浅谈引江济淮工程膨胀土河渠开挖施工技术的应用

2020-06-30

四川水利 2020年3期

(中国水利水电第五工程局有限公司第一分局，成都，610066)

1 工程概况

引江济淮工程蜀山泵站枢纽位于合肥境内江淮分水岭南侧宁西铁路桥北侧约1.0km处，枢纽所在桩号29+530～32+100，总长2.57km。蜀山泵站枢纽主要包含：引水泵站、船闸、泄水闸、向阳跌水涵、连接渠道及两岸防洪堤等主要建筑物。建筑物及河渠均为岗地开挖，开挖底宽60.0m～110.2m，深度10m～30m。两侧每6.0m高设一道4.0m宽平台，各级边坡均采用1∶3.0。枢纽开挖结构断面见图1。

图1 蜀山泵站枢纽开挖结构断面示意

2 地质条件

从揭露的地质钻探资料分析，蜀山泵站枢纽边坡土质多为上部弱或中膨胀土、砂性土，下部软岩结构，软岩结构为全风化、强风化、中等风化粉砂岩或泥岩。本工程全为混合边坡，影响稳定的主要因素除岩体风化程度外，存在边坡高地下水位出溢问题及高边坡稳定问题。

坡顶⑤层重粉质壤土、粉质粘土具有中等膨胀性；下部边坡及渠底⑨3层中等风化～新鲜粉、细砂岩具有失水干裂、遇水崩解等特性。根据⑤层膨胀土自由膨胀率试验数据分布规律，对其膨胀性进行等级划分，具体详见表1。

表1 ⑤层膨胀土特性及等级划分

3 施工工艺原理及流程

3.1 施工工艺原理

在开挖施工过程中，采取“逐层开挖排水沟以有效排除滞水、渗水，分层分段开挖施工”的开挖方式，同时采取临时支护或临时覆盖、预留不小于50cm保护层和后续工序跟进等措施，有效隔绝阳光爆晒，雨雪冲刷，以减少边坡土体失水收缩硬裂、遇水膨胀软化和强度衰减而引发的边坡失稳现象，从而降低安全风险。

3.2 施工工艺流程

膨胀土开挖施工工艺流程详见图2。

图2 膨胀土开挖施工工艺流程

4 施工方法

4.1 施工准备

4.1.1 周边截水沟的开挖与处理

正式开挖施工前，在河渠两侧开挖线外设置临时截水沟，防止地表水流入开挖施工作业面内，以减少对河渠边坡的冲刷和侵蚀。结合现场地形汇水条件，截水沟与开挖施工区域外水系通道连通。

为确保截水沟起到汇水作用，在开挖线与截水沟之前做成向截水沟倾斜的缓坡，以免坡顶积水。同时为防止截水沟渗水影响边坡稳定，截水沟采用土工膜防渗。

4.1.2 地表清理

开挖施工前首先对开挖范围内的表层植被进行清理挖除，清表厚度30cm～50cm，清理边线延伸至最大开挖边线外侧5m的距离。表层清理采用SD22推土机集料，用PC400液压反铲装20t自卸汽车运送到指定位置堆放。场地清理过程中，尽可能保护清理区域范围外的天然植被和农作物。

4.1.3 测量放线

首件工程实施前对发包人提供的水准点、中心桩号进行复测，布设施工控制网。然后根据布设控制网及水准点每20m设置加密水准点。

坡脚、坡顶开挖线测量控制：先根据设计施工图纸计算进水渠中心线距离边坡坡脚水平距离，然后以进水渠中心线为基准测放放坡脚线和高程(若遇圆弧段采取加密测量的方式)，并每间隔20m设置一个固定桩。坡脚线测量布设完毕后严格按照设计边坡坡比计算出边坡与固定桩同一断面的坡顶边线，并测放出设计边坡坡顶边线，同时设置固定桩。所设立固定桩在施工阶段必须做好保护工作，不得损坏。

4.2 土方开挖

4.2.1 开挖方法

土方开挖采用PC400液压挖掘机按自上而下的顺序倒退法分段分层开挖，分层厚度每层控制在3m～4m，分段长度控制在20m～30m(一次性开挖作业面不宜过大)。开挖土方液压挖掘机直接装20t自卸汽车运输到指定的规划弃渣场堆存。分层断面详见图3。

图3 蜀山泵站开挖典型断面分层示意

开挖时先对河渠两侧边坡坡脚处开挖，首先形成排水沟，排水沟距坡角>2.0m(每层开挖前，排水沟都优先形成，且低于每层开挖底面50cm～100cm)，然后进行大面积土方开挖施工。针对同一个断面、同一开挖层，由河渠左右两岸边坡向中间开挖，以利于开挖层间排水。具体见图4。

图4 开挖施工过程中典型断面示意

同一开挖区段内的开挖面要求平行均衡下降，当不能平行均衡向下开挖时，两者高差不宜大于一个开挖梯段，且必须保持一定的坡度(坡度为1∶2)，要求坡度必须大于边坡稳定安全系数1.2。开挖过程中，边坡预留保护层50cm(垂直于边坡)，在河渠边坡永久结构施工前开挖揭示。自上而下开挖至每一级马道后必须停止开挖，进行边坡防护措施施工后方可进行下一层开挖。

按照上述方法依次循环开挖至建基面，建基面预留100cm～150cm保护层在永久结构施工前开挖。

4.2.2 开挖注意事项

(1)土方开挖施工过程中，严格遵循“先挖后支、挖支交替，竖向分层、纵向分段，严禁超挖”的原则组织施工。

(2)开挖期间，随时注意观测支护结构的变化动态，发现异常情况要立即停止开挖，分析原因，采取有效措施处理后，方可继续施工。

(3)河渠四周3m范围内严禁堆土、堆料或停放机械设备，如挖掘机履带、自卸车、装载机等设备。3m范围以外地面堆载要求≤20kPa。各级边坡或开挖平台上严禁堆载。

4.3 边坡防护

由于膨胀土的特殊性质，在开挖施工过程中尽量减少大气环境影响的时间和避免雨雪冲刷边坡。因此，根据蜀山泵站特点临时防护分两种形式，分别为预留保护层覆盖和喷射混凝土。

(1)对于河渠较深的部位，采取开挖一层锚喷支护一层的施工方式临时防护。锚喷支护为喷射C20素混凝土，厚度为5cm。

(2)对于河渠较浅的施工部位，采取预留保护层与覆盖相结合的方式临时防护。结合蜀山泵站枢纽工程的地质条件，在开挖施工过程中，边坡预留保护层50cm(垂直于边坡)，同时每开挖一层铺设一层密目呢绒网覆盖，然后播撒草籽，利用生态作临时防护。

4.4 施工排水

土方分层开挖施工期间，采取设置临时排水沟与集水井相结合的排水方式及时排除渗水或雨水。

首先在距离河渠两侧边坡坡脚2.0m位置平行河渠轴线开挖临时排水沟，其排水沟低于分层开挖的分层线50cm～100cm，用于汇集边坡层间滞水、渗水和雨水。在每一开挖区段端部合适位置设置临时集水井，与临时排水沟连通，集水井内布置污水泵，开挖区域内结合实际情况设置临时支沟并与临时排水沟连通。当施工期降雨形成地面径流或出现层间滞水、渗水时，水流通过临时支沟、临时排水沟汇集到临时集水井内，利用污水泵抽排至开挖线外两侧设置的排水沟内。排水沟和临时支沟跟随着开挖施工作业面平行下移，并始终保持临时排水沟底部标高低于开挖分层线，临时集水井底部标高低于临时排水沟沟底，确保开挖施工作业面无明水。

4.5 保护层开挖

保护层是为了保护边坡和建基面不受大气环境的影响而临时预留的土层。在进行永久结构施工前，需将保护层开挖至设计边坡和设计建基面。

保护层开挖采用人工配合PC220反铲薄层开挖。严格按照测量放线设置的固定桩，采取“沿断面挂线”的控制方式，利用挖掘机在坡面上每隔20m开挖岀样槽，然后由有经验的挖掘机操作人员按照样槽进行自上而下顺坡薄厚层开挖，开挖方向垂直于河渠轴线。开挖渣料拢集于坡脚位置，装于20t自卸汽车运至指定位置堆放。

为了减少超挖，当保护层开挖至设计边坡结构线和建基面时预留10cm～15cm薄土层。薄土层开挖分两种形式：一是边坡施工部位采用削坡机开挖施工，削坡机平行于河渠轴线方向运行，开挖渣料拢集到坡脚位置；二是河渠底板施工部位开挖施工，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，开挖渣料直接拢集到底板不影响开挖的边缘位置。

5 雨季施工措施

(1)雨季开挖施工期间，采用排水沟与集水井相结合的方法加强排水工作。正式开挖施工前，在开挖边线外设置截水沟，防止水流冲刷坡面。每层开挖之前，首先在河渠两侧边坡开挖排水沟，同时在各开挖区段端部设置临时集水井，并相互连通。通过在集水井内设置污水泵将开挖区内雨季汇水和渗水抽排至开挖线外截水沟内，从而引排至开挖区域外，确保施工作业面无积水。

(2)针对已开挖未及时作临时防护的施工部位，采用塑料布覆盖的方式防止雨雪水渗入边坡。覆盖时采用上层塑料布压下层塑料布的方法，相邻两块塑料布搭接长度不小于1.0m。覆盖过程中要做到不留死角，坡顶的防护范围较坡脚的防护范围适当加大。

(3)开挖施工过程中，随时检查边坡的稳定情况，如发现边坡出现裂缝等不安全因素，应立即停止该施工部位开挖施工，并制定相应处理措施，确定无安全隐患后方可继续施工。

(4)提前规划，为避免雨季影响开挖施工通道，开挖施工作业至开挖弃渣场的主要施工干道均采用C25混凝土路面，厚30cm。开挖区域和弃渣场区域内通道采取铺设钢板的方式，为防止车辆打滑，在钢板上采取防护措施(如：每间隔20cm焊接1根φ16钢筋)。同时成立道路维护队伍，专门进行开挖施工作业通道维护。

(5)合理选择开挖施工机械设备。为防止雨季出现陷车现象，尽量选择履带式机械设备进入开挖施工作业面。