压实，填筑土料的含水率与最优含水率的允许偏差为－2% ～+3%，日降雨量大于50 mm时，应停止填筑施工。

(7)填筑采用自卸车运料、推土机摊铺，振动碾和羊脚碾碾压，在局部靠近建筑物规定范围内采用人工配合蛙式夯夯实。进行碾压时，根据碾压试验获得的铺土厚度、碾压遍数等参数进行施工。

(8)下雨前采取措施，防止雨水下渗并及时压实作业面表层松土，将作业面做成拱面或坡面，以利排水。雨后，对填筑面进行晾晒、复压、刨毛处理，必要时对表层再次进行清理，并待填筑面含水量调整至合格范围才能恢复施工。

(9)不在负温下施工。如必须施工时，应在具备保温措施时，允许在气温不低于－10℃的情况下施工。在负温条件下进行填筑时，取正温土料，装土、铺土、碾压、取样等工序采取快速连续作业，土料压实时的气温必须在－1℃以上。负温下填筑时，粘性土含水量不大于塑限的90%，铺土厚度比常规填筑时减薄，或采用重型机械碾压。填料中不夹冰雪。

(10)对占压堤身断面的上堤临时坡道做补缺口处理，将已板结的老土刨松，并与新铺土料统一按填筑要求分层夯实。

5.5 运输道路的设置

场内施工主干道布置在渠道的右岸，沿标段全线布置，路宽8 m，泥结碎石路面，路面比清表后的地面高20 cm，向外侧泛水2%。

该标段主干线通往弃渣场和下基坑的临时道路按施工需要修建，为路宽7 m的泥结碎石路面，随开挖深度不断进行填压，路的坡度不大于10%。

在进行跨渠建筑物施工时，为不影响渠道通行，在建筑物的两侧修建施工道路，路宽6 m，泥结碎石路面;生产、公路桥施工前修建分流道路，分流道路宽同原通行道路宽度，路面做法同原路面做法。

在桥梁两侧各预留30 m宽的桥梁工作面，并在两侧做下渠底道路。

5.6 施工机械设备的配置(表1、2)

表1 施工机械设备配置表

表2 试验仪器设备配置表

6 结语

(1)根据项目实施情况，渠道等线性工程项目的土石方开挖宜采取分区、分段流水施工作业方式，土石方平衡对整个项目的成本起着很大的作用。土石方平衡工作做的越细、越准确，现场越容易操作，成本越容易控制。该项目采取以开挖控制断面间距为计算断面的方式可行、可控，并且在渠道土石方的施工过程中充分考虑了建筑物施工时段、工作面的留置等问题，避免了土方的来回倒运，节省了项目成本。

(2)从对机械设备的配置和过程进行的调查与调整来看，线性工程土石方工程的设备配置在工期合理的情况下，开挖设备的数量宜为渠段长度加1，运输设备宜根据开挖设备的大小进行配置，一般一台0.8 m3的开挖设备宜配置4～6台15～20 t的运输车辆，这样的配置避免了设备的窝工与闲置。

(3)在线性工程中有建筑物时，宜先进行建筑物的开挖，为后续工作创造条件，也便于进行后期土石方的调配工作。

[1]水利水电工程施工手册编委会.水利水电工程施工手册[M].北京:中国电力出版社，2005.

[2]江正荣，编.简明施工工程师手册[M].北京:机械工业出版社，2007.