振碾式渠道混凝土襯砌機(jī)在南水北調(diào)渠道混凝土襯砌施工中的應(yīng)用

1．概述

　　由我局先期承建的南水北調(diào)中線京石段應(yīng)急供水工程滹沱河倒虹吸工程Ⅱ標(biāo)段，工程位于河北省正定縣內(nèi)，為南水北調(diào)中線總干渠的一部分，是南水北調(diào)先期開工的大型建筑物之一。工程由倒虹吸管身段、出口閘室段、出口漸變段、明渠段及附屬建筑物組成。本標(biāo)段總長(zhǎng)1409.16m，其中明渠段202.16m。本標(biāo)段渠道工程屬河灘地段渠道，渠道過(guò)水?dāng)嗝娌捎锰菪螖嗝?，整個(gè)過(guò)水?dāng)嗝娌捎矛F(xiàn)澆混凝土襯砌。渠底寬度為21m，兩側(cè)渠坡襯砌長(zhǎng)度為22～27m ,襯砌坡長(zhǎng)為21.98m，坡度為1：3，渠道內(nèi)過(guò)水深度約為5m，設(shè)計(jì)流量為150～170m3/s。

　　渠道斷面結(jié)構(gòu)為：渠坡和渠底頂部15cm厚的素混凝土襯砌板，襯砌板下鋪二布一膜的復(fù)合土工膜防滲層，防滲層下面鋪設(shè)有20～35cm厚砂礫料保溫層，保溫層底部為渠道開挖的建基面。

　　另由我局承建的南水調(diào)中線京石段應(yīng)急供水工程渠道項(xiàng)目S6標(biāo)段，與滹沱河倒虹吸出口渠道相連。該標(biāo)段工程是以渠道工程為主，渠道全長(zhǎng)6.6km，屬一般渠道段。渠道斷面與倒虹吸出口渠道相同，整個(gè)過(guò)水?dāng)嗝嫒圆捎矛F(xiàn)澆混凝土襯砌。渠道斷面結(jié)構(gòu)為：渠坡渠底頂部分別為10cm和8cm厚的素混凝土襯砌板，襯砌板下鋪二布一膜的復(fù)合土工膜防滲層，防滲層下面鋪設(shè)有3～5cm厚聚笨乙烯泡沫保溫板，保溫板底部為渠道開挖的建基面。渠道結(jié)構(gòu)典型斷面見圖1。.

圖1  渠道結(jié)構(gòu)典型斷面圖

　　針對(duì)總干渠渠道工程結(jié)構(gòu)斷面尺寸大、素混凝土薄壁結(jié)構(gòu)、混凝土襯砌板抗裂減糙要求高、襯砌板底部直接與加強(qiáng)防滲層和保溫層接觸等特點(diǎn)。如何進(jìn)行大面積渠坡、渠底混凝土布料及連續(xù)澆筑，如何確保大面積現(xiàn)澆混凝土襯砌板的施工質(zhì)量，如何有效保護(hù)襯砌板底部的加強(qiáng)防滲層和保溫層，如何在有效工期內(nèi)又好又快的完成渠道混凝土襯砌施工等問(wèn)題，成為困擾渠道施工的難題。結(jié)合招標(biāo)文件要求機(jī)械化襯砌施工要求，我局圍繞著上述施工難題，開始了振碾式渠道混凝土襯砌機(jī)的研制工作。

2.渠道混凝土襯砌機(jī)研制

　　2.1襯砌機(jī)組成（參見圖2）

圖2   振碾式渠道混凝土襯砌機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

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　　2.1.1襯砌機(jī)主體

　　鑒于渠道面斷面尺寸較大，且渠坡、渠底混凝土襯砌施工時(shí)為大面積倉(cāng)號(hào)連接施工，襯砌機(jī)主體采用一個(gè)大跨度的鋼構(gòu)桁架，利用桁架做布料平臺(tái)和軌道，通過(guò)安裝在桁架上的上下結(jié)構(gòu)小車，分別完成渠道混凝土的布料、攤鋪、振搗和整平。

　　2.1.2行走系統(tǒng)

　　行走系統(tǒng)采用四個(gè)電機(jī)同步控制，沿軌道行走。運(yùn)用先進(jìn)的變頻調(diào)速技術(shù)，在0～10m/min之間可隨意調(diào)整傳動(dòng)電機(jī)的速度，使整機(jī)在行走過(guò)程中運(yùn)行平穩(wěn)，可避免因車輛晃動(dòng)引起的結(jié)構(gòu)變形。

　　2.1.3升降調(diào)坡系統(tǒng)

　　采用四個(gè)獨(dú)立的蝸輪蝸桿減速升降機(jī)，進(jìn)行升降調(diào)坡控制，精確調(diào)整襯砌機(jī)主桁架與作業(yè)面的相對(duì)位置，以適應(yīng)各種作業(yè)面的坡比變化，滿足襯砌施工的坡度及厚度要求。

　　2.1.4布料系統(tǒng)

　　布料系統(tǒng)由三部分組成，一條主輸送帶，一臺(tái)布料小車和一條用于給主輸送帶供料的副輸送帶；布料小車設(shè)置在主梁的上端，利用鋼絲繩牽引，可根據(jù)施工的需要向澆筑倉(cāng)號(hào)的各個(gè)部位布料。

　　2.1.5襯砌系統(tǒng)

　　由螺旋分料器、附著式振搗器以及壓光滾組成，可分別實(shí)現(xiàn)混凝土的攤鋪、整平、振搗和碾壓。攤鋪小車設(shè)置在主梁的下部，利用鋼絲繩牽引，螺旋分料器控制布料的厚度，振搗器進(jìn)行振搗，壓光滾進(jìn)行整平碾壓，可使成型后的混凝土表面密實(shí)平整。

　　2.1.6安全操作系統(tǒng)

　　為確保施工過(guò)程安全操作運(yùn)行，全車共裝置四套安全系統(tǒng)。○1誤操作急停按鈕；○2面板控制安全系統(tǒng)；○3上下小車行程控制安全系統(tǒng)；○4失控防撞安全系統(tǒng)。

　　2.2襯砌機(jī)施工原理

　　振碾式渠道混凝土襯砌機(jī)是以一個(gè)大跨度的鋼構(gòu)桁架為主體，桁架本身自帶行走裝置，通過(guò)安裝在桁架上的上、下行走小車即布料小車和襯砌小車，分別進(jìn)行渠道混凝土的布料、攤鋪、振搗和整平。小車分別以桁架龍骨作為軌道，并自帶行走裝置。主梁上部小車即布料小車裝有擋料刮板和下料斗，負(fù)責(zé)從混凝土傳送皮帶上分取混凝土料進(jìn)行布料；主梁下部小車即襯砌小車，裝有攪籠、振搗箱和壓光碾，負(fù)責(zé)混凝土的攤鋪、振搗和碾壓整平。上、下小車可同時(shí)或單獨(dú)作業(yè)，布料和振搗碾壓互不影響。通過(guò)上述結(jié)構(gòu)的有機(jī)組合，形成一套綜合性很強(qiáng)的渠道混凝土襯砌設(shè)備，實(shí)現(xiàn)利用專用設(shè)備進(jìn)行大規(guī)模渠道混凝土機(jī)械化施工。

　　2.3襯砌機(jī)的主要性能指標(biāo)

　　振碾式渠道混凝土襯砌機(jī)具有結(jié)構(gòu)新穎、綜合適用性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)適用的特點(diǎn)，其主要技術(shù)性能指標(biāo)如下：

　　適應(yīng)坡度：tgθ=0～0.5；
　　布料與襯砌有效長(zhǎng)度L=10～25m；
　　整機(jī)行走速度：V=3～10m/min； 澆筑速度：V=7～21m3/h；
　　單層襯砌厚度：h≤20cm；      單循環(huán)襯砌寬度：b≥50cm；
　　總重量：W=15t（L=20m）；      總功率：P=29kW；

3.渠道混凝土施工及襯砌機(jī)的應(yīng)用

　　3.1襯砌機(jī)安裝調(diào)試

　　機(jī)械進(jìn)場(chǎng)后，首先鋪設(shè)兩條10～20m長(zhǎng)的軌道，調(diào)直整平待用。先進(jìn)行主梁的拼裝，現(xiàn)場(chǎng)按照加工編號(hào)進(jìn)行組裝。主梁拼裝完成后，用兩臺(tái)吊車分別在渠底和渠坡同時(shí)起吊（25t和16t各一臺(tái)），放置于預(yù)先調(diào)平的軌道上，接著安裝主輸送帶和布料小車；輸送帶粘接完成后，開始安裝下部螺旋攤鋪小車及振搗、碾壓系統(tǒng)，最后完成整車的控制系統(tǒng)，并做好各部位的安全防護(hù)設(shè)施和限位裝置；整機(jī)拼裝完后開始初步運(yùn)行調(diào)整，調(diào)整結(jié)束后，進(jìn)行整機(jī)聯(lián)動(dòng)試車。經(jīng)整機(jī)聯(lián)動(dòng)試車確認(rèn)無(wú)誤后，進(jìn)入施工作業(yè)面。

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　　3.2渠道混凝土襯砌施工流程（見圖3）

圖3   渠道混凝土襯砌施工工藝流程框圖

　　3.3混凝土襯砌施工

　　3.3.1襯砌參數(shù)設(shè)定

　　結(jié)合襯砌混凝土的厚度通過(guò)生產(chǎn)性試驗(yàn)確定施工參數(shù)，當(dāng)混凝土厚度小于20cm時(shí)，第一幅混凝土單趟振動(dòng)碾壓為3遍，之后的單趟振動(dòng)碾壓為2遍。每次挪位間距為振搗箱寬度的2/3，約為50cm。由于渠道襯砌采用的是二級(jí)配常態(tài)混凝土，經(jīng)襯砌機(jī)施工過(guò)后的混凝土面只能達(dá)到整平壓實(shí)的效果，還需用電動(dòng)提漿抹光機(jī)壓光2～3遍，以達(dá)到表面光滑的效果。

　　3.3.2混凝土布料

　　1）布料順序從下到上沿澆筑機(jī)前進(jìn)方向進(jìn)行，安排專人負(fù)責(zé)指揮襯砌機(jī)進(jìn)行混凝土布料。
　　2）整個(gè)布料過(guò)程由上布料小車完成，下料口高度不應(yīng)大于1.0m，布料厚度按照設(shè)計(jì)要求控制，通常考慮一定的松鋪系數(shù)，當(dāng)坍落度為6～8cm時(shí)，松鋪系數(shù)控制在1.1～1.15之間，有利于振搗密實(shí)；
　　3）混凝土罐車下料時(shí)，輸送皮帶上的料量分布需保持均勻，同時(shí)避免罐車出料口及皮帶授料口堵料；
　　4）布料應(yīng)與振動(dòng)碾壓速度相適應(yīng)，既不能在振搗箱前堆積過(guò)多的混凝土料，同時(shí)也不能使振搗箱因缺料而出現(xiàn)空振。

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　　3.4.3混凝土襯砌

　　1）混凝土襯砌由襯砌機(jī)下襯砌中車完成，襯砌小車保持勻速連續(xù)工作，行走速度控制在3～6m/min，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)布料進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)布料厚度增大時(shí)應(yīng)減緩襯砌小車的行走速度，確保振搗效果；
　　2）襯砌過(guò)程中應(yīng)經(jīng)常檢查襯砌小車振搗裝置的工作情況，如發(fā)現(xiàn)襯砌過(guò)后的混凝土面上出現(xiàn)露石、蜂窩、麻面現(xiàn)象，需補(bǔ)料重新振搗，以防止漏振，當(dāng)出現(xiàn)壅料時(shí)，需人工整平；
　　3）襯砌機(jī)振搗箱前應(yīng)保持充足的混凝土拌和物，料位應(yīng)高于振搗箱底面2～3cm，由攤鋪攪籠進(jìn)行控制；
　　4）由于倉(cāng)號(hào)四周涉及模板及先期澆筑的混凝土，襯砌時(shí)應(yīng)重點(diǎn)控制，可采用平板振搗器輔助振搗，以確保襯砌質(zhì)量；
　　5）進(jìn)入彎道施工時(shí)，可通過(guò)調(diào)整軌道保持襯砌機(jī)始終與渠道軸線垂直的工作狀態(tài)。

　　3.3.4襯砌施工停機(jī)處理

　　襯砌施工過(guò)程中停機(jī)中斷施工時(shí)，進(jìn)行以下操作：

　　1）停機(jī)同時(shí)應(yīng)解除電控操作控制，升起機(jī)架，將襯砌機(jī)駛離工作面，清理粘附的混凝土，同時(shí)對(duì)襯砌機(jī)進(jìn)行保養(yǎng)；
　　2）當(dāng)襯砌機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，應(yīng)立即通知拌和站停止打料，在故障排除時(shí)間內(nèi)襯砌倉(cāng)號(hào)內(nèi)的混凝土尚未初凝，允許繼續(xù)襯砌。當(dāng)預(yù)計(jì)襯砌機(jī)故障在混凝土初凝前無(wú)法排除時(shí)，應(yīng)將襯砌機(jī)駛離工作面，由人工繼續(xù)澆筑，使其澆筑面寬度滿足設(shè)縫分縫的寬度要求，或在出現(xiàn)故障的部位立即安裝橫向模板，在此部位設(shè)置橫向通縫，對(duì)已鋪筑的混凝土重新進(jìn)行振搗、收面壓光，并清除分縫位置以外的混凝土料，為恢復(fù)襯砌作業(yè)作好準(zhǔn)備。

　　3.3.5抹面壓光

　　襯砌成型后的混凝土在初凝前進(jìn)行抹面，由人工操作電動(dòng)提漿抹光機(jī)進(jìn)行收面壓光，邊角部位由人工采用抹灰刀配合整平壓光，并在收面結(jié)束后及時(shí)派專人對(duì)混凝土表面局部殘留的氣泡及劃痕進(jìn)行壓實(shí)抹光，確保渠道襯砌混凝土的外觀質(zhì)量。

　　3.4 混凝土養(yǎng)護(hù)

　　襯砌混凝土應(yīng)保證濕潤(rùn)養(yǎng)護(hù)不少于28天。干旱、多風(fēng)、日曬的天氣施工時(shí)，混凝土初凝后應(yīng)采用塑料薄膜、草苫、草簾、氈布等覆蓋保濕養(yǎng)護(hù)；低溫季節(jié)不宜進(jìn)行混凝土襯砌施工。

　　3.5混凝土伸縮縫施工

　　伸縮縫間距及型式應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求。采用定制的合金鋸片切縫。斜坡切縫時(shí)由低向高處進(jìn)行，且先切橫縫，再切縱縫，以便于縱縫施工時(shí)切縫機(jī)軌道鋪設(shè)。

　　伸縮縫型式：

　　半縫：半縫深度為混凝土板厚的0.5～0.75倍。采用切割機(jī)進(jìn)行切縫施工
　　通縫：通縫是貫穿全部混凝土襯砌板厚度的縫。現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)在需要設(shè)置通縫的部位采用等同襯砌板厚度的方木或型鋼立模分倉(cāng)澆筑。由于襯砌板底部鋪設(shè)有土工膜防滲層，當(dāng)采取連續(xù)澆筑時(shí)，通縫切割深度宜為混凝土板厚的0.9倍。

　　3.6伸縮縫切割時(shí)間

　　切縫施工在混凝土收盤后18～30h進(jìn)行，或在混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)到1MPa～5MPa時(shí)進(jìn)行。切縫時(shí)以鋸片不破壞縫兩側(cè)混凝土、縫壁光滑為時(shí)間控制標(biāo)準(zhǔn)，宜早不宜遲，避免大面積素混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫。

4.渠道襯砌混凝土檢測(cè)

　　振碾式渠道混凝土襯砌機(jī)從研制到使用，經(jīng)歷了研發(fā)→制造→試驗(yàn)→改進(jìn)→試生產(chǎn)→正式投產(chǎn)等一系列過(guò)程。在渠道混凝土襯砌施工過(guò)程中還先后接受了國(guó)調(diào)辦、南水北調(diào)中線局、河北省質(zhì)量監(jiān)督站等專家組檢查，檢查過(guò)程中對(duì)振碾式渠道襯砌機(jī)所施工的混凝土質(zhì)量表示肯定，同時(shí)也提出了中肯的改進(jìn)意見。如“降低下料口高度，防止粗骨料分離；減緩襯砌小車運(yùn)行速度，延長(zhǎng)振搗時(shí)間”等。對(duì)提高襯砌混凝土質(zhì)量起到了重要作用。

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　　現(xiàn)場(chǎng)混凝土襯砌質(zhì)量檢測(cè)主要圍繞著混凝土表面平整度、混凝土厚度、混凝土密實(shí)度以及混凝土強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行，檢測(cè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)參照渠道混凝土襯砌機(jī)械化施工技術(shù)規(guī)程。依據(jù)監(jiān)理部委托河北省水利工程質(zhì)量檢測(cè)中心站對(duì)我標(biāo)段渠道襯砌混凝土進(jìn)行抽檢的結(jié)果，證明采用振碾式渠道混凝土襯砌機(jī)進(jìn)行的大型渠道混凝土襯砌施工，其施工質(zhì)量是能夠滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求的?，F(xiàn)場(chǎng)抽檢檢測(cè)結(jié)果見表1。

表1   混凝土渠道現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果

注：施工過(guò)程當(dāng)中按季度檢測(cè)的混凝土抗凍、抗?jié)B指標(biāo)全部滿足設(shè)計(jì)要求。

5.研發(fā)渠道襯砌機(jī)所取得的成果

　　振碾式渠道混凝土襯砌機(jī)為我局自行研制生產(chǎn)的一臺(tái)渠道襯砌機(jī)；同時(shí)也是最早利用振碾式渠道混凝土襯砌機(jī)進(jìn)行總干渠施工的單位，并已取得現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)性生產(chǎn)的成功，獲得業(yè)主、設(shè)計(jì)、監(jiān)理的一致好評(píng)。由于該設(shè)備具有結(jié)構(gòu)新穎，經(jīng)濟(jì)適用等特點(diǎn)，逐步在南水北調(diào)中線渠道工程中推廣開來(lái)。目前，該設(shè)備已獲得國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局頒發(fā)的8項(xiàng)實(shí)用新型專利。我局為更好的完善振碾式渠道混凝土襯砌機(jī)的研發(fā)和制造水平，已向水利部申請(qǐng)了水利施工設(shè)備新產(chǎn)品鑒定，各項(xiàng)鑒定工作正在進(jìn)行中。

6.結(jié)語(yǔ)

　　大型振碾式渠道混凝土襯砌機(jī)從開始研制到試生產(chǎn)，先后歷時(shí)近兩年的時(shí)間，目前已推廣應(yīng)用于南水調(diào)中線京石段應(yīng)急供水工程S6標(biāo)段、S31標(biāo)段以及南水北調(diào)中線安陽(yáng)段Ⅴ標(biāo)的渠道混凝土襯砌施工中，實(shí)踐證明該項(xiàng)發(fā)明取得了良好的使用效果，為加快南水北調(diào)中線大型渠道全斷面混凝土襯砌施工發(fā)揮了積極作用。我局將始終堅(jiān)持科技創(chuàng)新的理念，不斷完善和提高大型渠道襯砌施工技術(shù)水平，為更好的服務(wù)于我國(guó)南水北調(diào)等大型水利工程而不懈努力和奮斗。