南水北調工程土石方平衡技術的應用與研究

李志斌

(中國水利水電第二工程局有限公司，北京 100011)

1 概述

該研究項目為南水北調中線一期工程總干渠黃河北～羑河北段鶴壁段施工Ⅰ標，位于河南省鶴壁市淇縣，標段全長11 km，均為明渠，標段內有各種建筑物24座，其中左排建筑物9座、分水口1座、橋梁12座、渡槽2座。渠道斷面為梯形，設計渠底寬度為19 m，渠 底 高 程 為90.061～89.668 m，渠道內一級邊坡坡比為1∶2，一級馬道(堤頂)寬5 m，外坡為 1∶2 ～1∶1.5，渠道縱比降為1/28 000。全渠段采用混凝土襯砌。在渠道開口線與永久占地線之間設有截(導)流溝、防洪堤及林帶。

地質勘察資料顯示，該標段為粘礫多層結構段，卵石呈膠結狀，土石方開挖以半挖半填為主，挖方次之，挖方深度一般為4～9 m，最大挖深約16 m。

通過進行土石方平衡計算和調配，力求資源的合理配置和進度滿足施工需要并在經濟上達到利益最大化。

2 土石方平衡計算的依據

(1)總干渠鶴壁段(第Ι標段)渠道平面布置圖;

(2)總干渠鶴壁段(第Ι標段)渠道縱斷面圖;

(3)總干渠鶴壁段(第Ι標段)渠道開挖圖;

(4)總干渠鶴壁段(第Ι標段)渠道橫斷面圖;

(5)總干渠鶴壁段(第Ι標段)渠道濕陷性黃土處理布置圖;

(6)渠道土石方開挖、回填技術要求;

(7)建筑物開挖圖紙;

(8)鶴壁Ⅰ標設計地勘報告及地勘縱剖面圖;

(9)招、投標文件;

(10)《堤防工程施工規范》SL260;

(11)施工組織設計及土石方開挖、回填施工方案;

(12)土石分界測量成果。

3 土石方平衡計算

3.1 計算依據

(1)渠道土石方計算按照設計開挖斷面圖進行計算;

(2)建筑物土石方按照設計圖紙進行計算;

(3)渠道細部土石方按照設計圖紙進行計算;

(4)換填段按照設計圖紙進行計算;

(5)土方分界參照設計地勘縱剖面圖進行區分，以便確定可利用的土方和外棄土方。

3.2 土石方工程量計算過程說明及計算結果

(1)渠道土石方計算過程及結果。

渠道土石方計算以實測原狀地形圖和設計開挖斷面套用進行計算，計算的精度為20 m(20 m為測量斷面的精度要求)。經計算，渠道開挖的土石方量為392.8萬 m3，其中清基45.2萬 m3。

(2)左排建筑物土石方計算過程及結果。

左排建筑物土石方的計算以實測原狀地形圖和建筑物開挖圖套用進行計算，計算后扣除建筑物與渠道較差部分的土石方工程量。經計算，左排建筑物開挖的土石方方量為56.9萬m3。

(3)渡槽、分水口土石方計算過程及結果。

分水口土石方計算以實測地形套用設計開挖圖紙進行計算。經計算，分水口土石方開挖工程量為 5.9 萬 m3。

(4)橋梁土石方計算過程及結果。

橋梁土石方開挖已在渠道開挖中進行過計算。由于橋梁工程需要占壓一定的渠道開挖，占壓的工作面在渠道回填階段不能開挖，即不能作為土石方平衡的一部分，故該部分單獨計算，以便于土石方平衡和調配。經計算，橋梁土石方開挖量為 6.5 萬 m3。

(5)細部結構土石方開挖計算過程及結果。

細部結構主要包括導流溝、截流溝的開挖，經計算，細部結構土石方開挖量為13.9萬m3。

(6)土石方開挖小計及說明。

根據上述計算可知，該標段土石方開挖總量為476萬m3。

(7)渠道回填土石方計算及結果。

渠道土石方回填計算以清基后的基礎面和設計回填斷面套用進行計算。計算的精度為20 m(20 m為測量斷面的精度要求)。經計算，渠道回填的土石方方量為124萬m3。

(8)倒虹吸回填土石方計算及結果。

倒虹吸回填按照開挖斷面和回填斷面套用進行計算。經計算，倒虹吸回填工程量為37萬m3。

(9)橋梁回填土石方計算及結果。

橋梁回填按照清基面和回填斷面套用進行計算。經計算，橋梁回填工程量為24萬m3。

(10)渡槽、分水口土石方計算及結果。

渡槽、分水口回填土石方計算以開挖基礎和回填斷面進行套用計算。經計算，回填量為2.4萬m3。

(11)土石方回填小計及說明。

綜合以上回填單項，加上該項目的棄土回填量(集中低洼段的回填)28.1萬m3，該項目回填總量為215.5萬 m3。

3.3 土石方平衡分析

根據設計土石方開挖和回填技術要求，渠道清基的45.2萬m3用于復耕，不可作為回填;由于橋梁與渠道同時施工，需要占用一定的渠道施工作業面，該部分不能進入土石方平衡計算，后期作為橋梁引道回填考慮;細部結構需要在渠道主體結構施工完畢進行開挖，且開挖強度和方量均不大，開挖物不考慮用于回填，不考慮進行土石方平衡;渡槽、分水口的土石方基本滿足該部分的回填，不進行總體平衡考慮。另外，根據地質勘察資料，該標段有80萬m3的砂卵石不能用作回填，只能作為棄土。

綜上所述，該標段可用于回填的土石方為184.4萬 m3，回填總量為215萬 m3，考慮到橋梁引道回填利用橋梁占壓渠道工作面的土方進行回填土6.5萬m3，渡槽、分水口利用相應部位的開挖料進行回填可滿足需要，故可參與平衡的回填量為208.5萬m3。考慮回填壓實系數為0.85，則需要的回填自然方為245萬m3。所以，總體上本標段開挖料不能滿足回填，需要60.6萬m3該外部取土(由于取土場暫時不能確定，故暫不做取土的平衡分析)。

4 施工分段及總體施工安排

4.1 施工分段

前期，因取土場不能確定，在取土不進行平衡考慮的前提下，最經濟的施工方式為——開挖至回填的運距最短，即開挖的土料就近進行回填(土方運距不超過2 km為界限)為最經濟。棄土就近棄往棄土場(經分析，也是最經濟的)，故根據對渠道開挖可利用土和回填需土量進行的分析、比較，將渠道施工總體上分為四段，具體劃分為:

樁號Ⅳ144+600～Ⅳ147+000之間的2.4 km為第一段(開挖量較小，回填量較大，土方不能平衡);

樁號Ⅳ147+000～Ⅳ150+000之間的3 km為第二段(開挖量較大，回填量較小，可平衡，有余土);

樁號Ⅳ150+000～Ⅳ152+600之間的2.6 km為第三段(開挖量較大，回填量較小，可平衡);

樁號Ⅳ152+600～Ⅳ155+600之間的3 km為第四段(開挖量較大，回填量較小，可平衡，有余土)。

在每個分段內，根據建筑物的布置再組織流水施工。

4.2 土石方施工總體安排及說明

由于該項目為渠道線性工程，根據總進度計劃得知，該項目的關鍵線路為渠道工程，渠道工程的施工重點及關鍵線路是渠道的開挖、回填及襯砌，故在施工組織上重點圍繞這幾個方面進行，其它方面及時插入進行。

按照項目的分段，該標段第一分區和第三分區的土方在分段內不能平衡，故其總體部署如下:第一分區在清基完成后主要進行土方回填工作，尤其是標段的起始1 km部位需要進行換土處理，回填施工從小樁號向大樁號進行;第二分區開挖、回填同時進行，將多余的土方運往第一分區進行回填;第三分區開挖、回填同時進行，回填施工首先進行分區內高填方的回填，然后從小樁號向大樁號方向進行回填;第四分段由于有大量的建筑物，故首先安排建筑物的開挖，在建筑物施工到一定程度后開始渠道的土石方開挖工作，避免土石方開挖全面展開給建筑物施工帶來不利的影響，同時考慮到向施工三區運土。在渠道開挖完畢，施工一區和三區還需從外部取土。

5 施工方法簡述

5.1 開挖工藝流程

土石方開挖施工工藝流程為:

施工準備→場地移交→測量放線→清基→土石方分步開挖→土石方運輸→預留保護層開挖→結構層施工。

5.2 開挖施工方法

根據設計要求的渠道開挖與回填技術標準和設計圖紙及施工部署，渠道土石方開挖分兩次開挖到位，第一次開挖只進行渠道大面的開挖，開挖后預留0.5 m左右的保護層，以防汛期暴雨沖刷邊坡;第二次開挖在具備渠道襯砌條件時進行，二次開挖至結構底。二次開挖時采取人工配合機械的開挖方式，在開挖的同時墊層、保溫、防滲及襯砌及時跟進，避免開挖面長時間的暴露而擾動原狀土。

土方開挖采用1.2～2 m3的反鏟挖掘機進行開挖，15～20 t自卸汽車運輸，將開挖的表土運至棄渣場，將可利用的土方根據土方分段就近進行填筑，將不可利用的土方運至棄渣場堆放。

對于開挖深度在5 m以內的可一步開挖到預留保護層的上面;對于開挖深度大于5 m的部分則采取分步開挖，分步厚度視開挖深度在3～5 m之間選擇。

土方填筑采用自卸汽車卸料，裝載機配合推土機進行平整，振動碾、羊角碾進行碾壓，碾壓參數按照現場土方碾壓試驗確定的參數進行，試驗采用環刀取樣進行試驗。

土方填筑工藝流程見圖1。

圖1 土方填筑施工工藝流程圖

5.3 土方填筑工藝流程

5.4 土方填筑施工方案

(1)渠道堤基的清理與壓實:堤基清除表層土厚30 cm，清理范圍為堤身設計基面邊線外50 cm，基礎清理完成后應進行碾壓。堤基范圍內的坑、溝、槽等按堤身填筑要求進行回填處理。

(2)填筑施工時，分段流水作業，每段按200 m劃分。統一鋪料、統一碾壓。回填料碾壓機械的走向要平行渠道軸線。分段碾壓，相鄰作業面的搭接碾壓寬度在平行堤軸軸線方向不應小于0.5 m，垂直渠道軸線方向不應小于3 m。

(3)渠堤填筑體分層回填、分層碾壓并留有適當的削坡余量。填筑土料的壓實度應不小于100%。

(4)根據碾壓機械、回填料的性質等進行碾壓試驗，確定最優含水量、鋪料厚度和碾壓遍數。施工時按監理人批準的機械進行碾壓，并使填料按規定的松鋪厚度均勻、平整地攤鋪在要求的寬度上。機械碾壓時，將碾壓行進速度控制在2 km/h左右;對于機械碾壓不到的部位，應輔以夯具夯實，夯實時應采用連環套打法，夯跡雙向套壓，夯壓夯1/3，行壓行1/3;分段、分片夯實時，夯跡搭壓寬度不小于1/3夯徑。

(5)采取分段分層填筑碾壓，各段土層之間設立標志，以防漏壓、欠壓和重壓。段與段之間的填筑結合部位要求以1∶3緩坡相接。

(6)碾壓采用的土料要將含水量控制在最優范圍內，否則要采取翻曬或灑水等措施調節含水量，使之達到要求方可填筑。每層填筑后，應檢查其干密度達到要求并需經監理驗收合格后方可進行下一層填筑。氣候干燥時，土料碾壓前要適當灑水，以利于充分壓實，填筑土料的含水率與最優含水率的允許偏差為－2% ～+3%，日降雨量大于50 mm時，應停止填筑施工。

(7)填筑采用自卸車運料、推土機攤鋪，振動碾和羊腳碾碾壓，在局部靠近建筑物規定范圍內采用人工配合蛙式夯夯實。進行碾壓時，根據碾壓試驗獲得的鋪土厚度、碾壓遍數等參數進行施工。

(8)下雨前采取措施，防止雨水下滲并及時壓實作業面表層松土，將作業面做成拱面或坡面，以利排水。雨后，對填筑面進行晾曬、復壓、刨毛處理，必要時對表層再次進行清理，并待填筑面含水量調整至合格范圍才能恢復施工。

(9)不在負溫下施工。如必須施工時，應在具備保溫措施時，允許在氣溫不低于－10℃的情況下施工。在負溫條件下進行填筑時，取正溫土料，裝土、鋪土、碾壓、取樣等工序采取快速連續作業，土料壓實時的氣溫必須在－1℃以上。負溫下填筑時，粘性土含水量不大于塑限的90%，鋪土厚度比常規填筑時減薄，或采用重型機械碾壓。填料中不夾冰雪。

(10)對占壓堤身斷面的上堤臨時坡道做補缺口處理，將已板結的老土刨松，并與新鋪土料統一按填筑要求分層夯實。

5.5 運輸道路的設置

場內施工主干道布置在渠道的右岸，沿標段全線布置，路寬8 m，泥結碎石路面，路面比清表后的地面高20 cm，向外側泛水2%。

該標段主干線通往棄渣場和下基坑的臨時道路按施工需要修建，為路寬7 m的泥結碎石路面，隨開挖深度不斷進行填壓，路的坡度不大于10%。

在進行跨渠建筑物施工時，為不影響渠道通行，在建筑物的兩側修建施工道路，路寬6 m，泥結碎石路面;生產、公路橋施工前修建分流道路，分流道路寬同原通行道路寬度，路面做法同原路面做法。

在橋梁兩側各預留30 m寬的橋梁工作面，并在兩側做下渠底道路。

5.6 施工機械設備的配置(表1、2)

表1 施工機械設備配置表

表2 試驗儀器設備配置表

6 結語

(1)根據項目實施情況，渠道等線性工程項目的土石方開挖宜采取分區、分段流水施工作業方式，土石方平衡對整個項目的成本起著很大的作用。土石方平衡工作做的越細、越準確，現場越容易操作，成本越容易控制。該項目采取以開挖控制斷面間距為計算斷面的方式可行、可控，并且在渠道土石方的施工過程中充分考慮了建筑物施工時段、工作面的留置等問題，避免了土方的來回倒運，節省了項目成本。

(2)從對機械設備的配置和過程進行的調查與調整來看，線性工程土石方工程的設備配置在工期合理的情況下，開挖設備的數量宜為渠段長度加1，運輸設備宜根據開挖設備的大小進行配置，一般一臺0.8 m3的開挖設備宜配置4～6臺15～20 t的運輸車輛，這樣的配置避免了設備的窩工與閑置。

(3)在線性工程中有建筑物時，宜先進行建筑物的開挖，為后續工作創造條件，也便于進行后期土石方的調配工作。

[1]水利水電工程施工手冊編委會.水利水電工程施工手冊[M].北京:中國電力出版社，2005.

[2]江正榮，編.簡明施工工程師手冊[M].北京:機械工業出版社，2007.