李　偉（河南省水利第一工程局，河南　鄭州　450000）

南水北調(diào)中線一期工程南陽市段4標(biāo)膨脹土施工技術(shù)處理方案

李偉
（河南省水利第一工程局，河南鄭州450000）

南水北調(diào)中線工程從丹江口水庫陶岔閘引水，經(jīng)長江流域與淮河流域的分水嶺方城埡口，沿唐白河流域和黃淮海平原西部邊緣開挖渠道，輸水干渠全長1273km，其中南陽市段長185km，占河南省境內(nèi)長度的1/4，中線全線長度的1/7，是經(jīng)過省轄市長度最長、輸水量最大的渠段。中線工程穿越膨脹土（巖）387km，膨脹土施工技術(shù)處理為施工渠段提供安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、渠坡穩(wěn)定、指導(dǎo)工程施工。

膨脹土；水泥改性土；應(yīng)用技術(shù)

1　工程概述

南陽第四標(biāo)段設(shè)計(jì)樁號為TS108+ 650～TS115+190，標(biāo)段長度6.54km，標(biāo)段內(nèi)共有各種建筑物13座，分別為：5座左岸排水建筑物，1座渠渠交叉建筑物，6座公路橋，1座生產(chǎn)橋。其中TS108+880～TS109+250、TS115+040～TS115+190段為全挖方段，其余段為半挖半填段，根據(jù)招標(biāo)文件初步統(tǒng)計(jì)土石方填筑約212.9萬方，土石方開挖約189萬方。我標(biāo)段土料經(jīng)地質(zhì)復(fù)勘，第三方試驗(yàn)室檢測，初步結(jié)果確定為：以弱膨脹土為主。

圖1　半填半挖段填筑示意圖

2　膨脹土

膨脹土在我國大部分地區(qū)均有分布，膨脹土的脹縮性直接影響著建筑物的安全性，它不僅造成房屋成群開裂，公路、鐵路塌方，而且可導(dǎo)致膨脹土邊坡產(chǎn)生表層淺滑現(xiàn)象，造成農(nóng)田水利設(shè)施的破壞，影響人們的生活環(huán)境。因此，在工程地質(zhì)勘察中，必須正確地識別膨脹土與非膨脹土，準(zhǔn)確地判定膨脹土的脹縮性等級，這有助于合理進(jìn)行擬建建筑物的設(shè)計(jì)與地基處理，對保障建筑物安全與人們的生活環(huán)境具有非常重要的意義。

膨脹土的定義：1996年《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ013-95）的膨脹土定義是：“膨脹土系指土中含有較多的粘粒及其親水性較強(qiáng)的蒙脫石或伊利石等粘土礦物成分，它具有 遇水膨脹，失水收縮，是一種特殊膨脹結(jié)構(gòu)的粘性土。”從這個(gè)定義上來看，膨脹土的主要特性是膨脹和收縮。但膨脹和收縮是一個(gè)十分復(fù)雜的問題，不僅僅是遇水膨脹和失水收縮這么簡單。在增加溶液電解質(zhì)濃度的情況下，即使是遇水，膨脹土也會產(chǎn)生收縮現(xiàn)象。因此，膨脹土的膨脹和收縮是在水和電解質(zhì)共同作用下的結(jié)果。另外，定義中指出土中含有較多的親水性較強(qiáng)的蒙脫石或伊利石等粘土礦物成分的說法也不確切。如果膨脹土中僅含伊利石顯示不出膨脹土具有較強(qiáng)的膨脹與收縮特性，伊利石的親水性僅為蒙脫石的1/10。膨脹土的脹縮特性主要是由親水性粘土礦物蒙脫石決定的。因此，《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》（GBJ112-87）給出的膨脹土的定義更為恰當(dāng)：“膨脹土應(yīng)是土中粘粒成分主要由親水礦物組成，同時(shí)具有顯著的吸水膨脹和失水收縮兩種變形特性的粘性土。”

3　膨脹土渠道填筑施工斷面

本標(biāo)段沿渠軸線長度6500m，經(jīng)試驗(yàn)單位復(fù)勘多為若膨脹土，填筑斷面且為挖填結(jié)合即半挖半填斷面（詳見總干渠渠道施工斷面詳圖1），我標(biāo)段按照相關(guān)技術(shù)規(guī)范、《南水北調(diào)中線工程總干渠渠道弱膨脹土處理施工工法》、《南水北調(diào)中線工程總干渠渠道弱膨脹土處理施工技術(shù)要求》《南水北調(diào)中線工程總干渠渠道水泥改性土施工技術(shù)規(guī)定》的相關(guān)規(guī)定采用：首先對渠底及渠坡填挖銜接部位的水泥改性土位置進(jìn)行開挖施工，待開挖基面通過驗(yàn)收后，對渠底及渠坡填挖銜接部位的水泥改性土進(jìn)行同層填筑施工，待渠堤填挖銜接部位的水泥改性土填筑至填方區(qū)后，再按照“渠堤填筑部分“金包銀”斷面的外包改性土應(yīng)與渠堤填土同層填筑并碾壓”的設(shè)計(jì)要求對渠堤進(jìn)行逐層填筑。

4 水泥改性土填筑施工技術(shù)方案

4.1 水泥改性土定義：水泥改性土，是指將一定比例的水泥土摻入膨脹土土料中以改善膨脹土的性質(zhì)或結(jié)構(gòu)，使膨脹土喪失膨脹潛能，并在一定程度上提高土體強(qiáng)度或承載力。水泥改性土在膨脹土地區(qū)可以充分利用開挖料，實(shí)現(xiàn)土料的就地取材，減少對非膨脹土的需求，在施工中具有操作簡便的特點(diǎn)，可以做到連續(xù)、大規(guī)模施工。

4.2 水泥改性土填筑方法

①碎土：在水泥改性土拌合站集中碎土，針對不同土料場，不同含水率的土料進(jìn)行取樣做室內(nèi)試驗(yàn)，確定土料的最優(yōu)含水率及物理指標(biāo)參數(shù)，密切觀測碎土場土料的含水量變化情況，當(dāng)含水量偏高時(shí)對土料進(jìn)行翻曬、風(fēng)干等措施降低含水量；含水量偏少時(shí)適當(dāng)進(jìn)行灑水濕潤，確保碎土質(zhì)量。

②水泥改性土拌制：碎土后在水泥改性土拌合站集中拌制，拌制前選用現(xiàn)場有代表性的被改性土做室內(nèi)EDTA滴定試驗(yàn)，檢測水泥改性土的水泥含量，以確定拌制時(shí)的水泥摻量并保證拌合均勻。選取有代表性的水泥改性土進(jìn)行室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)，以確定水泥改性土的最優(yōu)含水率和最大干密度，擊實(shí)試驗(yàn)嚴(yán)格按照相關(guān)土樣和試樣制備及試驗(yàn)操作規(guī)程執(zhí)行。

③水泥改性土填筑

渠底水泥改性土換填：渠底開挖至設(shè)計(jì)開挖線后，進(jìn)行建基面驗(yàn)收，待開挖基面通過驗(yàn)收后。先進(jìn)行基面碾壓刨毛，然后在水泥改性土拌合站拌制合格的改性土由自卸汽車及時(shí)拉運(yùn)至施工現(xiàn)場，采用進(jìn)占法卸料，推土機(jī)攤鋪，鋪土厚度30cm，20t凸塊振動碾碾壓8遍（靜壓一遍、弱振一遍、強(qiáng)振六遍），沿渠道軸線方向前進(jìn)、后退全振錯(cuò)距法碾壓，碾跡重疊不小于20 cm，碾壓速度控制在2km/h。碾壓層間根據(jù)天氣和層面干燥情況，進(jìn)行灑水濕潤，確保層間結(jié)合良好。邊角接頭處大型機(jī)械碾壓不到、漏壓的地帶，由人工采用蛙夯或沖擊夯進(jìn)行夯實(shí)。

渠坡水泥改性土換填：半填半挖段填筑涉及渠堤填挖銜接部位挖方區(qū)內(nèi)水泥改性土的施工問題。計(jì)劃首先對渠底及渠坡填挖銜接部位的水泥改性土位置進(jìn)行開挖施工，待開挖基面通過驗(yàn)收后，對渠底及渠坡填挖銜接部位的水泥改性土進(jìn)行同層填筑施工，待渠堤填挖銜接部位的水泥改性土填筑至填方區(qū)后，再按照“渠堤填筑部分“金包銀”斷面的外包改性土應(yīng)與渠堤填土同層填筑并碾壓”的設(shè)計(jì)要求對渠堤進(jìn)行逐層填筑。具體施工順序見圖1及說明。

（a）施工步驟1。土方開挖范圍為：土方開挖區(qū)+渠底水泥改性土填筑區(qū)+渠堤水泥改性土填筑區(qū)①、②。

（b）施工步驟2。渠底水泥改性土填筑區(qū)+渠堤水泥改性土填筑區(qū)①范圍內(nèi)水泥改性土逐層（每層鋪土厚度為30cm）同步填筑。

（c）施工步驟3。渠堤水泥改性土填筑區(qū)②范圍內(nèi)水泥改性土逐層（每層鋪土厚度為30cm）填筑，該區(qū)范圍內(nèi)填筑時(shí)需在渠坡開挖小臺階，臺階高度為鋪土碾壓厚度，同時(shí)，在水泥改性土填筑部位外側(cè)超鋪30cm的水泥改性土作為超寬碾壓及保護(hù)層。

（d）施工步驟4。渠堤弱膨脹土填筑區(qū)+渠堤水泥改性土填筑區(qū)③范圍內(nèi)弱膨脹土與水泥改性土逐層同步填筑。

渠堤填筑按照“渠堤填筑部分“金包銀”斷面的外包水泥改性土應(yīng)與弱膨脹土同層填筑并碾壓”的設(shè)計(jì)要求，在渠道內(nèi)側(cè)填筑過程中，首先對滿足填筑施工條件的段落，進(jìn)行渠道內(nèi)側(cè)水泥改性土的填筑；在渠堤填筑過程中，采用“進(jìn)占法”將弱膨脹土鋪設(shè)在建基面上；然后對外包水泥改性土部位同樣采用“進(jìn)占法”進(jìn)行水泥改性土鋪設(shè)，同時(shí)，在水泥改性土填筑部位外側(cè)超鋪30cm的水泥改性土作為超寬碾壓及保護(hù)層。最大干密度及最有含水率等施工參數(shù)通過渠段自由膨脹率的不同進(jìn)行了逐段室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)，得出最終適合區(qū)段填筑的最大干密度和最優(yōu)含水率值等相關(guān)施工參數(shù)用于指導(dǎo)填筑施工。

④水泥改性土分層填筑上升過程中，結(jié)合氣候條件和土體含水量情況對填筑面采取妥善保護(hù)措施。

（a）當(dāng)表層土含水量偏低時(shí)，及時(shí)對填筑面及填筑邊坡進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)，防止水泥改性土砂化，灑水量根據(jù)填筑面及填筑邊坡土體含水量實(shí)際情況控制，灑水后待填筑層表面自由水被土體吸收后再進(jìn)行下一道作業(yè)程序，避免車輛立即進(jìn)入倉面作業(yè)。

（b）當(dāng)填筑土料含水量偏高時(shí)，采取攤鋪風(fēng)干和翻曬措施降低填筑土料含水量，碾壓過程中如有彈簧土、松散土、起皮現(xiàn)象及時(shí)挖除。

⑤為確保外坡角壓實(shí)度，并考慮碾壓機(jī)械工作面，水泥改性土鋪料時(shí)需超填，超填土料按1：1.5坡比放坡，超填部分作為填筑層的保護(hù)層，在渠道襯砌施工前削坡修整至設(shè)計(jì)邊坡輪廓。

⑥每層填筑完成碾壓后，在4h內(nèi)完成質(zhì)量檢測，驗(yàn)收合格后方可進(jìn)行下一道工序，并及時(shí)上土覆蓋，如不能及時(shí)跟進(jìn)，對填筑面和建基面做好防雨和保濕措施，防止大型施工設(shè)備在其上行駛。

⑦水泥改性土填筑渠段間結(jié)合面處理，銜接部位填筑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；結(jié)合面處早期填筑的填筑體開挖成小臺階，臺階高度為每一層鋪土碾壓厚度，并保證結(jié)合面的壓實(shí)度滿足設(shè)計(jì)要求。

結(jié)語

由于膨脹土地區(qū)在汛期雨季土體雨水膨脹經(jīng)常出現(xiàn)渠道開挖或填筑斷面滑坡以及坍塌工程質(zhì)量事故，影響工程結(jié)構(gòu)安全，如何最大限度的消除質(zhì)量事故，保證工程安全穩(wěn)定，本文結(jié)合膨脹土地區(qū)的設(shè)計(jì)、施工工藝和多年的工程試驗(yàn)提出了渠道工程膨脹土處理措施技術(shù)方案，并使得本標(biāo)段110萬方的弱膨脹土得到充分合理的使用。在施工階段嚴(yán)格按照施工方案精心組織確保總干渠渠道水泥土填筑質(zhì)量，保障南水北調(diào)中線工程一江清水向北流。

編制依據(jù)：

（1）南水北調(diào)中線一期工程總干渠南陽段第四施工標(biāo)段招標(biāo)文件——技術(shù)條款和設(shè)計(jì)圖紙要求；

（2）《堤防工程施工規(guī)范》SL260-98；

（3）《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》SL274-2001；

（4）《土工試驗(yàn)規(guī)程》SL/T237-1999；

（5）《南水北調(diào)中線一期工程總干渠渠道膨脹土處理施工工法》NSBDZXJ-4-01、《南水北調(diào)中線一期工程總干渠渠道膨脹土處理施工技術(shù)要求》NSBD-ZXJ-2-01。

[1]陸定杰.南水北調(diào)中線工程南陽強(qiáng)膨脹土工程地質(zhì)特征及渠坡變形破壞機(jī)理[D].中國科學(xué)院大學(xué)， 2013.

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