水泥改性土施工工艺在南水北调中线工程中的应用

金正伟

水泥改性土施工工艺在南水北调中线工程中的应用

金正伟

一、概述

南水北调中线工程总干渠全长约1432km，其中膨胀土（岩）渠段累计长度约占到全线长度的27%。为保证工程运行安全，须对膨胀土边坡进行处理，目前从各项研究成果来看，采用水泥改性土换填是最合理的选择；但是水泥改性土换填采用什么样的标准、如何进行规模化施工，目前在国内国际上都还没有成熟的施工经验，也是南水北调中线工程面临的一大难题。安徽水利开发股份有限公司在南水北调中线工程方城八标的膨胀土渠道施工中采用了水泥改性土换填，并通过多次的试验和改进，完成了5.52km长渠道水泥改性土换填施工，形成了一套成熟的水泥改性土换填施工工艺，并为制订和完善南水北调水泥改性土施工技术规程提供了重要参数。

二、工艺原理

膨胀土具有遇水膨胀，失水干缩的特性，造成膨胀土边坡极不稳定，通过换填措施，在原膨胀土基面增加一个覆盖层（掺入2%～8%水泥的膨胀土），使覆盖层水泥改性土的自由膨胀率达到弱膨胀土的标准，隔离了大气和天然降水对膨胀土边坡的直接影响，消除了膨胀土的胀缩诱因。同时通过碎土工艺的改进，解决了水泥改性土换填规模化施工及土料含水率变化对水泥改性土换填质量控制影响的难题。

三、施工工艺流程及操作要点

1.施工工艺流程

土料料源复勘（室内试验取得土料物理力学参数）→土料分区开采、运输→碎土（碎土工艺试验、颗粒分析、土料含水量调整）→水泥土拌制（水泥检测）→拌和料运输→摊铺（拌和料含水量调整）→碾压（4h内完成）→质量检测→进行下道工序施工或覆盖保护。

2.操作要点

（1）土料料源复勘

在改性土施工前，首先对土料料源进行复勘，查明料源土层结构及物理力学特性、膨胀性、含水量。并根据复勘成果进行土方平衡和分区开采规划。

对不同取土区域，采用不同方式开采的土料，分别通过室内试验取得天然土料的物理力学参数，包括抗剪强度指标、天然含水量、粘粒含量、自由膨胀率、最优含水量、最大干密度等。

（2）土料分区开采运输

从渠道开采的弱（中）膨胀土土料可直接运至拌合场堆放；或者将开采的土料运至临时堆土场分区堆放，在进行改性土制备前，再转运至拌合场。

土料堆场周边应做好截水沟，并备有防雨或遮阳设施；对于地水位较高的料场，应结合料场排水条件，疏通并开挖料场排水沟网，及时排除取土坑及排水沟网内的积水，降低地下水位至最低开挖面50cm以下。

3.碎土

（1）在进行碎土施工前，针对不同土源和不同含水率的土料进行生产性碎土工艺试验，根据试验结果确定不同土料碎土时的最优含水率。

（2）碎土采用改进型WHB-200型轮式碎土机，该设备采用锤式破碎机原理，将土料打碎后通过筛网，由皮带输送系统至土体成品堆放场地；一套稳定土拌和机配2～3台碎土机。

（3）采用轮式装载机上料、拢堆，破碎好的合格土料可直接送至拌和机拌和，未用完的土料采用塑料布临时覆盖防护。

4.水泥改性土拌制

（1）水泥改性土的水泥掺量根据天然土料膨胀特性，经室内试验最终确定。选择改性土水泥掺量时，不同自由膨胀率天然土料改性水泥掺量控制指标及试验时参考掺量按照表1的规定确定。

表1 不同自由膨胀率天然土料改性土水泥掺量室内试验控制指标参考值

（2）大规模的水泥改性土拌制宜采用厂拌生产，采用的机械为稳定土拌合机。水泥改性土拌和前，先进行水泥改性土拌和试验和土料的含水率测定：即根据计量传送系统的供料速度确定水泥和水的添加量等各项参数，保证拌出的水泥改性土的各项指标与室内试验一致；根据水泥改性土击实试验成果的最优含水率，计算水泥改性土拌和所需添加的水量。

（3）将破碎好的土料用装载机送至稳定土拌和机集料斗内。为保证土料质量，集料斗上口一般加工成带坡度的形式，并在上口设置筛网，每个小网格边长不宜大于10cm，以过滤掉粒径过大的土料。

（4）在拌和过程中按照生产性确定的参数充分拌和，拌和称量系统按照试验参数控制土料、水泥和水的重量，拌和时间一般≥2min。出料后，取样进行均匀性检测，采用水泥含量标准差进行控制，用EDTA滴定法测定水泥含量，平均值不小于所确定掺量，弱膨胀水泥改性土水泥含量标准差不大于0.7，中膨胀水泥改性土水泥含量标准差不大于0.5。均匀性检测合格，方可出站用于工作面填筑。

5.水泥改性土运输

检测合格的水泥改性土由自卸车运输至填筑工作面，运输过程中改性土要进行覆盖保护。

6.摊铺

（1）水泥改性土铺料前，先用推土机对膨胀土基面的坡底进行开凳处理。开凳高度为碾压试验成果的压实厚度。

（2）自卸汽车采用“进占法”卸料在工作面上，由于填筑面的宽度较窄，不易错车，采用小型挖掘机进行平整，参照“算方铺料，定点卸料、随卸随平、定机定人、铺平把关、插钎检查”的方法，以保证铺土的厚度和均匀性。

（3）为保证碾压机械的工作面宽度和换填层设计边坡侧压实度，铺土边线在水平距离上要进行超填。超填土料宜按照1∶1.5坡比放坡，并严格按照碾压试验的参数控制铺料厚度，根据不同的换填厚度，同一层以设计外坡脚为基准，顶部超填宽度不小于30cm。超填部分可作为换填层的保护层（见图1）。

图1 改性土换填超填示意图

7.碾压

（1）水泥改性土施工前须进行碾压试验，通过碾压试验确定最优含水率、铺土厚度、碾压方式、碾压遍数和压实厚度等控制参数。

（2）换填料平整后，采用≥20t振动凸块碾进行碾压，振动碾平行于渠堤轴线方向碾压，行车速度控制在2～4km/h以内；先静压后振动（碾压遍数由试验确定），碾压机械行进速度先慢后快，碾压时应做到无漏压、无漏振。

8.检测

（1）每层填土完成碾压后，宜在4h内完成质量检测，检测采用环刀法。

（2）在6～8h内完成上层土覆盖或者用塑料薄膜覆盖防护。如不能及时跟进，要对填筑面和建基面做好防雨和保湿等施工期间的保护措施。

四、水泥改性土换填注意事项

1.水泥改性土换填施工质量控制

（1）经碎土机破碎后的土料最大粒径不大于10cm，10～5cm粒径含量不大于5%，5cm～5mm粒径含量不大于50%，如果土块颗粒不满足要求，采取调整筛孔尺寸、筛分剔除、调整碎土生产工艺及控制参数等措施，直到满足粒径要求。

（2）水泥改性土拌和前，应选用现场有代表性的被改性土做室内EDTA滴定试验，以开始掺入水泥后30min、2h、4h、6h、12h为时间参变量，测绘水泥含量经时曲线，以便检测后期的水泥改性土水泥含量。

（3）改性土水泥掺量相同的渠段之间结合面坡度不应小于1∶6，不同水泥掺量的改性土结合面坡度不应小于1∶10，结合面处的填筑体需开开凳，开凳高度为每一层铺土碾压厚度。

（4）雨季施工应特别注意天气变化，避免土料受到雨淋。降雨时应停止施工，对已摊铺的工作面应尽快碾压密实、封面并进行防雨覆盖，以防止表面积水。

2.环保措施

（1）施工过程中要做好粉尘和噪声的防治：施工区域要定期洒水，保持清洁；拌和站水泥输送采取全封闭形式；施工时段尽量安排在白天，施工机械要减少鸣笛。

（2）施工中加强生活和生产区废弃物的处理：生活、生产污水必须通过沉淀池沉淀后才能排放；固体废弃物通过集中运输至指定地点掩埋或焚烧处理。

（3）加强设备的更新与保养，杜绝漏油对施工区域造成污染；同时减少有害气体排放，确保施工机械废气排放符合环保要求。

五、项目成果及效益分析

1.项目成果

南水北调中线工程方城八标项目施工中，利用渠道开挖土进行水泥改性土换填施工，同时采用机械化、平行流水作业，减少了耕地占用，工效提高，缩短了工期，有效降低了征地费用以及施工总成本。通过测算，直接利用渠道开挖土拌制水泥改性土比新征用土料场取土每立方水泥改性土要节省16.65元；方城八标实际利用渠道开挖土73万m3，节约征地投资费用约1216万元。

2.社会效益

南水北调中线工程总干渠膨胀土渠段采用水泥改性土换填处理技术，成功解决了膨胀土渠段的边坡稳定问题；同时在施工中总结出的施工工艺标准、质量控制标准达到了国内施工领域领先水平，特别是水泥改性土相关生产性试验工艺及填筑工艺，显著提高了施工工效和降低施工成本。另外对于铁路、公路等相关行业的膨胀土工程施工具有重要的参考价值和应用前景■

（作者单位:安徽水利开发股份有限公司 233000）

（专栏编辑：张 婷）