高强度土方施工组织管理研究

2021-04-30朱永建马辉文

水利建设与管理 2021年4期

李钊朱永建马辉文

(中国水电基础局有限公司，天津武清 301700)

湖北省碾盘山水利水电枢纽工程是172项节水供水重大水利工程之一，导流明渠的顺利通水通航作为一期截流的先决条件，其重要性不言而喻。该工程导流明渠土方开挖总量为602万m3，在征地滞后、地质多变、通水通航条件调整等不利施工条件下，月最高施工强度达到197万m3/月，单日最高土方开挖量超10万m3，比合同工期提前一天完成了导流明渠通水通航任务。本文结合工程实例对高强度大型土方工程施工管理中的施工组织、设备选型、经营模式三大关键因素进行了研究与分析，以供同类工程借鉴。

1 工程概述

1.1 工程概况

湖北省碾盘山水利水电枢纽导流明渠布置在河床左侧I级阶地上。明渠右侧为土石纵向围堰，左侧为碾盘山左岸副坝，明渠轴线全长2323.31m，由进口直线段、AB弧线段、BC直线段、CD弧线段与出口直线段组成，其中AB弧线段的半径为750m，中心角为6°，CD弧线段的半径为750m，中心角为30°。通航抽槽轴线EF弧线段的半径为500m，中心角为30°。

明渠底宽250m，进出口与上下游河道相接，进口600m为平坡，底部高程39.0m，出口829m为平坡，底部高程38.0m，中间909.1m为斜度0.11%的斜坡段。两岸开挖边坡1∶3，在42.0～41.0m高程设10m宽马道。由于小流量通航需求，导流明渠底部沿中心线扩挖80m宽、0.7m深明渠抽槽，并与上下游主航道相接。导流明渠平面位置见图1。

图1 导流明渠平面图 (单位：m)

1.2 气象条件

碾盘山水利水电枢纽工程坝址处历年平均气温为16.3℃，年平均降水量为950mm，年最大降水量为1471mm，降水主要集中在5—8月，其间降水量占年降水量的58.3%。

1.3 地质条件

导流明渠原始地貌较平缓，地面高程46～47m，平均开挖深度为8～9m，开挖土料主要为壤土、有机质壤土、有机质砂壤土、砂壤土和粉细砂。地层结构为：壤土层厚1.80～10.30m，层底高程37.30～43.70m；有机质壤土层厚1.80～17.60m，层底高程22.40～30.70m；有机质砂壤土揭示厚1.50～5.70m，层底高程32.80～36.34m；砂壤土层局部分布，厚1.1～1.6m；细砂层厚8.50～17.30m。导流明渠土方施工分区见图2，导流明渠典型过流断面见图3。

1.4 施工难点分析

a.导流明渠于2018年8月8日开挖，原定开挖施工强度88万m3/月，因受到前期征地及拆迁影响，前期可施工的区域只有50亩，直至10月中旬才具备大规模施工条件，截至2019年1月底高强度施工结束，最高施工强度197万m3/月，远超出原定施工强度。

b.导流明渠开挖土料用于一期围堰及左岸副坝填筑，填筑土料为壤土、砂壤土，其分布于高程43～47m位置，但现场土质分布不均衡，其中有机质壤土分布于设计高程以上3～4m位置，含水率偏大，不利于开挖与弃渣堆砌，施工降效严重，土方开挖施工受制于回填作业面及土料。

c. 12月25日下发的设计变更明确：因导流明渠通水通航条件改变，航槽底部由高程38.3～37.3m调整为高程37.0～36.8m，进口段航槽开挖深度加深1.3m。而此时该区域已按原设计图纸基本开挖完成，只剩施工主干道，且汉江水位在39m左右，高于航道抽槽进口高程37m，抽槽内部存在返水现象，与有机质壤土混合成泥水混合物，常规土方开挖作业无法施工。

图2 导流明渠土方施工分区

图3 导流明渠典型过流断面

2 施工组织管理

为提高施工效率，节约施工成本，保证施工进度，针对征地滞后、地质多变、通水通航条件调整等不利因素，采取了合理的施工布置及工艺、灵活的设备选型、优势互补的经营模式等管理措施。

2.1 施工布置及工艺

2.1.1 施工布置

土石方工程现场布置的重点是根据原始土质分布情况，遵循缩短运距、在进行土方平衡的情况下减少施工交叉的原则进行出渣道路布置和施工区域划分。

大型土方开挖工程属高强度连续施工作业，所用大型施工车辆多，对施工道路的标准要求高。综合计算完成既定工期所需配备施工设备和日最大开挖强度，采取场内2级公路标准设计，双向通行，自下而上依次铺设砂壤土、块石、级配碎石，成立专职的道路维护队，以保证高峰期车流量畅通。施工主干道基本沿导流明渠开挖分区边线布置，每条主干道将各个分区与渣场连接，形成循环的施工线路，优先考虑每个区域距渣场的平均运距，根据运距划定每个大分区的出渣线路。场内临时道路典型断面见图4。

2.1.2 施工工艺

分区内划分若干单元，每个单元内安排一支施工队伍，采用挖掘机、自卸车、推土机常规组合施工，其工作核心就是在兼顾回填料源的前提下如何尽快扩大开挖工作面。符合要求的回填土料多分布于导流明渠Ⅰ区、Ⅲ区表层1.5～2m范围内，2m以下土体含水量逐渐加大，不利于行车，在进行下部开挖时，必须分两次开挖到底，局部区域内梯段分级开挖，第一级开挖至高程41～42m，第二级开挖时因有机质壤土分布于最下层，需铺设钢排做临时施工便道，基本一次开挖至设计高程。下部有机质壤土本身含水量较大，加之临近汉江，严重时会形成泥水混合物，对弃渣场的平整效率造成影响，根据经验采用了环形弃渣施工，高程41～42m以上土料弃渣时堆砌成宽15m、高3～4m、间距20m的环形道路，开挖的有机质壤土弃至环形道路之间，既缩短了推土机的推土运距又保证了运输路线路况较好，减少了运输及渣场平整难度。

图4 场内临时道路典型断面 (单位：m)

根据导流明渠地质分布，Ⅱ区地质多为细砂及粉细砂，采取吹填施工方式，导流明渠的施工面无法满足常规的绞吸式挖泥船长度及吃水深度，因此选用绞吸式挖泥船绞头及压力泵配合简易船改装成“绞吸式挖泥船”，作业时采用对称横挖，分段分层施工，出渣管线采用φ500 PVC管道布置，潜管、浮管及岸管分别布置，法兰盘连接。施工时从出口位置逆向施工，将汉江水引至导流明渠施工范围内，根据地质分布情况，吹填施工至桩号0+750，在该位置设置出口土埂，吹填施工区域。排出的泥水混合物混合比例至关重要，泥水比偏大容易造成堵管，增加拆管检修的工作量；泥水比偏小则会降低设备工作效率，无法满足进度要求。与传统的挖掘机施工相比，吹填施工不受天气影响，可24小时作业，且不占用道路运输量，日产量相对稳定，但仍有以下两点需着重考虑：

a.吹填施工存在回淤现象，需加强施工进度管控，通过在绞吸式船只安装出渣浓度表实时监控出渣浓度及每周测量排泥场方量双向定量控制进度的方法，及时调整进度计划。避免过早施工引起回淤，增加施工成本。

b.相比传统开挖方式，水下施工质量控制难度大，在施工至最后一层时，必须重叠开挖，重叠宽度不小于3m并加密布置水尺，定期校核高程，挖泥船每前移50m，进行断面复测，最大程度保证施工质量。

通过前期现场勘查，对比原有设计地勘报告，制定的施工布置及施工工艺为高强度土方施工打下了坚实的基础，创造了月最大施工197万m3的佳绩。导流明渠土方月开挖强度见图5。

图5 导流明渠土方月开挖强度

2.2 设备选型

根据既定的施工方案要求合理配置设备类型及数量，结合作业面大小确定允许停放的挖掘机数量，根据开挖强度及单层开挖深度选定合适机型，主要考虑臂长、斗容及动作速度，然后根据挖掘机数量、运距长短及渣场情况合理配置自卸车数量，结合道路情况合理选择自卸车容量。现场施工设备以挖掘机、自卸车、推土机、振动碾为主，本工程土方施工共投入设备409台套，其中挖掘机65台、自卸车282台、推土机45台、振动碾8台。基本选用挖、运组合及挖、运、填组合两种方式，每种组合方式均明确主导机械，配套机械需满足主导机械的施工能力，在工作能力、容量、生产率上应略有储备，如挖、运组合中挖掘机作为主导机械，常规配置每台挖掘机2km运距内配备4台自卸车，运距每增加1km增加2台自卸车，考虑工期因素及设备故障率情况，资源配备系数选1.2为宜。

设备的选型并非一成不变，需根据现场实际作业条件灵活调整。因设计变更，普通挖掘机无法进行施工作业，基于现有施工条件，选用水上挖掘机(以下简称“水挖机”)进行施工，水挖机下部两侧履带各增设一个浮箱，行走最大吃水深度1.6～1.7m，最大施工深度要求1.2m，最大斗容1.2m3，其余性能参数等同普通挖掘机，于导流明渠轴线位置两侧各布置3台水挖机，逐级接力，将土方清理至航道抽槽边界线以外，再转运至渣场。

根据通水通航标准的变化及时调整施工设备配置，既保证了各组合设备高效运转，又尽可能做到工程量最大化。

2.3 经营模式

基于目前水利行业土方工程普遍采用的施工模式及工程所在地的市场行情，导流明渠土方施工采取了自营管理及分包管理两种经营模式，两种经营模式在施工管理、管理制度落实情况、工程量计量方面各有优缺点。经营模式优缺点分析见表1。

表1 经营模式优缺点分析

2.3.1 自营模式

根据上述两种经营模式的优缺点及现场实际情况，宜优先安排项目自营施工队施工，利于打开施工场面，自营模式以项目部租赁设备的方式直接组织施工，单独划分施工区域，以保证实现项目整体进度目标。但自营模式存在占用较多管理资源的弊病，需配置技术人员、施工人员、测量人员、辅助人员等；另外，由于合同计价方式为支付设备租赁费，存在设备利用率低的现象，造成资源浪费。

2.3.2 分包模式

基于表1中分包模式施工的特点，分包模式虽然具有占用项目管理资源较少、计量准确、施工成本低等优点，但单独区域内可布置的施工队伍数量、每个施工队伍的施工区、弃渣区、运输路线等都需统筹规划，施工管理协调难度大，施工队伍的施工水平制约项目的整体进度，因此采取该模式施工时需遵循以下原则：

a.以项目整体进度为核心，明确分包施工的总方量及施工区域。

b.划分施工区域，每个施工区域安排3支队伍施工为宜，利于协调管理又避免进度受制，形成良性竞争局面。

c.每个施工区域统筹规划运输道路、弃渣场等，不与其他施工区域形成施工干扰。

d.因本工程工期短、施工强度高，综合考虑施工队伍整体施工水平，每个施工队伍施工总方量20万～30万m3。

e.原则上不安排其施工工程关键部位。

综合以上分析，两种经营模式存在对立统一的关系，对于现场进度管理，自营模式的优势高于分包模式，但成本控制方面略差。在进行前期施工策划时需综合考虑，每种经营模式所完成工程量的占比数多少是平衡两种经营模式的关键，通过本工程施工经验总结，自营模式施工占比应为40%～50%，可根据工期情况适当调整，工期越短、施工强度越高其占比越大。