长距离输水箱涵关键项目施工技术

【摘要】南水北调中线天津干线工程全长155km，采用地埋式箱涵输水方案，本文针对已设计的箱涵形式，以廊坊市段TJ4-4标工程为例从降排水、基坑开挖、基础处理、双掺混凝土配合比应用、箱涵混凝土浇筑、施工缝和结构缝处理、土方回填等关键项目施工进行了详细的论述，可为同类工程的施工提供宝贵的参考依据。

【关键词】南水北调；输水箱涵；关键项目；施工技术

1 工程概况

举世瞩目的南水北调中线工程从丹江口水库陶岔闸引水，经长江流域与淮河流域的分水岭方城垭口，沿唐白河流域和黄淮海平原西部边缘开挖渠道，在河南省郑州市附近通过隧道穿过黄河，沿京广铁路西侧北上，自流到北京、天津。输水干渠全长1273km，向天津输水箱涵长155km。年调水规模130亿m?。天津干线因其独特地理位置，结合保护水质、少占耕地、冬季防冻等特点，采用地埋暗涵形式，有效解决了保护耕地，保护水质、防止冰冻等不利因素。此种箱涵适用于大流量、低水头情况，造价较低，等特点。本文以南水北调中线工程天津干线廊坊市段TJ4-4标工程为例，主要从基坑开挖、施工降排水、双掺混凝土配合比研究、箱涵混凝土浇筑、施工缝和结构缝处理、基槽回填等方面介绍了输水箱涵的关键施工方法。

南水北调中线工程天津干线廊坊市段TJ4-4标，全长约10.612km，主要以现浇凝土箱涵为主，为3孔4.4×4.4m有压输水箱涵，设计输水流量55m3/s，标准单节箱涵长15m，断面尺寸15.6×5.6m（宽×高），标准箱涵段以橡胶止水带和聚硫密封胶连接。

2 关键项目施工工艺

2.1 基坑降水施工

本标段地下水位约在地面以下2.5～5m左右，为保证土方开挖和基底干场作业，在开挖前先期进行施工降水。

㈠ 基槽开挖标准断面为复式对称梯形断面，降水管井布置在基坑左右两侧2m宽的马道外侧，降水管井间距7～15m，管井开孔直径φ700mm，井深18m～20m（井口与马道齐平）。

㈡ 地面排水沟布置

地面排水目的：将从管井及集水坑抽出的水，经地面明沟排至泄水区。

地面排水沟位置：在箱涵施工道路外侧设置排水明渠，将基坑两侧降水井排水集中抽排至排水明渠内，跨越施工主干道部位预埋钢管对水管进行保护；在箱涵开挖边线无施工道路一侧每隔30m设置一个集水池，集水池采用土工膜防渗，将降水井内的水抽排至集水池。

㈢ 降水时间

在降水井钻设完成后开始降水，直到土方回填至马道高程为止。

降水井形成后，一般土方开挖至马道后，开始降水，连续保持井内的低水位，保证施工干场作业，确保工期目标实现。在输水箱涵及各建筑物混凝土浇筑完成，且外侧土方填筑到一定高程后停止抽水，撤泵填井。

㈣ 成井工艺

管井开孔直径φ700mm，井管采用φ350无砂混凝土管。井管外及井底500mm充填粒径3～15mm圆形、亚圆形砂卵石滤料。

管井施工工艺流程：施工准备→场地放样→开挖排水沟→铺设总管和安装水泵→成孔→下井管→填滤料→水泵就位→试抽水→正式抽水。

2.2 土方开挖

箱涵涵身开挖深度约为10.5m；开挖边坡坡比为马道以上1：1.5，马道以下1：2，马道宽2m；开挖开口线宽度约为50m左右，底板宽度约为18.3m。根据相关要求，开挖分层为表土清理（50cm）、土方明挖和保护层开挖（30cm），其中土方明挖第一层开挖深度3.5m，第二层开挖深度约为3m～4.5m。第三层开挖深度约4m，第三层为地下水位以下开挖领先开挖排水沟，共分3个开挖顺序，分层情况见图 1。

图1 箱涵基坑开挖典型分层断面图

第一、二层用反铲南北横向后退法开挖，反铲从堆土带对面一侧开口线开始下铲，靠近边坡处预留大于40cm保护层，反铲站立下一工作面修坡。开挖时以已完成清表的工作面作为开挖机械及自卸汽车行走平台，采用反铲和自卸车联合挖运作业，第一层开挖示意图见图 2。

图2 第一层开挖示意图

地下水位以上一、二层开挖完成后进行基坑降水施工，在地下水位降至基底0.5m以下后，开始第三层开挖。在开挖至接近基底高程时，为了保护建基面，避免开挖机械扰动原状土和建基面暴露较长时间，基坑开挖底部箱涵建基面以上预留30cm的保护层，在第三层开挖时人工跟进开挖集料，由第三层开挖的反铲配合装运到自卸汽车中，以保护地基原状土不受扰动，在挖掘机进行开挖作业时，由测量仪器全程跟踪测量，保证边坡坡比、开挖中心线和建基面高程符合设计要求。

由于本标段需采用开挖土料进行回填，开挖土料堆放在箱涵南侧堆土区。根据水土保持的要求利用尼龙布对开挖土料进行覆盖，用土方编织袋进行围挡，围挡高度为0.6～1m，围挡顶宽0.5m，底宽1m，并在堆土区边缘处设排水沟。

2.3 箱涵基础处理

㈠公路涵基础处理

为防止公路偏载振动等造成的危害，根据相关要求，换填20cm厚碎石垫层加强基础承荷能力，分散不均匀应力。设计的碎石垫层厚20cm，粒径为10～40mm，边线至箱涵边线外0.5m。碎石采用人工铺筑，电动夯夯实的方法施工。

㈡ 箱涵地下水浸没处理

为防止箱涵两侧出现地下水位差等造成的浸没危害，箱涵基础面按照设计要求采用土工布包裹碎石的方式在箱涵底部和顶部设置地下水联通体。碎石条带每45m布置一道，输水箱涵底部和顶部碎石垫层条带厚度50cm、宽度1.5m，输水箱涵底部垫层碎石条带长度由箱涵垫层两边各延伸100cm，输水箱涵顶部碎石条带与箱涵宽平齐。

2.4 双掺（掺粉煤灰和磨细矿渣）混凝土配合比应用

本標段沿线地下水位较高，主体箱涵混凝土埋于地下水位以下，长期受地下水环境中的硫酸根离子、氯离子等侵蚀。同时本标段所处的京津冀地区分布有大量碱活性骨料，采用的骨料存在疑似碱骨料反应。为此采用“大掺量磨细矿渣双掺混凝土”可以有效“抗地下水化学侵蚀”和“抑制碱骨料反应”解决上述问题，既提高了箱涵混凝土的质量和耐久性，也有助于降低工程造价。

㈠ 施工性能较好

双掺混凝土施工性能较好，由于双掺混凝土胶凝材料用量较大（350～388kg/m?）、和易性好，在合适的坍落度情况下对浇筑和正道程序及密实度有很好的保证。

通过调整水胶比，双掺混凝土的各项强度指标与普通混凝土相似。由于水泥产量的减少，混凝土的水化热降低，双掺混凝土抗裂性能大大提高。

㈡ 抑制碱骨料反应

本标段所处的京津冀地区分布有大量碱活性骨料，采用的骨料存在疑似碱骨料反应。双掺混凝土微观结构得到改善，降低了碱在混凝土内部的移动速度，同时，由于对碱的固结作用，大大的降低了混凝土孔溶液碱离子浓度，有效的抑制碱骨料反应的发生，可避免工程由于使用活性碱骨料造成的碱骨料反应破坏。

㈢ 抵抗硫酸根离子破坏

本标段沿线地下水位较高，沿线主体箱涵混凝土埋于地下水位以下，长期受地下水环境中的硫酸根离子、氯离子等侵蚀。硫酸盐侵蚀会通过物理化学过程使混凝土胀裂，导致混凝土结构发生破坏，在配合比设计过程中必须进行重要防范。

双掺混凝土抵抗硫酸盐侵蚀能力高。由于混凝土密实性的提高，硫酸根离子进入混凝土内部变得困难，这样就消除或减少了高硫型水化硫铝酸钙（钙矾石）形成的可能性，阻碍是高结晶型侵蚀的发生，大幅度减少混凝土膨胀，使混凝土抵抗硫酸盐侵蚀的能力大大提高。

㈣ 抗氯离子渗透

由于混凝土密实性提高，氯离子扩散系数大幅度降低，从而使混凝土抗氯离子渗透能力得到提高，将延缓和推迟钢筋锈蚀的时间。

2.5 箱涵混凝土工程

15m长标准箱涵每节混凝土分两次浇筑，第一次浇筑到底板八字以上50cm，第二次浇筑箱涵墙体和顶板。箱涵混凝土主要施工程序如下：

基础联合验收→垫层混凝土浇筑→底板钢筋安装→模板施工→混凝土浇筑前验收→底板混凝土浇筑→施工缝处理→中墙钢筋安装→钢筋验收→模板台车安装（或平移）→台车刚模板调整加固→边墙、顶板钢筋安装→边墙、顶板外侧模板拼装、调整及加固→混凝土浇筑前验收→顶板混凝土浇筑→混凝土养护→箱涵外模拆模→台车模板脱模→下一节箱涵施工。

㈠ 混凝土垫层施工

本合同工程箱涵底板下设10cm厚C10混凝土垫层，结构箱涵垫层宽度为15.4m～15.6m，垫层的浇筑采用汽车混凝土泵输送入仓，人工平仓，平板振动器振捣，人工抹面的方式进行。

㈡ 箱涵模板支立

本工程箱涵施工所用模板均为钢模板，箱涵底板仓号腋角采用定型腋角模板，外侧采用P150普通平面钢模板。侧墙/顶板仓号内侧模板采用简易钢模台车，外侧采用P150系列模板拼装，钢管脚手架支撑。堵头模板结合止水位置及八字墙腋角形式均采用定型模板。

⑴ 底板模板支立

底板仓号外侧采用三层P6015组合模板拼装而成，腋角部位采用定型腋角钢模板。在施工底板仓号时，制作φ48钢管单桁架外对撑形式来加固底腋角模板，每隔3m设置一道。

箱涵两节涵身连接处设有一道橡胶止水带，该部位模板配置由P3015模板和堵头异型模板配合使用。

⑵ 墙体及顶板模板支立

内墙及顶板模板主要采用钢模台车施工。箱涵标准段涵身段长15m，每节台车标准结构尺寸4.4×4.4×7.5m（宽×高×长），每节每孔涵身配置两节钢模台车，即将两节7.5m长的钢模台车对接成15m长；钢模台车轨距2m。钢模台车主要由模板组、行走机构、台车架、承重梁、螺杆支撑压系统、一些辅助平台构成，面板厚度δ=4mm。钢模台车支撑示意见图3。

图3 钢模台车支模施工示意图

φ20拉杆采用定位锥对拉固定在模板上，拆模时旋转退出定位锥，用预缩砂浆填堵定位锥孔。

⑶ 模板拆除

不承重的侧面模板，在混凝土强度达到3.5Mpa并能保证其表面及棱角不因拆模而损坏时拆除。顶板模板为承重模板，根据混凝土试块强度，在混凝土强度达到设计强度的75%后拆除。

㈢ 橡胶止水带和闭孔泡沫板安装

橡胶止水带采用止水卡加固，止水带要埋正对中，止水带中间可伸缩部分不得埋入混凝土中，保证其可自由变形。

为了便于闭孔泡沫板的施工，根据设计尺寸，采购已加工成型的闭孔泡沫板。闭孔泡沫板采用先贴法安装，即在支立模板时将泡沫板用铁丝固定在模板内侧。

㈣ 钢筋制安

钢筋进场后首先经过现场试验室取样检验合格后方开始制作安装。钢筋制作在后方加工厂完成；钢筋连接方式有搭接焊、帮条焊、机械连接及闪光对焊。

钢筋加工完成后，根据设计图纸在混凝土垫层上逐根弹好钢筋位置线，根据位置线摆放加工好的底层主筋。弯起延伸至墙体内的主筋上端利用单排脚手架挑出的顺水杆与主筋临时绑好，确保主筋的垂直度、间距及稳定。检查主筋的间距、根数等符合要求后，开始绑扎底板底层筋中的分布筋。分布筋的接头采用焊接，同时将光面钢筋的末端做成弯钩。钢筋网的交叉点采用20#镀锌铅丝绑扎，除靠近外围的两行钢筋的交叉点全部扎牢外，中间部分的交叉点采用倒顺扣相隔扎牢，保證不产生位移，然后绑扎腋角的八字筋。每孔底板下层筋与上层筋之间放置4道架立筋，用于保证两层钢筋的间距。上层钢筋网的绑扎方法与下层相同。两层钢筋网绑扎合格后，在墙体的主筋底部绑扎2道分布筋，上部绑扎2道分布筋。模板边钢筋每隔1.0m梅花形放置一块 5cm厚垫块，作为细部支立并确保钢筋保护层厚度。

顶板的钢筋绑扎方式同底板。

㈤ 混凝土浇筑

本工程箱涵混凝土主要为双掺C30W6F150混凝土，混凝土拌和采用HZS90型拌合楼集中拌料，混凝土搅拌车进行水平运输，入仓主要采用移动龙门式布料机直接入仓。每节箱涵分两次浇筑，第一次浇筑至八字以上50cm，第二次浇筑剩余的墙体及顶板。

混凝土采用布料机分层均匀下料，每次下料厚度不高于0.3m。混凝土振捣采用φ50软轴插入式振捣器振捣，经平仓后的混凝土用振捣棒依次振捣，间距不超过振捣器有效半径的1.5倍，并垂直插入下层混凝土10cm，振捣棒插入点采取梅花形布置，振捣时间以混凝土中气泡已排出，粗骨料不再显著下沉并开始泛浆时为准。

混凝土浇筑过程中，模板、钢筋等有关工种均派专人值班，及时对模板、钢筋進行检查维护，防止结构变形、走样、损坏及钢筋位移，发现问题及时处理。

㈥ 混凝土养护

在浇筑完成后12～18h内开始养护，在成品混凝土的平面位置采用土工布覆盖洒水养护，墙体等立面位置采用拆模后采用覆盖薄膜的方式进行养护。养护期间保持混凝土表面湿润，养护时间不少于28d。

2.6 土方回填

回填土料采用开挖土的混合料。一般段土方回填压实度不小于0.90；公路涵、保水堰土方回填压实度不小于0.94。建筑物周围至少0.5m和顶板以上1m范围内采用人工夯实。

回填前进行生产性碾压试验，确定铺土厚度、碾压机具、碾压遍数及机械行走速度。回填土料最大干密度为1.71g/cm3，最佳含水率为15.5%，机械铺土厚度35cm，碾压遍数为7遍，碾压设备为SD16型推土机，自重17t，行驶速度为一档，速度为3km/h匀速状态，碾压时，相邻作业面的搭接碾压宽度，垂直轴线方向不小于3m，相邻碾迹搭压宽度不小于20cm；打夯时连环套打法，夯迹双向套压，夯压夯1/3，行压行1/3，分段分片夯实，夯迹搭压宽度大于1/3夯径，达到压实度要求。

回填过程采用自卸汽车运料，推土机摊铺、碾压或电动夯碾压。由测量人员控制铺土厚度，试验人员按照规定的频次进行取样检测，检测合格后方进行下层填筑。箱涵两侧土方回填同时进行，两侧回填高度大致相同，并保持均衡上升。

降水井在土方回填至马道高程后，停止降水工作，拆除排水管线，选用砂砾石进行回填，井口2m范围内回填开挖料，人工木棒振实至井口高程。

2.7 施工缝和结构缝处理

㈠ 混凝土施工缝面处理

为了延长箱涵内外水压的渗径，混凝土箱涵在侧墙一二期结合面上设置了底宽10cm，深10cm，坡比1：1的体型键槽，施工缝在混凝土初凝前预埋杉木条，在混凝土强度达到2.5MPa以后剔出，使已浇筑混凝土上部形成一凹槽。杉木条剔除后，进行施工缝的处理工作，混凝土表面采用人工凿毛，直至露出新鲜石子，然后用高压水枪将混凝土表面清洗干净，排除积水。在箱涵施工缝上浇筑第一层混凝土前，先铺一层2～3cm厚的水泥砂浆，根据浇筑速度的快慢，随铺随浇。

㈡ 混凝土箱涵结构缝处理

在进行密封胶施工之前，首先将箱涵变形缝的缝槽清洗干净，待干燥后，在要填塞的预留槽两侧距施工缝5mm处贴上胶条，密封胶的施工采用手动注胶枪注射入施工缝内。装枪时将生产厂家提供的中间带有出胶孔的压胶盘置入胶面上，取下枪管前后螺盖，将密封胶置于枪管内，管内空气顺枪管后孔排出，将装满胶的枪管前后螺盖装上，完成装胶后涂胶。施工时分两次灌注，先灌注缝两侧壁，然后灌注中间。聚硫密封胶灌满后用抹灰刀整型。待密封胶具有一定强度后，撕去胶条，以保证接缝外观整洁。

密封胶嵌填施工后，养护期为28d。在注胶完成后禁止人员对未凝固的胶体触摸或磕碰，防止对胶体外观造成破坏。

3 结论

现南水北调天津干线已实现了顺利通水，一渠清澈的长江水送向津门，实现的亿万人民多年的夙愿。2014年进行的2次通水试验，该地埋箱涵不论从抗渗漏水、还是抗裂、抗碱等方面都通过中国水科院的检验，实践证明工程是优良的。说明对高水位下长距离地埋工程施工从降排水、土方开挖、双掺混凝土配合比应用、混凝土浇筑、土方填筑、施工缝及结构缝的处理等方面按上述工艺进行施工是成功的，从现场实际施工情况来验证方案是科学可行的，为以后类似工程的施工提供宝贵的经验。

参考文献

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马雪红 女（1975-） 高级工程师 中国水利水电第四工程局有限公司 主要从事水利水电工程施工技术管理