南水北調中線一期工程南陽市段4標膨脹土施工技術處理方案

李　偉（河南省水利第一工程局，河南　鄭州　450000）

南水北調中線一期工程南陽市段4標膨脹土施工技術處理方案

李偉
（河南省水利第一工程局，河南鄭州450000）

南水北調中線工程從丹江口水庫陶岔閘引水，經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，占河南省境內長度的1/4，中線全線長度的1/7，是經過省轄市長度最長、輸水量最大的渠段。中線工程穿越膨脹土（巖）387km，膨脹土施工技術處理為施工渠段提供安全可靠、經濟合理、渠坡穩定、指導工程施工。

膨脹土；水泥改性土；應用技術

1　工程概述

南陽第四標段設計樁號為TS108+ 650～TS115+190，標段長度6.54km，標段內共有各種建筑物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，根據招標文件初步統計土石方填筑約212.9萬方，土石方開挖約189萬方。我標段土料經地質復勘，第三方試驗室檢測，初步結果確定為：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，而且可導致膨脹土邊坡產生表層淺滑現象，造成農田水利設施的破壞，影響人們的生活環境。因此，在工程地質勘察中，必須正確地識別膨脹土與非膨脹土，準確地判定膨脹土的脹縮性等級，這有助于合理進行擬建建筑物的設計與地基處理，對保障建筑物安全與人們的生活環境具有非常重要的意義。

膨脹土的定義：1996年《公路路基設計規范》（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，是一種特殊膨脹結構的粘性土。”從這個定義上來看，膨脹土的主要特性是膨脹和收縮。但膨脹和收縮是一個十分復雜的問題，不僅僅是遇水膨脹和失水收縮這么簡單。在增加溶液電解質濃度的情況下，即使是遇水，膨脹土也會產生收縮現象。因此，膨脹土的膨脹和收縮是在水和電解質共同作用下的結果。另外，定義中指出土中含有較多的親水性較強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，《膨脹土地區建筑技術規范》（GBJ112-87）給出的膨脹土的定義更為恰當：“膨脹土應是土中粘粒成分主要由親水礦物組成，同時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

本標段沿渠軸線長度6500m，經試驗單位復勘多為若膨脹土，填筑斷面且為挖填結合即半挖半填斷面（詳見總干渠渠道施工斷面詳圖1），我標段按照相關技術規范、《南水北調中線工程總干渠渠道弱膨脹土處理施工工法》、《南水北調中線工程總干渠渠道弱膨脹土處理施工技術要求》《南水北調中線工程總干渠渠道水泥改性土施工技術規定》的相關規定采用：首先對渠底及渠坡填挖銜接部位的水泥改性土位置進行開挖施工，待開挖基面通過驗收后，對渠底及渠坡填挖銜接部位的水泥改性土進行同層填筑施工，待渠堤填挖銜接部位的水泥改性土填筑至填方區后，再按照“渠堤填筑部分“金包銀”斷面的外包改性土應與渠堤填土同層填筑并碾壓”的設計要求對渠堤進行逐層填筑。

4 水泥改性土填筑施工技術方案

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或結構，使膨脹土喪失膨脹潛能，并在一定程度上提高土體強度或承載力。水泥改性土在膨脹土地區可以充分利用開挖料，實現土料的就地取材，減少對非膨脹土的需求，在施工中具有操作簡便的特點，可以做到連續、大規模施工。

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行取樣做室內試驗，確定土料的最優含水率及物理指標參數，密切觀測碎土場土料的含水量變化情況，當含水量偏高時對土料進行翻曬、風干等措施降低含水量；含水量偏少時適當進行灑水濕潤，確保碎土質量。

②水泥改性土拌制：碎土后在水泥改性土拌合站集中拌制，拌制前選用現場有代表性的被改性土做室內EDTA滴定試驗，檢測水泥改性土的水泥含量，以確定拌制時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行室內標準擊實，以確定水泥改性土的最優含水率和最大干密度，擊實試驗嚴格按照相關土樣和試樣制備及試驗操作規程執行。

③水泥改性土填筑

渠底水泥改性土換填：渠底開挖至設計開挖線后，進行建基面驗收，待開挖基面通過驗收后。先進行基面碾壓刨毛，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拉運至施工現場，采用進占法卸料，推土機攤鋪，鋪土厚度30cm，20t凸塊振動碾碾壓8遍（靜壓一遍、弱振一遍、強振六遍），沿渠道軸線方向前進、后退全振錯距法碾壓，碾跡重疊不小于20 cm，碾壓速度控制在2km/h。碾壓層間根據天氣和層面干燥情況，進行灑水濕潤，確保層間結合良好。邊角接頭處大型機械碾壓不到、漏壓的地帶，由人工采用蛙夯或沖擊夯進行夯實。

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內水泥改性土的施工問題。計劃首先對渠底及渠坡填挖銜接部位的水泥改性土位置進行開挖施工，待開挖基面通過驗收后，對渠底及渠坡填挖銜接部位的水泥改性土進行同層填筑施工，待渠堤填挖銜接部位的水泥改性土填筑至填方區后，再按照“渠堤填筑部分“金包銀”斷面的外包改性土應與渠堤填土同層填筑并碾壓”的設計要求對渠堤進行逐層填筑。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+渠底水泥改性土填筑區+渠堤水泥改性土填筑區①、②。

（b）施工步驟2。渠底水泥改性土填筑區+渠堤水泥改性土填筑區①范圍內水泥改性土逐層（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②范圍內水泥改性土逐層（每層鋪土厚度為30cm）填筑，該區范圍內填筑時需在渠坡開挖小臺階，臺階高度為鋪土碾壓厚度，同時，在水泥改性土填筑部位外側超鋪30cm的水泥改性土作為超寬碾壓及保護層。

（d）施工步驟4。渠堤弱膨脹土填筑區+渠堤水泥改性土填筑區③范圍內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與弱膨脹土同層填筑并碾壓”的設計要求，在渠道內側填筑過程中，首先對滿足填筑施工條件的段落，進行渠道內側水泥改性土的填筑；在渠堤填筑過程中，采用“進占法”將弱膨脹土鋪設在建基面上；然后對外包水泥改性土部位同樣采用“進占法”進行水泥改性土鋪設，同時，在水泥改性土填筑部位外側超鋪30cm的水泥改性土作為超寬碾壓及保護層。最大干密度及最有含水率等施工參數通過渠段自由膨脹率的不同進行了逐段室內擊實試驗，得出最終適合區段填筑的最大干密度和最優含水率值等相關施工參數用于指導填筑施工。

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

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

（b）當填筑土料含水量偏高時，采取攤鋪風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、起皮現象及時挖除。

⑤為確保外坡角壓實度，并考慮碾壓機械工作面，水泥改性土鋪料時需超填，超填土料按1：1.5坡比放坡，超填部分作為填筑層的保護層，在渠道襯砌施工前削坡修整至設計邊坡輪廓。

⑥每層填筑完成碾壓后，在4h內完成質量檢測，驗收合格后方可進行下一道工序，并及時上土覆蓋，如不能及時跟進，對填筑面和建基面做好防雨和保濕措施，防止大型施工設備在其上行駛。

⑦水泥改性土填筑渠段間結合面處理，銜接部位填筑在渠道斷面方向超填土料削坡之前完成，填筑時清除較早填筑體沿渠道方向的超填土料；結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，并保證結合面的壓實度滿足設計要求。

結語

由于膨脹土地區在汛期雨季土體雨水膨脹經常出現渠道開挖或填筑斷面滑坡以及坍塌工程質量事故，影響工程結構安全，如何最大限度的消除質量事故，保證工程安全穩定，本文結合膨脹土地區的設計、施工工藝和多年的工程試驗提出了渠道工程膨脹土處理措施技術方案，并使得本標段110萬方的弱膨脹土得到充分合理的使用。在施工階段嚴格按照施工方案精心組織確保總干渠渠道水泥土填筑質量，保障南水北調中線工程一江清水向北流。

編制依據：

（1）南水北調中線一期工程總干渠南陽段第四施工標段招標文件——技術條款和設計圖紙要求；

（2）《堤防工程施工規范》SL260-98；

（3）《碾壓式土石壩設計規范》SL274-2001；

（4）《土工試驗規程》SL/T237-1999；

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

[1]陸定杰.南水北調中線工程南陽強膨脹土工程地質特征及渠坡變形破壞機理[D].中國科學院大學， 2013.

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