金正偉

水泥改性土施工工藝在南水北調(diào)中線工程中的應(yīng)用

金正偉

一、概述

南水北調(diào)中線工程總干渠全長(zhǎng)約1432km，其中膨脹土（巖）渠段累計(jì)長(zhǎng)度約占到全線長(zhǎng)度的27%。為保證工程運(yùn)行安全，須對(duì)膨脹土邊坡進(jìn)行處理，目前從各項(xiàng)研究成果來(lái)看，采用水泥改性土換填是最合理的選擇；但是水泥改性土換填采用什么樣的標(biāo)準(zhǔn)、如何進(jìn)行規(guī)?；┕ぃ壳霸趪?guó)內(nèi)國(guó)際上都還沒(méi)有成熟的施工經(jīng)驗(yàn)，也是南水北調(diào)中線工程面臨的一大難題。安徽水利開(kāi)發(fā)股份有限公司在南水北調(diào)中線工程方城八標(biāo)的膨脹土渠道施工中采用了水泥改性土換填，并通過(guò)多次的試驗(yàn)和改進(jìn)，完成了5.52km長(zhǎng)渠道水泥改性土換填施工，形成了一套成熟的水泥改性土換填施工工藝，并為制訂和完善南水北調(diào)水泥改性土施工技術(shù)規(guī)程提供了重要參數(shù)。

二、工藝原理

膨脹土具有遇水膨脹，失水干縮的特性，造成膨脹土邊坡極不穩(wěn)定，通過(guò)換填措施，在原膨脹土基面增加一個(gè)覆蓋層（摻入2%～8%水泥的膨脹土），使覆蓋層水泥改性土的自由膨脹率達(dá)到弱膨脹土的標(biāo)準(zhǔn)，隔離了大氣和天然降水對(duì)膨脹土邊坡的直接影響，消除了膨脹土的脹縮誘因。同時(shí)通過(guò)碎土工藝的改進(jìn)，解決了水泥改性土換填規(guī)模化施工及土料含水率變化對(duì)水泥改性土換填質(zhì)量控制影響的難題。

三、施工工藝流程及操作要點(diǎn)

1.施工工藝流程

土料料源復(fù)勘（室內(nèi)試驗(yàn)取得土料物理力學(xué)參數(shù)）→土料分區(qū)開(kāi)采、運(yùn)輸→碎土（碎土工藝試驗(yàn)、顆粒分析、土料含水量調(diào)整）→水泥土拌制（水泥檢測(cè)）→拌和料運(yùn)輸→攤鋪（拌和料含水量調(diào)整）→碾壓（4h內(nèi)完成）→質(zhì)量檢測(cè)→進(jìn)行下道工序施工或覆蓋保護(hù)。

2.操作要點(diǎn)

（1）土料料源復(fù)勘

在改性土施工前，首先對(duì)土料料源進(jìn)行復(fù)勘，查明料源土層結(jié)構(gòu)及物理力學(xué)特性、膨脹性、含水量。并根據(jù)復(fù)勘成果進(jìn)行土方平衡和分區(qū)開(kāi)采規(guī)劃。

對(duì)不同取土區(qū)域，采用不同方式開(kāi)采的土料，分別通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)取得天然土料的物理力學(xué)參數(shù)，包括抗剪強(qiáng)度指標(biāo)、天然含水量、粘粒含量、自由膨脹率、最優(yōu)含水量、最大干密度等。

（2）土料分區(qū)開(kāi)采運(yùn)輸

從渠道開(kāi)采的弱（中）膨脹土土料可直接運(yùn)至拌合場(chǎng)堆放；或者將開(kāi)采的土料運(yùn)至臨時(shí)堆土場(chǎng)分區(qū)堆放，在進(jìn)行改性土制備前，再轉(zhuǎn)運(yùn)至拌合場(chǎng)。

土料堆場(chǎng)周邊應(yīng)做好截水溝，并備有防雨或遮陽(yáng)設(shè)施；對(duì)于地水位較高的料場(chǎng)，應(yīng)結(jié)合料場(chǎng)排水條件，疏通并開(kāi)挖料場(chǎng)排水溝網(wǎng)，及時(shí)排除取土坑及排水溝網(wǎng)內(nèi)的積水，降低地下水位至最低開(kāi)挖面50cm以下。

3.碎土

（1）在進(jìn)行碎土施工前，針對(duì)不同土源和不同含水率的土料進(jìn)行生產(chǎn)性碎土工藝試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定不同土料碎土?xí)r的最優(yōu)含水率。

（2）碎土采用改進(jìn)型WHB-200型輪式碎土機(jī)，該設(shè)備采用錘式破碎機(jī)原理，將土料打碎后通過(guò)篩網(wǎng)，由皮帶輸送系統(tǒng)至土體成品堆放場(chǎng)地；一套穩(wěn)定土拌和機(jī)配2～3臺(tái)碎土機(jī)。

（3）采用輪式裝載機(jī)上料、攏堆，破碎好的合格土料可直接送至拌和機(jī)拌和，未用完的土料采用塑料布臨時(shí)覆蓋防護(hù)。

4.水泥改性土拌制

（1）水泥改性土的水泥摻量根據(jù)天然土料膨脹特性，經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)最終確定。選擇改性土水泥摻量時(shí)，不同自由膨脹率天然土料改性水泥摻量控制指標(biāo)及試驗(yàn)時(shí)參考摻量按照表1的規(guī)定確定。

表1 不同自由膨脹率天然土料改性土水泥摻量室內(nèi)試驗(yàn)控制指標(biāo)參考值

（2）大規(guī)模的水泥改性土拌制宜采用廠拌生產(chǎn)，采用的機(jī)械為穩(wěn)定土拌合機(jī)。水泥改性土拌和前，先進(jìn)行水泥改性土拌和試驗(yàn)和土料的含水率測(cè)定：即根據(jù)計(jì)量傳送系統(tǒng)的供料速度確定水泥和水的添加量等各項(xiàng)參數(shù)，保證拌出的水泥改性土的各項(xiàng)指標(biāo)與室內(nèi)試驗(yàn)一致；根據(jù)水泥改性土擊實(shí)試驗(yàn)成果的最優(yōu)含水率，計(jì)算水泥改性土拌和所需添加的水量。

（3）將破碎好的土料用裝載機(jī)送至穩(wěn)定土拌和機(jī)集料斗內(nèi)。為保證土料質(zhì)量，集料斗上口一般加工成帶坡度的形式，并在上口設(shè)置篩網(wǎng)，每個(gè)小網(wǎng)格邊長(zhǎng)不宜大于10cm，以過(guò)濾掉粒徑過(guò)大的土料。

（4）在拌和過(guò)程中按照生產(chǎn)性確定的參數(shù)充分拌和，拌和稱量系統(tǒng)按照試驗(yàn)參數(shù)控制土料、水泥和水的重量，拌和時(shí)間一般≥2min。出料后，取樣進(jìn)行均勻性檢測(cè)，采用水泥含量標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行控制，用EDTA滴定法測(cè)定水泥含量，平均值不小于所確定摻量，弱膨脹水泥改性土水泥含量標(biāo)準(zhǔn)差不大于0.7，中膨脹水泥改性土水泥含量標(biāo)準(zhǔn)差不大于0.5。均勻性檢測(cè)合格，方可出站用于工作面填筑。

5.水泥改性土運(yùn)輸

檢測(cè)合格的水泥改性土由自卸車(chē)運(yùn)輸至填筑工作面，運(yùn)輸過(guò)程中改性土要進(jìn)行覆蓋保護(hù)。

6.攤鋪

（1）水泥改性土鋪料前，先用推土機(jī)對(duì)膨脹土基面的坡底進(jìn)行開(kāi)凳處理。開(kāi)凳高度為碾壓試驗(yàn)成果的壓實(shí)厚度。

（2）自卸汽車(chē)采用“進(jìn)占法”卸料在工作面上，由于填筑面的寬度較窄，不易錯(cuò)車(chē)，采用小型挖掘機(jī)進(jìn)行平整，參照“算方鋪料，定點(diǎn)卸料、隨卸隨平、定機(jī)定人、鋪平把關(guān)、插釬檢查”的方法，以保證鋪土的厚度和均勻性。

（3）為保證碾壓機(jī)械的工作面寬度和換填層設(shè)計(jì)邊坡側(cè)壓實(shí)度，鋪土邊線在水平距離上要進(jìn)行超填。超填土料宜按照1∶1.5坡比放坡，并嚴(yán)格按照碾壓試驗(yàn)的參數(shù)控制鋪料厚度，根據(jù)不同的換填厚度，同一層以設(shè)計(jì)外坡腳為基準(zhǔn)，頂部超填寬度不小于30cm。超填部分可作為換填層的保護(hù)層（見(jiàn)圖1）。

圖1 改性土換填超填示意圖

7.碾壓

（1）水泥改性土施工前須進(jìn)行碾壓試驗(yàn)，通過(guò)碾壓試驗(yàn)確定最優(yōu)含水率、鋪土厚度、碾壓方式、碾壓遍數(shù)和壓實(shí)厚度等控制參數(shù)。

（2）換填料平整后，采用≥20t振動(dòng)凸塊碾進(jìn)行碾壓，振動(dòng)碾平行于渠堤軸線方向碾壓，行車(chē)速度控制在2～4km/h以內(nèi)；先靜壓后振動(dòng)（碾壓遍數(shù)由試驗(yàn)確定），碾壓機(jī)械行進(jìn)速度先慢后快，碾壓時(shí)應(yīng)做到無(wú)漏壓、無(wú)漏振。

8.檢測(cè)

（1）每層填土完成碾壓后，宜在4h內(nèi)完成質(zhì)量檢測(cè)，檢測(cè)采用環(huán)刀法。

（2）在6～8h內(nèi)完成上層土覆蓋或者用塑料薄膜覆蓋防護(hù)。如不能及時(shí)跟進(jìn)，要對(duì)填筑面和建基面做好防雨和保濕等施工期間的保護(hù)措施。

四、水泥改性土換填注意事項(xiàng)

1.水泥改性土換填施工質(zhì)量控制

（1）經(jīng)碎土機(jī)破碎后的土料最大粒徑不大于10cm，10～5cm粒徑含量不大于5%，5cm～5mm粒徑含量不大于50%，如果土塊顆粒不滿足要求，采取調(diào)整篩孔尺寸、篩分剔除、調(diào)整碎土生產(chǎn)工藝及控制參數(shù)等措施，直到滿足粒徑要求。

（2）水泥改性土拌和前，應(yīng)選用現(xiàn)場(chǎng)有代表性的被改性土做室內(nèi)EDTA滴定試驗(yàn)，以開(kāi)始摻入水泥后30min、2h、4h、6h、12h為時(shí)間參變量，測(cè)繪水泥含量經(jīng)時(shí)曲線，以便檢測(cè)后期的水泥改性土水泥含量。

（3）改性土水泥摻量相同的渠段之間結(jié)合面坡度不應(yīng)小于1∶6，不同水泥摻量的改性土結(jié)合面坡度不應(yīng)小于1∶10，結(jié)合面處的填筑體需開(kāi)開(kāi)凳，開(kāi)凳高度為每一層鋪土碾壓厚度。

（4）雨季施工應(yīng)特別注意天氣變化，避免土料受到雨淋。降雨時(shí)應(yīng)停止施工，對(duì)已攤鋪的工作面應(yīng)盡快碾壓密實(shí)、封面并進(jìn)行防雨覆蓋，以防止表面積水。

2.環(huán)保措施

（1）施工過(guò)程中要做好粉塵和噪聲的防治：施工區(qū)域要定期灑水，保持清潔；拌和站水泥輸送采取全封閉形式；施工時(shí)段盡量安排在白天，施工機(jī)械要減少鳴笛。

（2）施工中加強(qiáng)生活和生產(chǎn)區(qū)廢棄物的處理：生活、生產(chǎn)污水必須通過(guò)沉淀池沉淀后才能排放；固體廢棄物通過(guò)集中運(yùn)輸至指定地點(diǎn)掩埋或焚燒處理。

（3）加強(qiáng)設(shè)備的更新與保養(yǎng)，杜絕漏油對(duì)施工區(qū)域造成污染；同時(shí)減少有害氣體排放，確保施工機(jī)械廢氣排放符合環(huán)保要求。

五、項(xiàng)目成果及效益分析

1.項(xiàng)目成果

南水北調(diào)中線工程方城八標(biāo)項(xiàng)目施工中，利用渠道開(kāi)挖土進(jìn)行水泥改性土換填施工，同時(shí)采用機(jī)械化、平行流水作業(yè)，減少了耕地占用，工效提高，縮短了工期，有效降低了征地費(fèi)用以及施工總成本。通過(guò)測(cè)算，直接利用渠道開(kāi)挖土拌制水泥改性土比新征用土料場(chǎng)取土每立方水泥改性土要節(jié)省16.65元；方城八標(biāo)實(shí)際利用渠道開(kāi)挖土73萬(wàn)m3，節(jié)約征地投資費(fèi)用約1216萬(wàn)元。

2.社會(huì)效益

南水北調(diào)中線工程總干渠膨脹土渠段采用水泥改性土換填處理技術(shù)，成功解決了膨脹土渠段的邊坡穩(wěn)定問(wèn)題；同時(shí)在施工中總結(jié)出的施工工藝標(biāo)準(zhǔn)、質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到了國(guó)內(nèi)施工領(lǐng)域領(lǐng)先水平，特別是水泥改性土相關(guān)生產(chǎn)性試驗(yàn)工藝及填筑工藝，顯著提高了施工工效和降低施工成本。另外對(duì)于鐵路、公路等相關(guān)行業(yè)的膨脹土工程施工具有重要的參考價(jià)值和應(yīng)用前景■

（作者單位:安徽水利開(kāi)發(fā)股份有限公司 233000）

（專(zhuān)欄編輯：張 婷）