中国安能集团第三工程局有限公司 四川省成都市 611130
摘要：目前南水北调中线工程已安全平稳运行6年，针对潮河段某标段渠道膨胀岩开挖换填施工，重点分析膨胀岩开挖施工工艺流程，开挖方法，对膨胀换填重难点问题进行分析探索，换填的流程及施工方法简单介绍，最后综合分析土方换填中土方调配平衡协调问题。通过永久排水设施和临时排水设施有机结合排水，确保粘性土换填施工不但能够顺利的进行，而且保证了施工进度和质量。现对膨胀岩的开挖换填技术进行简述,仅供参考。
关键词：南水北调；膨胀岩；开挖换填；施工方法
1 工程概况
南水北调中线一期潮河某标段工程膨胀土渠段总长2603m，分为5个设计段，桩号为：SH(3)134+387～SH(3)134+917（长530m）、SH(3)135+517～SH(3)135+877（长360m）、SH(3)140+087～SH(3)140+466（长359m）、SH(3)140+446～SH(3)141+106（长660m）、SH(3)141+106～SH(3)141+800（长694m）,均为弱膨胀土，采用2#排水方案，渠坡换填厚度1.0m。
渠道为梯形断面，桩号为SH(3)134+387～SH(3)135+877段渠底宽度为23.5m，渠道坡比为1:2，渠底高程约116.1m；SH(3)140+087～SH(3)141+800段渠底宽为19.5m～15m，渠道坡比为1:2.5～1:3.5。
2 施工特点、难点
（1）工程区属于温带季风气候区，多年平均降雨量为669mm，降水年内分配不均，60%～70%集中在6月～9月，多以暴雨形式出现，而膨胀土对水又很敏感，严重影响工程施工总进度。
（2）本工程部分渠段地下水位高于设计渠底，降排水工程量大，难度大、对开挖、回填影响较大。
（3）保护层开挖精度要求高而工程量较小，机械和人工投入较大，效率较低。换填厚度小，为保证填筑质量、满足碾压机械的工作面要求，超填量所占比例较大，在削坡时投入的机械和人工量增加，土料损耗大，效率降低。
（4）膨胀土施工需形成快速流水施工，设备投入多、设备效率低。
3 渠道膨胀岩开挖施工
3.1 施工工艺流程
膨胀土开挖分一般性土料开挖和保护层开挖。一般性土料开挖采取边坡（底板）预留保护层、自上而下分层开挖；保护层开挖自下而上分层，采取人工辅助机械进行清理开挖，分层高度不大于3.0m。开挖前做好截排水工作。
一般性土料开挖施工工艺流程见图5-1，二次开挖施工工艺流程见图5-2，保护层开挖施工工艺流程见图5-3。
图5-3 渠道膨胀土保护层开挖施工工艺流程图
3.2 开挖施工方法
开挖前，仔细研究施工图及相关技术资料，施工技术员对施工作业人员进行质量技术交底。测量人员对需对开挖部位进行原始地形测量和施工测量放样，确定基面施工控制线，然后进行植被清理。
（1）周边截流沟开挖及处理
正式开挖前，在开口线外侧开挖临时截流沟，防止地表水流入开挖作业面，减少对开挖边坡的冲刷和浸蚀。临时截流沟的布置尽量与渠道永久截流沟结合（见图5-3），并结合现场地形汇水条件布置向渠外排水通道。排水通道之间的截流沟底坡应平顺。因膨胀土遇水易失稳，截流沟必须做好铺砌及防渗漏处理。
图5-3 截流沟衬砌混凝土断面示意图（cm）
截流沟采用现浇混凝土衬砌，衬砌混凝土厚8cm，分缝间距5m，缝宽1cm，用聚氯乙烯胶泥填缝止水。地表清基时，向截流沟一侧按1%坡度修坡。
（2）表层土清除
采用推土机将地表附属物和表层有机耕作层清除拢堆，装载机装车，自卸车运至指定地点堆放。
（3）膨胀土开挖
采用反铲开挖、自卸车运输，推土机在指定的堆放区堆放。土方开挖按照从上到下分层分段依次进行，一次工作面开展不宜过大，分段长度150m～200m左右，开挖层一次不宜超过3m。对同一断面、同一开挖层来说，由中间同时向左右两岸开挖，以利于层间排水。同一区段内开挖面平行下降。开挖过程中预留保护层，保护层的厚度根据后续工程安排和土质情况而定，根据设计技术要求，弱膨胀土渠段预留保护层厚度不少于50cm。对于过水断面以上的渠道开挖，当自上而下开挖至一级马道后，必须停止开挖，进行保护层开挖及边坡的工程防护措施施工，进行换填、永久排水设施及护坡结构等施工。在完成工程防护措施后，再进行下一级马道间开挖或过水断面的开挖施工。
（4）施工排水
渠道地下水设置导流明沟与降水相结合方法施工。在一期开挖中采用明挖临时排水沟、导渗沟结合集水井的排水方式，二期开挖（保护层）对于地下水位高于渠底3m范围内的，沿渠道坡脚约1.0m部位采用开挖导流盲沟，潜水泵抽排至渠道两侧截流沟内，排出渠道；地下水高于渠底3m以上渠段，除渠道坡脚约1.0m部位开挖导流盲沟外，结合永久边坡结构排水系统布置坡面排水盲沟，必要时在渠道一级马道上增设一排轻型井点进行排水。
1）渠道明挖临时排水沟、导渗沟排水措施
土方分层开挖过程中，在存在上层滞水渗流的区域逐层开挖临时排水沟，底部开挖临时导渗沟，及时排除渗水或雨水。详见图5-4。
图5-4 有层间滞水开挖断面排水示意图
开挖时的排水系统采用明挖临时排水沟、导渗沟结合集水井的排水方式。首先在距离开挖断面两侧不少于3.0m的距离平行于渠道轴线开挖临时排水沟，用于汇集边坡层间滞水和雨水；在靠近渠道轴线的位置开挖临时导渗沟，其底部高程低于临时排水沟底，用于汇集地下水和边坡层间滞水。临时排水沟与导渗沟之间通过开挖支沟连通，在导渗沟每100m～150m设置一个集水坑2m×2m×2m（长×宽×高），每个集水坑配1台潜水泵抽排至附近已有沟渠。
随着开挖的进行，排水沟和导渗沟应不断加深，并灵活布置排水沟、导渗沟、集水井的位置，使沟底始终低于开挖底面1～2m，保证干地施工。
2）采用导流盲沟排水
渠道底板预留50cm保护层，采用沿渠道坡脚约2.0m部位，结合渠道底板所设排水系统，采用开挖导流盲沟排除地下水。导流盲沟上部宽50cm，下部宽30cm，深1.3m，低于底板设计开挖边线1.0m，导流盲沟每30m～50m设一道横向导流盲沟与纵向导流盲沟连通，每间隔100m～150m设置1口集水井。导流盲沟开挖完成后回填碎石，每个集水井配置一台潜水泵抽排积水至渠道两侧截流沟。
导流盲沟布置详见图5-5。
.png)
图5-5 渠道导流盲沟布置示意图
3）井点降水
根据该段所处土的渗透系数、地下水位分布情况及施工特点，采用轻型井点降水。井管长6～8m，井点管间距1.5m～2.0m，选用V5型真空泵机组，每100m设置一套抽水系统设备。
轻型井点降水设备可分为管路部分和抽水部分。管路部分主要包括滤管、井管及集水总管；抽水部分主要包括真空泵、集水箱、离心泵、气水分离器及连接管等仪表。
①轻型井点的设计计算
式中：Q─—总涌水量，m3/d；
K─—渗透系数，m/s，可作抽水试验或根据相关资料查得；
H。─—有效含水层厚度，m
S─—水位降低值，m；
R。─—R+r；
R─—影响半径，即抽水稳定时，从井群重心到潜水面开始下降处的距离，可采用抽水试验的观测值，或查表，还可按经验公式 计算，其符号意义同前，m；
r─—基坑假想半径。
轻型井点的设计计算的主要内容有：井点布置、井点管埋深计算、基坑涌水量计算、单根井点出水量计算、确定井点管数量与间距、选择抽水设备等。
通过初步计算确定，轻型井点管深度为6～8m，间距1.5m～2.0m，每100m左右设置一套抽水系统设备。
②轻型井点降水施工
轻型井点降水施工顺序为：施工准备→埋设井管→连接井点管与集水管→连接抽水系统→开动抽水系统抽水→施工结束后拔管。
a 施工准备
在井点施工部位进行测量放样，确定井点位置；同时将材料、设备准备就位。
b 埋设井管和抽水系统的安装
采用井点管水冲下沉埋设，抽水系统安装在渠底。
c 连接井点管与集水管
将已经插入土中的井点管上端用橡胶软管与集水管的连接管头联接起来，并用铁夹箍紧，接头处不得漏气。
d 连接抽水系统
将集水管的三通与已经组装完成的抽水系统连接在一起。
e 开动抽水系统抽水
管路及设备检查合格后，即可开动真空泵，集水箱内部形成部分真空，真空表指示400mmHg左右，地下水开始从滤管吸入集水箱，即可开动离心泵，将水排出。排水时要及时调节出水阀，使集水箱内吸水的水量与排出的水量平衡。真空表升至600mmHg时，即表示排水量与地下涌入量达到平衡。
由专人24小时负责抽将水抽排至已有沟渠，并配备足够的备用水泵，确保水泵发生故障时能及时修复。
f 拔管
施工结束后，拆除连接管，用吊机或用扒杆卷扬机将井管拔出。所留孔洞用砂或土填塞。
4）施工排水工程量统计
经计算，主要排水设备配置见表5-1。
表5-1 施工排水工程量统计表
（5）临时防护
由于膨胀土的特殊性质，在开挖过程中应尽量减少大气环境的影响时间。临时防护主要有预留保护层和覆盖两种。
在开挖过程中，为减少大气环境对渠道设计基面的影响，在建基面预留一定厚度的土层作为保护层。保护层的厚度根据土质情况而定，根据设计技术要求，弱膨胀土渠段预留保护层厚度不少于50cm。
除预留保护层外，在降雨期、高边坡地带或保护层开挖完成后进行换填施工前，必须进行坡面的覆盖防护。覆盖保护主要采取防雨布、塑料布等覆盖。覆盖时，采取上部膜压下部膜的方法，相邻块的搭接不少于1.0m，用土袋压盖，要做到全面覆盖不留死角，以减少大气环境影响。坡顶的防护范围较坡脚的防护范围适当加大，坡顶尽量覆盖至周边截流沟边。
（6）保护层开挖
保护层是为了保护建基面不受大气环境的影响而临时预留的土层。在进行置换回填前，需分层开挖保护层至设计建基面。
渠道边坡高度方向不大于4.0m分层，开挖一层、验收一层、回填一层，然后再开挖上层保护层，并采取有效保护已填土方质量的保证措施，如上一层边坡保护层开挖完成后，对污染的已填土料采用人工配合机械清理开挖，对清理开挖量大的部位先进行补填，然后进行上层的正常填筑施工。
保护层分层开挖施工示意见图5-6。
.png)
图5-6 保护层分层开挖施工示意图
保护层开挖采用人工配合挖掘机进行。在测量人员的指挥下，用挖掘机在坡面每隔10m开挖出样槽。由有经验的挖掘机操作人员按样槽进行保护层开挖，挖掘机开挖方向垂直于渠道轴线，由上至下顺坡进行开挖。土料拢集于坡下后，装车运至指定地点。开挖时距离设计建基面还需要预留5～10cm的薄土层，目的是为了避免超挖。预留的薄土层开挖前，将挖掘机斗齿前焊接一块厚约20mm的钢板作为“刮板”，长度同挖掘机斗宽，宽度约为15cm，前缘与斗齿齐平，开挖方向垂直于渠道轴线，沿坡长自上而下将预留的薄土层刮除，人工用平头铁锹将坡面遗留的松土清除并拢堆。在坡面上钉木桩，每5m作为一个断面，按坡度放样，在桩位上固定尼龙线，人工对坡面进行适当整理，直至坡面坡度符合规范要求。
每一段保护层开挖后、下道工序施工前，坡面要进行覆盖。
4 渠道膨胀土换填施工
4.1 施工规划
渠道保护层开挖完成后，即可进行换填，换填土厚度1.0m。渠道换填与渠道土方开挖形成流水作业。
换填土采用敬楼料场第①层重粉质壤土，可直接填筑，含水量在最优含水量-2%～+3%，压实度不低于98%。施工前根据渠道所采用的敬楼同种土料施工参数，做好膨胀岩换填的生产性试验。
4.2 施工程序
料区覆盖层清除 → 土料开采运输 → 土料制备 →（每4m高差做为一层预留保护层开挖，排水设施施工） 摊铺 → 碾压 →取样检测→（下一4m高差预留保护层开挖，排水设施施工） 摊铺 → 碾压 →取样检测
4.3 换填施工
（1）土料检验及生产性工艺试验
在施工前需对料场进行复查，然后对土料进行检测。通过室内试验，取得土料的自由膨胀率、粘粒含量、塑性指数等物理试验资料，进行击实试验，取得最优含水量、最大干密度参数。根据室内试验取得的参数，进行现场碾压施工工艺试验，选择碾压机械的类型，选择相应的施工碾压参数，如铺土厚度、碾压遍数等。
（2）料场覆盖层清除
土料开采前，首先进行料场的植被清理和表层土清除，采用推土机将各种树根、杂草、垃圾等清除拢堆，装载机装车、自卸车运输至指定区域堆放。采用挖掘机开挖表层腐殖土、有机层，自卸车运至指定的表层土堆放区堆放。
（3）土料开采运输
土料开挖和运输采用挖掘机挖装、自卸车运输。开挖前要对取土场进行规划，减少水土流失。在取土场周围做好临时排水沟，修好运输通道。开采面尽量做到同层、齐头并进、彼此联通，不得随意开展工作面。料区有积水时，应分区开挖排水沟。根据料区的地势、土层厚度、土质及含水量情况，采取平面开采或立面开采方式。
（4）土料制备
为保持含水量均匀、消除大块粒径，开挖后需要对土料进行拢堆和翻松，对局部含水量偏低的土料进行洒水调整，对含水量超标的进行翻松晾晒。一般采用五铧梨和旋耕机翻松、晾晒。
（5）排水设施施工
按照设计通知及图纸要求，地下水位低于渠底，视施工后开挖揭露情况增加排水设施；地下水位高于渠底3m范围内的，采用换填1号排水方案；地下水位高于渠底3m以上渠段，采用换填2号排水方案。
1）Φ150PVC软式透水管
按设计要求测放出沟槽开挖边线，采用小型挖掘机开挖，人工配合清至设计边线，经验收合格，在底部摊铺粗砂垫层并夯实，其填筑厚度、相对密度等符合设计要求。软式透水管与附件安装及土工布包裹、捆扎验收合格后，及时回填沟槽。回填前清除沟槽杂物。分层对称回填管身两侧，保证回填密实度符合设计要求。
2）Φ150PVC波纹管安装
沟槽开挖验收合格后，安装PVC波纹管，验收合格后及时回填M7.5水泥砂浆，分层对称回填管身两侧。
3）排水网垫铺设
利用渠坡削坡在坡面上设置的高程控制桩，按施工图纸放出排水网垫铺设的控制线。排水网垫铺设时，沿渠道轴线方向、渠坡自下而上顺序铺设，严禁直接踩踏铺设完毕的排水网垫。铺设好后，采用排水网U型钉固定。
排水网垫在铺设过程中，根据裂隙发育及地下水的出露情况，调整排水方案或调整铺设间隔的距离。排水网垫要伸入渠坡纵向集水暗管粗砂垫层10cm。
（6）土料运输摊铺
土料运输采用挖掘机装料、自卸车运输的方式。一般采用进占法铺料，推土机摊铺压平。对于安装透水管周边部位，采用人工进行摊铺。为保证碾压机械的工作面、确保边角压实度，铺土边线在水平距离上要进行超填。在每层摊铺前，采用推土机在坡面上推出小台阶以保证土体的结合。在铺料过程中，严格按照碾压试验确定的参数控制。为保证层间结合，在铺料过程中需要进行层间洒水。
（7）碾压
采用碾压试验选取的机械进行碾压，一般采用凸块振动碾。透水管周边部位，采用人工手持电动夯夯实。碾压遍数按照碾压试验参数控制。碾压结束后取样检测压实度，合格后进行下一层的填筑。
（8）削坡
在换填完成后，人工配合挖掘机进行削坡。由有经验的挖掘机操作人员按样槽进行削坡，削坡方向垂直于渠道轴线，由上至下顺坡进行。土料拢集于坡下后，装车运至临时堆放场，经加水、破碎后可以重新利用。削坡时应预留5～10cm的薄土层，在下道工序施工前再削除。预留的薄土层削坡时，将挖掘机斗齿前焊接一块厚约20mm的钢板作为“刮板”，长度同挖掘机斗宽，宽度约为15cm，前缘与斗齿齐平，开挖方向垂直于渠道轴线，沿坡长自上而下将预留的薄土层刮除，人工用平头铁锹将坡面遗留的松土清除并拢堆。在坡面上钉木桩，每5m作为一个断面，按坡度放样，在桩位上固定尼龙线，人工对坡面进行适当整理，直至坡面坡度符合规范要求。
（9）防护与排水
渠道边坡保护层开挖后、基础换填前，坡面必须覆盖，减少大气环境的影响。在换填时，将换填部位的坡面防护膜逐层、逐段掀起，坡面上部的覆盖物仍然保留；换填后对坡面适当保护，防止形成雨淋。
换填时，根据设计要求对坡面或渠底渗水采取封堵或引流的方式。
4.4 土方换填平衡
（1）渠道换填施工超填量
渠道底板施工超填取10cm，渠道1:2边坡施工超填，考虑机械尺寸、安全距离，渠道超填水平距离取2.9m，即施工超填30cm（垂直基面厚度），渠道1:3.5边坡施工超填30cm（垂直基面厚度），经计算，渠道换填施工超填量为4.82万m3，施工超填量占渠道填筑总量的 24.2%。
（2）土方换填平衡
敬料场开挖可利用系数取0.9，渠道施工超填量24.2%，压实系数取0.85，经计算，回填量1.0m3，需敬料场开采1.62m3。计算结果见表6-1。
表6-1 土方换填平衡计算表
本工程膨胀土换填约19.9万m3，需敬料场开挖32.4万m3。
结束语：综上所述，南水北调渠道膨胀岩开挖换填施工，在施工过程还存在诸多难题，膨胀土遇水膨胀，永久排水与临时排水相结合等问题，在后期类似施工过程中仍需深入研究，本工程所采用的开挖换填方法，为后续南水北调西线工程施工提供参考依据。
参考文献：
（1）设计施工图纸：膨胀岩（土）处理措施布置图（图号：NZSⅡ（CH1）-X001-3-01P～04P）。
（2）南水北调膨胀岩施工技术要求。
1）中线局下发：膨胀岩施工技术规定；
2）设计院下发：膨胀岩渠坡处理施工技术要求、膨胀岩渠坡处理材料技术要求。