南水北调中线工程改性土填筑施工工艺

□袁晏龄(南水北调中线建管局河南分局)

1 概述

南水北调中线一期总干渠陶岔渠首-沙河南（中线建管局直管项目）淅川段工程施工六标总干渠桩号为37+319—44+700，全长7.38km，渠道土体多为中膨胀土，局部具有强膨胀性。地面高程136.50～156m，地形较起伏。标施工渠段，既有高填方段，半挖半填段，又有全挖方渠段，施工工序复杂，施工难度大。工程存在的主要问题是：膨胀土问题、地基不均匀沉降问题、渠坡稳定问题。

2 渠道施工地质条件

2.1 桩号37+319～39+800渠段

从赵集镇冀寨村北过湍河渡槽出口起，向东止于黑白洼村南，全长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，为以粘性土地基为主的填方段。地基土体主要为al-lQ3粉质粘土、粉质壤土，厚3.5m～9m,黄褐、灰黄色，呈可塑状～坚硬状，裂隙较发育，含少量铁锰质结核及钙质结核。下部为中细砂。下部砂层含水，具中等透水性，渠段地下水位127.80～130.50m。Q3粉质粘土、粉质壤土具中等压缩性，土体强度满足上部荷载要求。但由于填方高度一般>10m，存在地基不均匀沉降工程地质问题，需采取清基处理。

2.2 桩号39+800～40+900段

属中膨胀土渠段，长1.10km，地面高程137～146m，挖深0～7m，填高2.50～10m，属半填半挖渠段。渠坡主要由dlQ和Q2粉质粘土组成。该渠段局部分布厚1.50～2.50m的坡积粉质粘土，分布长750m，具大孔隙比、低抗剪强度和低承载力，土层底面接近或高于渠底高程，建议适当挖除。Q2粉质粘土层具中等膨胀性，中等压缩性，裂隙较发育，分布于渠坡中下部位。上层滞水地下水位133.60～136.80m。Q2土体具中等膨胀性，渠坡高度小于10m，渠坡稳定性一般。

2.3 桩号40+900～44+700段

为中膨胀土段，地面高程142～156m，渠底高程137.55～137.31m，挖深8～19m。其中桩号41+620～44+700渠段，挖深>15m，渠坡由Q2粉质粘土、粘土组成。Q2粉质粘土、粘土具中等膨胀性，网状裂隙发育，裂面多光滑并充填有灰白色粘土，抗剪强度低。上层滞水地下水位138.50～154.80m，局部需施工排水。土体裂隙发育，具中等膨胀性，局部具强膨胀性，膨胀性不均一。

3 主体工程

桩号37+319～39+800渠段，为以粘性土地基为主的填方段。渠线从赵集镇冀寨村北过湍河渡槽出口起，向东止于黑白洼村南，全长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。

桩号39+800～40+900渠段，为半填半挖渠段。属中膨胀土渠段，长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进行换填，地面以上同全填段采用外包改性土的施工方法。桩号40+900～44+700渠段，为全挖断。属中膨胀土段，挖深8～19m。其中桩号41+620～44+700渠段，挖深>15m，整个坡面采用改性土进行换填。

4 渠段土质分析

4.1 改性土碾压实验成果

改性土碾压实验成果见表1。

土料经过添加水泥改性后，实验成果变化如下：当水泥掺量在5%、6%时，各样本水泥改性土28d自由膨胀率都在原状土膨胀率60%界限以下，即均能满足28天自由膨胀率≤0.60α的要求。6%水泥掺量与5%水泥掺量，改性土28d自由膨胀率抑制效果更好，但抑制效果不显著，从工程经济性考虑，确定本标段水泥改性土掺量为5%。

表1 冀寨新村土料场水泥改性土碾压试验成果表

4.2 改性土生产工艺试验成果

冀寨新村土场的碾压试验成果见表2

表2 冀寨新村土场的碾压试验成果见表

5 改性土工程施工

5.1 改性土施工工艺

土场清表→翻晒→初破碎→集料→中转运输→储料→碎土→拌制→运输→摊铺→洒水→碾压→检测→初削坡→精削坡

5.2 土料场降水控制施工

从改性土实验成果及改性土生产工艺实验成果可以看出：土料场土料含水率达26%～29%，改性土拌合的最优含水率在16%～19%。要满足改性土破碎及拌合要求，首先需要进行土料降水控制。土料场降水控制施工主要有挖排水沟及集水井，以便汇集土场雨水及上层滞水；利用土场大面积场地资源进行翻晒；增加土料的周转次数；对土料进行防雨保护。

5.3 土料翻晒

晒土场采用HP220推土机清表，清表厚度为50cm，土料翻晒按照分区分块先采用三台HP160推土机(120KW)带五铧犁将原土分层翻松，晾晒至土料含水适中利于旋耕破碎即可。

5.4 初碎及集料

经过五铧犁翻松的土料大多为大土块，且表面含水率容易降低，但内部降水困难。需要对翻松的土料加快晾晒降低含水量。采用旋耕机初破碎，根据土壤含水量隔时段进行旋耕，采用HP220推土机将土料堆集成堆。

5.5 土料中转、堆存及精破碎

对翻晒好的土料采用ZL-50型装载机或1.00m3挖掘机装10 t自卸汽车运至碎土设备处（中转料场），ZL-50型（3m3）装载机统一堆集至相应高度，采用彩条布等措施进行防雨遮阳，同时在堆存的土料四周开挖排水沟，以便把雨水引排至就近的排水沟道。

为满足改性土连续施工需要，特别是针对本地区多雨的气候特点，在各改性土拌和站规划一定面积场地作为土料储备堆存场，堆存土量按拌合站生产能力确定，目前拌和站生产能力按每套每小时300t，日生产量按15h计即为4500t，折合自然方为2500m3，每次雨后按7d后才能取得翻晒好的土料考虑，则每套改性土需储备堆存17500m3，堆存高度按3m计，则堆存场地需约5000㎡，在进行碎土施工前，针对不同土料场、不同含水量，结合土料开采及堆存方式进行生产性碎土工艺试验，并根据试验结果确定相应料场土料在确定的开采方式下的碎土生产工艺。通过前期碎土工艺性试验知道，土料适宜的碎土含水量及其变化范围基本上保持在16%～18%。

本标段采用的碎土设备为的WHB-700型碎土机，碎土首先将中转料场土料用ZL-50型（3m3）装载机上料，人工配合进行碎土。在天雨影响等因素下因中转料场断料情况下启动土料堆存场，对土料堆存场土料采用1.00m3挖掘机装车，10t自卸汽车运输至中转料场，然后ZL-50型装载机上料，人工配合进行碎土。碎土过程中应密切监测进入碎土场土料的含水量变化情况，含水量偏高时应通过翻晒、风干等措施降低含水量，含水量偏低时应适当洒水湿润。受雨淋或造成板结的碎土土成品料应重新破碎至满足碎土质量要求才能用于生产改性土。

碎土质量受碎土成品料土粒粒径级配控制，碎土粒径级配采用筛分法检测，合格土块粒径级配为：最大粒径≤10cm，10～5cm粒径含量≤5%，5～5mm粒径含量≤50%（不计僵石含量）。如土块颗粒不满足上述要求，则应采取调整筛孔尺寸、筛分剔除、调整碎土生产工艺及控制参数等措施，直至满足粒径要求。

5.6 改性土拌制

一是水泥改性土拌和前，由试验室依据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》，及时选用现场有代表性的改性土做室内 EDTA滴定试验，以开始掺入水泥后 30min、2、4、6、12h为时间参变量，测绘水泥含量标准曲线，以便检测后续生产的水泥改性土水泥含量，并经现场监理确认。二是水泥改性土拌和严格按照水泥改性土拌和生产性试验确定拌和机械的运行控制参数进行施工，采用WCZ-600或700、800型稳定土拌和站，皮带运输至拌和设备内加水泥及水进行拌合。三是拌合过程中由工地试验室相关人员根据要求及时校核改性土水泥掺量；根据改性土现场水泥含量标准差评价评定改性土质量。成品料水泥含量采用EDTA滴定法测定，其水泥掺量平均值不得小于设计掺量，标准差≤0.70，不合格的改性土拌制品不得用于主体工程填筑施工。

5.7 改性土填筑

5.7.1 开挖段填筑施工

对于开挖渠坡换填层，为提高处理层与被保护坡面结合质量，被保护边坡面需开挖成小台阶，台阶高为每一层铺土碾压厚度。同一层以设计外坡脚为基准，顶部超填宽度≥30cm（见图1），超填部分可作为换填层的保护层，在渠道衬砌施工前削坡修整到设计边坡轮廓。台阶开挖采用施工放样，并撒灰线标识，推土机推集成堆，装载机装10t自卸汽车运输至弃土场。

台阶开挖到位后，对施工层面及台阶面进行洒水湿润，推土机抛锚，以保证层间结合，然后10t自卸汽车运输从改性土拌合站拌合的合格土料采用后退法至工作面卸料，推土机摊铺，人工配合修边，并负责检查摊铺厚度，20t凸块振动碾碾压成型。

每层填土完成碾压后，宜在4h内完成质量检测，在6-8h内完成下层上土覆盖。如不能及时跟进的，要对填筑面和建基面做好防雨和保湿等施工期的保护措施，并防止大型施工设备在其上行驶。

每层水泥改性土施工完成后，应进行自检，自检完成后，会同监理人进行质量检查和验收，验收合格后方可进行下一道工序施工。

图1 改性土填筑超填示意图

整体坡面水泥改性土施工完成后，在渠道衬砌施工前修整到设计边坡轮廓。削坡首先采用1.00m3挖掘机从上到下进行粗削坡，粗削完成后采用1.00m3挖掘机挖斗前带刮板进行二次精削坡，直至达到衬砌基础面要求为止。

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进行，每一层施工先进行改性土回填施工，然后填筑中间素土。上料方式采用进占法。未采取同步回填仅进行了素土回填渠段需进行改性土包裹回填的，首先对原素土回填部分进行削坡，然后按开挖段改性土回填施工方法施工。

回填施工其他相关要求：一是填筑及碾压参数一旦确定不得随意更改。当检测结果不满足要求时，应分析原因，必要时应通过碾压试验调整铺料厚度及碾压参数。二是碾压机械沿渠道轴线方向前进、后退全振错距法碾压，前进、后退一个来回按两遍计，碾迹重叠≥20cm。碾压速度控制在2～4km/h范围内，开始碾压时宜用慢速。碾压层间需根据天气和层面干燥情况，洒水湿润。对边角接头处大型机械碾压不到、易漏压的地带，需由人工采用蛙夯或冲击夯等小型设备夯实。三是改性土填筑施工超填的余料不得用于渠坡换填部位及渠堤外包填筑体部位。如用于设计指定的次要部位时，应将其运输至指定位置堆存，余料填筑前应进行碾压试验确定削坡余料的碾压参数。四是雨季施工应特别注意天气变化，避免土料受到雨淋。降雨时应停止施工，对已摊铺的工作面应尽快碾压密实、封面并进行防雨覆盖，以防止表面积水。五是改性土换填层沿渠道轴线方向填筑渠段或不同标段之间的衔接部位的填筑除满足上述各条款要求外，结合面处理应满足以下要求：①衔接部位填筑应在渠道断面方向超填土料削坡之前完成；填筑时应清除较早填筑体沿渠道方向的超填土料；②土料料源和改性土水泥掺量相同的渠段之间结合面坡度≥1:60；不同被改性土料、不同水泥掺量的改性土结合面坡度≥1:10；③结合面处早期填筑的填筑体需开挖成小台阶，台阶高为每一层铺土碾压厚度；④结合面处压实度应满足设计压实度要求。

5.8 改性土施工质量控制

水泥改性土压实度采用环刀法在试坑中下部取样进行检测，宜按渠堤填筑检验长度每100～150m为一个单元工程进行质量检验评定。

换填土体单元工程质量评定标准应符合以下规定：一是合格标准：铺填边线偏差合格率≥70%,水泥均匀度合格率≥80%，检测土体压实度合格率达到设计及相关技术要求，其余检查项目达到标准。二是优良标准：铺填边线偏差合格率≥90%,水泥均匀度合格率≥90%，检测土体压实度合格率超过规定数值3%以上，其余检查项目达到标准。

6 质量、组织保证措施

6.1 质量保证措施

6.1.1 组织保证

依托已成立的项目质量管理领导小组，由总质检师和项目总工牵头，相关工区负责人参与，质量部组织，在改性土施工过程中对施工质量进行监控。

6.1.2 过程控制

一是由项目质量部不定时组织由各有关部门参与，对改性土料源、拌和情况、填筑情况进行全面检查，对检查中发现的问题及时向项目主要负责人报告，由质量管理领导小组及时处理。二是施工过程中工地试验室及时对填筑压实度进行取样检测。除此之外还要不定时对改性土拌和料源、拌和成品的改性土进行取样检测。确保质量满足要求。三是对于稳定土拌和机，为保证拌和的均匀性，除严格控制土料粒径外，拌和时间对均匀性的影响很大。拌和时间必须通过试验确定。四是填筑时采用进占法施工，由于换填的厚度小，填土时运输车辆在同一工作面反复碾压，造成土料剪切破坏及弹簧土，故严禁车辆在填筑面碾压。在边坡换填时，为减少运输车辆对填筑面的反复碾压，采用推土机或装载机推送。五是在碾压时，由于受天气影响，填筑层表面风干很快。为保证层间结合，在进行上一层铺土施工之前，及时对结合面进行洒水。填筑前在原渠坡上逐层进行开蹬处理，台阶高为每一层铺土的厚度（虚铺）。六是水泥掺量、拌和均匀度、土料含水量、粒径、拌和用水量、拌和遍数直接影响水泥改性土的质量。在制备水泥土时必须严格按照试验参数进行拌制，严格进行检测。七是水泥改性土拌制完成后，由工地试验室及时在现场取样检测拌和质量，检测时主要检测拌和均匀度以及水泥含量、含水量是否满足要求。八是摊铺时水泥改性土的含水率宜高于最佳含水率的1.00﹪～2.00﹪，以补偿在摊铺及碾压过程中的水分损失。九是雨季施工应特别注意天气变化，避免使水泥和混合料受到雨淋。降雨时应停止施工，已经摊铺的水泥土应快速碾压、封面并覆盖。十是超填的余料经试验论证其作为填筑再利用料的可行性后方可再次利用作为填筑料源。超填的余料在削坡后运输至指定位置堆存，采用防雨布等进行覆盖保护，防止其水分变化，以便再次填筑利用。再次利用填筑前需重新加水拌合，检测合格后再次利用。

6.2 质量检查

1.土料压实度必须严格按规范要求进行。现场压实度检测采用环刀法；2.进行水泥含量和均匀性检测；3.对结合部位的检查和观测；4.填筑作业面铺土整平后，现场人员对松铺厚度进行抽样检测，测量碾压前虚铺土料高程，碾压完毕后，检测压实土层高程以便计算沉降量，并作好记录;5.碾压过程及完成后，应检查有没有“弹簧土”、层间光面、层间中空、松土层或剪切破坏等质量问题，发现应及时处理。

7 结语

改性土填筑施工工艺在南水北调中线得到了很好的应用和推广，效果较好，在后续的渠道工程中将得到了充分的应用，确保了土方填筑的施工质量，减少了后期的维护费用。