膨胀土开挖施工工艺

李学森

摘 要：膨胀土是一种含一定数量亲水矿物质（蒙脱石、伊利石、高岭石或混层结构）且随着环境的干湿循环变化而具有显著的干燥收缩、吸水膨胀和强度衰减的粘性土，有的裂隙很发育，且液限和塑性指数较大，压缩性偏低，在天然含水量状态下较坚硬，一般具有超固结性。在地层分布上一般属于上第三系河湖相砂砾岩、砂岩和第四系中更新统冲洪积分支粘土，在结构上夹层多，上层滞水明显，开挖后易产生卸荷失稳。在进行渠道土方开挖和保护层开挖过程中，需采取与常规土方开挖不同的方法。本文结合南水北调中线一期工程总干渠陶岔～沙河南段南阳段第一施工标段渠道施工经验，详细介绍了膨胀土开挖施工关键工序的控制措施。

关键词：膨胀土；施工工艺；控制要素。

中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：

1 工程概况

本工程区位于南阳市市区内，桩号：TS87+925～TS94+365，全长约6.44km；渠道过水断面成梯形，设计流量340m3/s、加大流量410m3/s，最大挖深达26m；其中渠底设计宽度为14～22m、纵坡1:25000，边坡坡比为1：2～1：3.5，一级边坡设计采用10cm厚的衬砌板、渠底8cm衬砌板、其余边坡采用浆砌石联拱+植草防护。

2 工程特点

根据招标地质资料显示本标段渠道沿线均为膨胀土，膨胀土随着环境的干湿循环变化具有显著的干燥收缩、吸水膨胀和强度衰减。开挖后易产生卸荷失稳，出现滑坡现象，采取工程措施，预防滑坡是施工控制重点。

根据膨胀土的特殊性质，在开挖过程中必须采取覆盖、防护等有效措施减少大气环境的影响，分层、分段开挖并预留保护层，一次开挖的工作面不易过大。开挖过程中，在有上层滞水的地带需采取逐层设截流沟、逐层排水的方式，有效减少边坡失稳现象，对边坡的保护和设计断面的形成有很重要的作用。

3 工艺原理

在开挖过程中，采取逐层开挖排水沟排除滞水、渗水的开挖方式，并采取临时覆盖边坡、预留保护层和后续工序跟进，可有效隔绝阳光曝晒和雨雪冲刷或冻结，减少土体失水干缩或遇水膨胀而引起的边坡失稳现象。

4 施工工艺流程及操作要点

4.1 施工工艺流程

4.2 施工工艺

4.2.1 土方开挖测量放样

放样遵守“由整体到局部，先控制后细部”的原则，依据现场条件、控制网点的分布情况采用极坐标法；开挖工程细部放样时，在实地放样控制轮廓的坡顶点、转角点或坡脚点，并用醒目的标志加以标定。

4.2.2 表土清挖

施工时严格按照图纸规定的表土开挖深度进行开挖，采用推土机打堆，装载机装车，自卸车运输，单独堆放，以用于竣工后耕地恢复。

4.2.3 截留沟开挖

渠道开挖之前，首先进行渠道永久性截流沟施工，防止地表水流入开挖作业面，以及对已开挖边坡的冲刷和浸蚀。同时结合现场地形汇水条件布置向渠外排水的通道。另外，为保证截流沟的汇水作用，渠道开挖线与截流沟之间的坡顶做成倾向截流沟一侧的缓坡，以免坡顶积水。

4.2.4 土方开挖

土方开挖采用反铲挖掘机开挖、自卸汽车运输、推土机在指定的堆放区推平的工艺进行施工；按照从上到下分层分段依次进行，一次开展工作面不宜过大，分段长度为150m～200m左右，开挖层厚度为2～4m。同一区段内开挖面平行下降，当不能平行下挖时，两者高差不大于一个开挖梯段。对于中强膨胀土渠段，在渠道设计开挖断面轮廓的坡脚处预留土墩，以防开挖卸载后出现滑坡；土墩宽度（底板宽度方向）2m，高度2m，土墩边坡与开挖轮廓设计边坡相同。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，停止开挖，进行保护层开挖及边坡防护工程施工。在完成工程防护措施后，再进行下一级马道间或过水断面的土方开挖施工。

4.2.5 排水

土方分层开挖过程中，存在上层滞水渗流的区域逐层在两边开挖临时排水沟，中间开挖临时导渗沟，及时排除渗水或雨水；

首先在距离开挖断面两侧3.0m 的距离，开挖平行于渠道轴线的临时排水沟，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联通，在导渗沟适当的位置开挖集水井，井内布置水泵，当施工期降雨形成地面径流或出现层间滞水、渗水时，水流通过临时排水沟、支沟汇集到导渗沟的集水井内，用水泵抽排至附近自然沟渠。随着开挖的进行，排水沟和导渗沟不断加深，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，确保开挖面无明水。

4.2.6 临时防护

在开挖过程中，为减少大气环境对渠道设计基面的影响，在挖时建基面预留一定厚度的土层作为保护层。

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之前，进行坡面的覆盖防护。本工程覆盖防护主要采取土工膜、塑料布等覆盖。覆盖时，采取上部膜压下部膜的方法，相邻块的搭接不小于 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。

4.2.7 地质编录

按照设计图纸开挖到渠道设计轮廓线后，首先对已开挖边坡进行初步地质描述后，邀请地质单位对开挖面进行地质编录，地质编录包括以下内容：(1)地层界线、地层产状、岩性界线；(2)膨胀土分区（层）界线，膨胀土类别；(3)分区（层）土体颜色、钙质结核含量、结构等；(4)分区（层）土体含水量，塑性状态；(5)分区（层）土体裂隙发育程度（密度、裂隙面的光滑程度、充填物、有无地下水渗出），结构面产状；(6)长大裂隙（大于10m）产状，优势缓倾角结构面统计；(7)地下水浸润线、出水点描述，渗水与地表水的关系。

通过地质编录，确定边坡存在的潜在滑坡面，以便设计确定相应的边坡支护方式。

4.2.8 保护层开挖

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，用挖掘机在坡面上每隔10～20m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。开挖时为了避免发生超挖，预留距离设计建基面5～10cm 的薄土层；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，直至坡面坡度符合设计及规范要求。

每一段保护层开挖后、下道工序施工前，坡面要进行覆盖。

4.3 土方开挖质量检查和验收

膨胀土渠道开挖完成后，建基面开挖质量检查验收内容包括：

（1）开挖轮廓是否满足设计要求；

（2）开挖面浮土厚度是否超标；

（3）开挖面上是否有补坡、拍坡现象；

（4）开挖面揭露的膨胀土区域界线是否明确，膨胀土类别是否确认；

（5）坡面有渗水出逸时，导引措施是否有效；

（6）坡面有变形或滑坡体时，对滑坡体的清理或处置是否满足要求；

（7） 地质编录工作是否完成，内容是否满足膨胀土渠道施工地质要求。

5 结束语

本工程通过逐层开挖排水沟排除土体中的滞水、渗水，同时采取临时开挖边坡覆盖、预留保护层和后续工序跟进的施工方法，有效的控制了因土体失水干缩或遇水膨胀而引起的边坡失稳现象。