高強度土方施工組織管理研究

李 釗 朱永建 馬輝文

(中國水電基礎局有限公司，天津 武清 301700)

湖北省碾盤山水利水電樞紐工程是172項節水供水重大水利工程之一，導流明渠的順利通水通航作為一期截流的先決條件，其重要性不言而喻。該工程導流明渠土方開挖總量為602萬m3，在征地滯后、地質多變、通水通航條件調整等不利施工條件下，月最高施工強度達到197萬m3/月，單日最高土方開挖量超10萬m3，比合同工期提前一天完成了導流明渠通水通航任務。本文結合工程實例對高強度大型土方工程施工管理中的施工組織、設備選型、經營模式三大關鍵因素進行了研究與分析，以供同類工程借鑒。

1 工程概述

1.1 工程概況

湖北省碾盤山水利水電樞紐導流明渠布置在河床左側I級階地上。明渠右側為土石縱向圍堰，左側為碾盤山左岸副壩，明渠軸線全長2323.31m，由進口直線段、AB弧線段、BC直線段、CD弧線段與出口直線段組成，其中AB弧線段的半徑為750m，中心角為6°，CD弧線段的半徑為750m，中心角為30°。通航抽槽軸線EF弧線段的半徑為500m，中心角為30°。

明渠底寬250m，進出口與上下游河道相接，進口600m為平坡，底部高程39.0m，出口829m為平坡，底部高程38.0m，中間909.1m為斜度0.11%的斜坡段。兩岸開挖邊坡1∶3，在42.0～41.0m高程設10m寬馬道。由于小流量通航需求，導流明渠底部沿中心線擴挖80m寬、0.7m深明渠抽槽，并與上下游主航道相接。導流明渠平面位置見圖1。

圖1 導流明渠平面圖 (單位：m)

1.2 氣象條件

碾盤山水利水電樞紐工程壩址處歷年平均氣溫為16.3℃，年平均降水量為950mm，年最大降水量為1471mm，降水主要集中在5—8月，其間降水量占年降水量的58.3%。

1.3 地質條件

導流明渠原始地貌較平緩，地面高程46～47m，平均開挖深度為8～9m，開挖土料主要為壤土、有機質壤土、有機質砂壤土、砂壤土和粉細砂。地層結構為：壤土層厚1.80～10.30m，層底高程37.30～43.70m；有機質壤土層厚1.80～17.60m，層底高程22.40～30.70m；有機質砂壤土揭示厚1.50～5.70m，層底高程32.80～36.34m；砂壤土層局部分布，厚1.1～1.6m；細砂層厚8.50～17.30m。導流明渠土方施工分區見圖2，導流明渠典型過流斷面見圖3。

1.4 施工難點分析

a.導流明渠于2018年8月8日開挖，原定開挖施工強度88萬m3/月，因受到前期征地及拆遷影響，前期可施工的區域只有50畝，直至10月中旬才具備大規模施工條件，截至2019年1月底高強度施工結束，最高施工強度197萬m3/月，遠超出原定施工強度。

b.導流明渠開挖土料用于一期圍堰及左岸副壩填筑，填筑土料為壤土、砂壤土，其分布于高程43～47m位置，但現場土質分布不均衡，其中有機質壤土分布于設計高程以上3～4m位置，含水率偏大，不利于開挖與棄渣堆砌，施工降效嚴重，土方開挖施工受制于回填作業面及土料。

c. 12月25日下發的設計變更明確：因導流明渠通水通航條件改變，航槽底部由高程38.3～37.3m調整為高程37.0～36.8m，進口段航槽開挖深度加深1.3m。而此時該區域已按原設計圖紙基本開挖完成，只剩施工主干道，且漢江水位在39m左右，高于航道抽槽進口高程37m，抽槽內部存在返水現象，與有機質壤土混合成泥水混合物，常規土方開挖作業無法施工。

圖2 導流明渠土方施工分區

圖3 導流明渠典型過流斷面

2 施工組織管理

為提高施工效率，節約施工成本，保證施工進度，針對征地滯后、地質多變、通水通航條件調整等不利因素，采取了合理的施工布置及工藝、靈活的設備選型、優勢互補的經營模式等管理措施。

2.1 施工布置及工藝

2.1.1 施工布置

土石方工程現場布置的重點是根據原始土質分布情況，遵循縮短運距、在進行土方平衡的情況下減少施工交叉的原則進行出渣道路布置和施工區域劃分。

大型土方開挖工程屬高強度連續施工作業，所用大型施工車輛多，對施工道路的標準要求高。綜合計算完成既定工期所需配備施工設備和日最大開挖強度，采取場內2級公路標準設計，雙向通行，自下而上依次鋪設砂壤土、塊石、級配碎石，成立專職的道路維護隊，以保證高峰期車流量暢通。施工主干道基本沿導流明渠開挖分區邊線布置，每條主干道將各個分區與渣場連接，形成循環的施工線路，優先考慮每個區域距渣場的平均運距，根據運距劃定每個大分區的出渣線路。場內臨時道路典型斷面見圖4。

2.1.2 施工工藝

分區內劃分若干單元，每個單元內安排一支施工隊伍，采用挖掘機、自卸車、推土機常規組合施工，其工作核心就是在兼顧回填料源的前提下如何盡快擴大開挖工作面。符合要求的回填土料多分布于導流明渠Ⅰ區、Ⅲ區表層1.5～2m范圍內，2m以下土體含水量逐漸加大，不利于行車，在進行下部開挖時，必須分兩次開挖到底，局部區域內梯段分級開挖，第一級開挖至高程41～42m，第二級開挖時因有機質壤土分布于最下層，需鋪設鋼排做臨時施工便道，基本一次開挖至設計高程。下部有機質壤土本身含水量較大，加之臨近漢江，嚴重時會形成泥水混合物，對棄渣場的平整效率造成影響，根據經驗采用了環形棄渣施工，高程41～42m以上土料棄渣時堆砌成寬15m、高3～4m、間距20m的環形道路，開挖的有機質壤土棄至環形道路之間，既縮短了推土機的推土運距又保證了運輸路線路況較好，減少了運輸及渣場平整難度。

圖4 場內臨時道路典型斷面 (單位：m)

根據導流明渠地質分布，Ⅱ區地質多為細砂及粉細砂，采取吹填施工方式，導流明渠的施工面無法滿足常規的絞吸式挖泥船長度及吃水深度，因此選用絞吸式挖泥船絞頭及壓力泵配合簡易船改裝成“絞吸式挖泥船”，作業時采用對稱橫挖，分段分層施工，出渣管線采用φ500 PVC管道布置，潛管、浮管及岸管分別布置，法蘭盤連接。施工時從出口位置逆向施工，將漢江水引至導流明渠施工范圍內，根據地質分布情況，吹填施工至樁號0+750，在該位置設置出口土埂，吹填施工區域。排出的泥水混合物混合比例至關重要，泥水比偏大容易造成堵管，增加拆管檢修的工作量；泥水比偏小則會降低設備工作效率，無法滿足進度要求。與傳統的挖掘機施工相比，吹填施工不受天氣影響，可24小時作業，且不占用道路運輸量，日產量相對穩定，但仍有以下兩點需著重考慮：

a.吹填施工存在回淤現象，需加強施工進度管控，通過在絞吸式船只安裝出渣濃度表實時監控出渣濃度及每周測量排泥場方量雙向定量控制進度的方法，及時調整進度計劃。避免過早施工引起回淤，增加施工成本。

b.相比傳統開挖方式，水下施工質量控制難度大，在施工至最后一層時，必須重疊開挖，重疊寬度不小于3m并加密布置水尺，定期校核高程，挖泥船每前移50m，進行斷面復測，最大程度保證施工質量。

通過前期現場勘查，對比原有設計地勘報告，制定的施工布置及施工工藝為高強度土方施工打下了堅實的基礎，創造了月最大施工197萬m3的佳績。導流明渠土方月開挖強度見圖5。

圖5 導流明渠土方月開挖強度

2.2 設備選型

根據既定的施工方案要求合理配置設備類型及數量，結合作業面大小確定允許停放的挖掘機數量，根據開挖強度及單層開挖深度選定合適機型，主要考慮臂長、斗容及動作速度，然后根據挖掘機數量、運距長短及渣場情況合理配置自卸車數量，結合道路情況合理選擇自卸車容量。現場施工設備以挖掘機、自卸車、推土機、振動碾為主，本工程土方施工共投入設備409臺套，其中挖掘機65臺、自卸車282臺、推土機45臺、振動碾8臺。基本選用挖、運組合及挖、運、填組合兩種方式，每種組合方式均明確主導機械，配套機械需滿足主導機械的施工能力，在工作能力、容量、生產率上應略有儲備，如挖、運組合中挖掘機作為主導機械，常規配置每臺挖掘機2km運距內配備4臺自卸車，運距每增加1km增加2臺自卸車，考慮工期因素及設備故障率情況，資源配備系數選1.2為宜。

設備的選型并非一成不變，需根據現場實際作業條件靈活調整。因設計變更，普通挖掘機無法進行施工作業，基于現有施工條件，選用水上挖掘機(以下簡稱“水挖機”)進行施工，水挖機下部兩側履帶各增設一個浮箱，行走最大吃水深度1.6～1.7m，最大施工深度要求1.2m，最大斗容1.2m3，其余性能參數等同普通挖掘機，于導流明渠軸線位置兩側各布置3臺水挖機，逐級接力，將土方清理至航道抽槽邊界線以外，再轉運至渣場。

根據通水通航標準的變化及時調整施工設備配置，既保證了各組合設備高效運轉，又盡可能做到工程量最大化。

2.3 經營模式

基于目前水利行業土方工程普遍采用的施工模式及工程所在地的市場行情，導流明渠土方施工采取了自營管理及分包管理兩種經營模式，兩種經營模式在施工管理、管理制度落實情況、工程量計量方面各有優缺點。經營模式優缺點分析見表1。

表1 經營模式優缺點分析

2.3.1 自營模式

根據上述兩種經營模式的優缺點及現場實際情況，宜優先安排項目自營施工隊施工，利于打開施工場面，自營模式以項目部租賃設備的方式直接組織施工，單獨劃分施工區域，以保證實現項目整體進度目標。但自營模式存在占用較多管理資源的弊病，需配置技術人員、施工人員、測量人員、輔助人員等；另外，由于合同計價方式為支付設備租賃費，存在設備利用率低的現象，造成資源浪費。

2.3.2 分包模式

基于表1中分包模式施工的特點，分包模式雖然具有占用項目管理資源較少、計量準確、施工成本低等優點，但單獨區域內可布置的施工隊伍數量、每個施工隊伍的施工區、棄渣區、運輸路線等都需統籌規劃，施工管理協調難度大，施工隊伍的施工水平制約項目的整體進度，因此采取該模式施工時需遵循以下原則：

a.以項目整體進度為核心，明確分包施工的總方量及施工區域。

b.劃分施工區域，每個施工區域安排3支隊伍施工為宜，利于協調管理又避免進度受制，形成良性競爭局面。

c.每個施工區域統籌規劃運輸道路、棄渣場等，不與其他施工區域形成施工干擾。

d.因本工程工期短、施工強度高，綜合考慮施工隊伍整體施工水平，每個施工隊伍施工總方量20萬～30萬m3。

e.原則上不安排其施工工程關鍵部位。

綜合以上分析，兩種經營模式存在對立統一的關系，對于現場進度管理，自營模式的優勢高于分包模式，但成本控制方面略差。在進行前期施工策劃時需綜合考慮，每種經營模式所完成工程量的占比數多少是平衡兩種經營模式的關鍵，通過本工程施工經驗總結，自營模式施工占比應為40%～50%，可根據工期情況適當調整，工期越短、施工強度越高其占比越大。

3 結 語

任何一個工程都具有其獨特性，現場的施工管理更不能一概而論，本文通過工程實例總結分析。高強度土方工程的施工關鍵主要體現在合理的施工布置及工藝、靈活的設備選型、優勢互補的經營模式三個方面，其結論可為同類工程提供借鑒。