振碾式渠道混凝土衬砌机在南水北调渠道混凝土衬砌施工中的应用

1．概述

　　由我局先期承建的南水北调中线京石段应急供水工程滹沱河倒虹吸工程Ⅱ标段，工程位于河北省正定县内，为南水北调中线总干渠的一部分，是南水北调先期开工的大型建筑物之一。工程由倒虹吸管身段、出口闸室段、出口渐变段、明渠段及附属建筑物组成。本标段总长1409.16m，其中明渠段202.16m。本标段渠道工程属河滩地段渠道，渠道过水断面采用梯形断面，整个过水断面采用现浇混凝土衬砌。渠底宽度为21m，两侧渠坡衬砌长度为22～27m ,衬砌坡长为21.98m，坡度为1：3，渠道内过水深度约为5m，设计流量为150～170m3/s。

　　渠道断面结构为：渠坡和渠底顶部15cm厚的素混凝土衬砌板，衬砌板下铺二布一膜的复合土工膜防渗层，防渗层下面铺设有20～35cm厚砂砾料保温层，保温层底部为渠道开挖的建基面。

　　另由我局承建的南水调中线京石段应急供水工程渠道项目S6标段，与滹沱河倒虹吸出口渠道相连。该标段工程是以渠道工程为主，渠道全长6.6km，属一般渠道段。渠道断面与倒虹吸出口渠道相同，整个过水断面仍采用现浇混凝土衬砌。渠道断面结构为：渠坡渠底顶部分别为10cm和8cm厚的素混凝土衬砌板，衬砌板下铺二布一膜的复合土工膜防渗层，防渗层下面铺设有3～5cm厚聚笨乙烯泡沫保温板，保温板底部为渠道开挖的建基面。渠道结构典型断面见图1。.

图1  渠道结构典型断面图

　　针对总干渠渠道工程结构断面尺寸大、素混凝土薄壁结构、混凝土衬砌板抗裂减糙要求高、衬砌板底部直接与加强防渗层和保温层接触等特点。如何进行大面积渠坡、渠底混凝土布料及连续浇筑，如何确保大面积现浇混凝土衬砌板的施工质量，如何有效保护衬砌板底部的加强防渗层和保温层，如何在有效工期内又好又快的完成渠道混凝土衬砌施工等问题，成为困扰渠道施工的难题。结合招标文件要求机械化衬砌施工要求，我局围绕着上述施工难题，开始了振碾式渠道混凝土衬砌机的研制工作。

2.渠道混凝土衬砌机研制

　　2.1衬砌机组成（参见图2）

图2   振碾式渠道混凝土衬砌机结构示意图

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　　2.1.1衬砌机主体

　　鉴于渠道面断面尺寸较大，且渠坡、渠底混凝土衬砌施工时为大面积仓号连接施工，衬砌机主体采用一个大跨度的钢构桁架，利用桁架做布料平台和轨道，通过安装在桁架上的上下结构小车，分别完成渠道混凝土的布料、摊铺、振捣和整平。

　　2.1.2行走系统

　　行走系统采用四个电机同步控制，沿轨道行走。运用先进的变频调速技术，在0～10m/min之间可随意调整传动电机的速度，使整机在行走过程中运行平稳，可避免因车辆晃动引起的结构变形。

　　2.1.3升降调坡系统

　　采用四个独立的蜗轮蜗杆减速升降机，进行升降调坡控制，精确调整衬砌机主桁架与作业面的相对位置，以适应各种作业面的坡比变化，满足衬砌施工的坡度及厚度要求。

　　2.1.4布料系统

　　布料系统由三部分组成，一条主输送带，一台布料小车和一条用于给主输送带供料的副输送带；布料小车设置在主梁的上端，利用钢丝绳牵引，可根据施工的需要向浇筑仓号的各个部位布料。

　　2.1.5衬砌系统

　　由螺旋分料器、附着式振捣器以及压光滚组成，可分别实现混凝土的摊铺、整平、振捣和碾压。摊铺小车设置在主梁的下部，利用钢丝绳牵引，螺旋分料器控制布料的厚度，振捣器进行振捣，压光滚进行整平碾压，可使成型后的混凝土表面密实平整。

　　2.1.6安全操作系统

　　为确保施工过程安全操作运行，全车共装置四套安全系统。○1误操作急停按钮；○2面板控制安全系统；○3上下小车行程控制安全系统；○4失控防撞安全系统。

　　2.2衬砌机施工原理

　　振碾式渠道混凝土衬砌机是以一个大跨度的钢构桁架为主体，桁架本身自带行走装置，通过安装在桁架上的上、下行走小车即布料小车和衬砌小车，分别进行渠道混凝土的布料、摊铺、振捣和整平。小车分别以桁架龙骨作为轨道，并自带行走装置。主梁上部小车即布料小车装有挡料刮板和下料斗，负责从混凝土传送皮带上分取混凝土料进行布料；主梁下部小车即衬砌小车，装有搅笼、振捣箱和压光碾，负责混凝土的摊铺、振捣和碾压整平。上、下小车可同时或单独作业，布料和振捣碾压互不影响。通过上述结构的有机组合，形成一套综合性很强的渠道混凝土衬砌设备，实现利用专用设备进行大规模渠道混凝土机械化施工。

　　2.3衬砌机的主要性能指标

　　振碾式渠道混凝土衬砌机具有结构新颖、综合适用性强、经济适用的特点，其主要技术性能指标如下：

　　适应坡度：tgθ=0～0.5；
　　布料与衬砌有效长度L=10～25m；
　　整机行走速度：V=3～10m/min； 浇筑速度：V=7～21m3/h；
　　单层衬砌厚度：h≤20cm；      单循环衬砌宽度：b≥50cm；
　　总重量：W=15t（L=20m）；      总功率：P=29kW；

3.渠道混凝土施工及衬砌机的应用

　　3.1衬砌机安装调试

　　机械进场后，首先铺设两条10～20m长的轨道，调直整平待用。先进行主梁的拼装，现场按照加工编号进行组装。主梁拼装完成后，用两台吊车分别在渠底和渠坡同时起吊（25t和16t各一台），放置于预先调平的轨道上，接着安装主输送带和布料小车；输送带粘接完成后，开始安装下部螺旋摊铺小车及振捣、碾压系统，最后完成整车的控制系统，并做好各部位的安全防护设施和限位装置；整机拼装完后开始初步运行调整，调整结束后，进行整机联动试车。经整机联动试车确认无误后，进入施工作业面。

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　　3.2渠道混凝土衬砌施工流程（见图3）

图3   渠道混凝土衬砌施工工艺流程框图

　　3.3混凝土衬砌施工

　　3.3.1衬砌参数设定

　　结合衬砌混凝土的厚度通过生产性试验确定施工参数，当混凝土厚度小于20cm时，第一幅混凝土单趟振动碾压为3遍，之后的单趟振动碾压为2遍。每次挪位间距为振捣箱宽度的2/3，约为50cm。由于渠道衬砌采用的是二级配常态混凝土，经衬砌机施工过后的混凝土面只能达到整平压实的效果，还需用电动提浆抹光机压光2～3遍，以达到表面光滑的效果。

　　3.3.2混凝土布料

　　1）布料顺序从下到上沿浇筑机前进方向进行，安排专人负责指挥衬砌机进行混凝土布料。
　　2）整个布料过程由上布料小车完成，下料口高度不应大于1.0m，布料厚度按照设计要求控制，通常考虑一定的松铺系数，当坍落度为6～8cm时，松铺系数控制在1.1～1.15之间，有利于振捣密实；
　　3）混凝土罐车下料时，输送皮带上的料量分布需保持均匀，同时避免罐车出料口及皮带授料口堵料；
　　4）布料应与振动碾压速度相适应，既不能在振捣箱前堆积过多的混凝土料，同时也不能使振捣箱因缺料而出现空振。

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　　3.4.3混凝土衬砌

　　1）混凝土衬砌由衬砌机下衬砌中车完成，衬砌小车保持匀速连续工作，行走速度控制在3～6m/min，结合现场布料进行调整，当布料厚度增大时应减缓衬砌小车的行走速度，确保振捣效果；
　　2）衬砌过程中应经常检查衬砌小车振捣装置的工作情况，如发现衬砌过后的混凝土面上出现露石、蜂窝、麻面现象，需补料重新振捣，以防止漏振，当出现壅料时，需人工整平；
　　3）衬砌机振捣箱前应保持充足的混凝土拌和物，料位应高于振捣箱底面2～3cm，由摊铺搅笼进行控制；
　　4）由于仓号四周涉及模板及先期浇筑的混凝土，衬砌时应重点控制，可采用平板振捣器辅助振捣，以确保衬砌质量；
　　5）进入弯道施工时，可通过调整轨道保持衬砌机始终与渠道轴线垂直的工作状态。

　　3.3.4衬砌施工停机处理

　　衬砌施工过程中停机中断施工时，进行以下操作：

　　1）停机同时应解除电控操作控制，升起机架，将衬砌机驶离工作面，清理粘附的混凝土，同时对衬砌机进行保养；
　　2）当衬砌机出现故障时，应立即通知拌和站停止打料，在故障排除时间内衬砌仓号内的混凝土尚未初凝，允许继续衬砌。当预计衬砌机故障在混凝土初凝前无法排除时，应将衬砌机驶离工作面，由人工继续浇筑，使其浇筑面宽度满足设缝分缝的宽度要求，或在出现故障的部位立即安装横向模板，在此部位设置横向通缝，对已铺筑的混凝土重新进行振捣、收面压光，并清除分缝位置以外的混凝土料，为恢复衬砌作业作好准备。

　　3.3.5抹面压光

　　衬砌成型后的混凝土在初凝前进行抹面，由人工操作电动提浆抹光机进行收面压光，边角部位由人工采用抹灰刀配合整平压光，并在收面结束后及时派专人对混凝土表面局部残留的气泡及划痕进行压实抹光，确保渠道衬砌混凝土的外观质量。

　　3.4 混凝土养护

　　衬砌混凝土应保证湿润养护不少于28天。干旱、多风、日晒的天气施工时，混凝土初凝后应采用塑料薄膜、草苫、草帘、毡布等覆盖保湿养护；低温季节不宜进行混凝土衬砌施工。

　　3.5混凝土伸缩缝施工

　　伸缩缝间距及型式应满足设计要求。采用定制的合金锯片切缝。斜坡切缝时由低向高处进行，且先切横缝，再切纵缝，以便于纵缝施工时切缝机轨道铺设。

　　伸缩缝型式：

　　半缝：半缝深度为混凝土板厚的0.5～0.75倍。采用切割机进行切缝施工
　　通缝：通缝是贯穿全部混凝土衬砌板厚度的缝。现场施工时在需要设置通缝的部位采用等同衬砌板厚度的方木或型钢立模分仓浇筑。由于衬砌板底部铺设有土工膜防渗层，当采取连续浇筑时，通缝切割深度宜为混凝土板厚的0.9倍。

　　3.6伸缩缝切割时间

　　切缝施工在混凝土收盘后18～30h进行，或在混凝土抗压强度达到1MPa～5MPa时进行。切缝时以锯片不破坏缝两侧混凝土、缝壁光滑为时间控制标准，宜早不宜迟，避免大面积素混凝土结构产生裂缝。

4.渠道衬砌混凝土检测

　　振碾式渠道混凝土衬砌机从研制到使用，经历了研发→制造→试验→改进→试生产→正式投产等一系列过程。在渠道混凝土衬砌施工过程中还先后接受了国调办、南水北调中线局、河北省质量监督站等专家组检查，检查过程中对振碾式渠道衬砌机所施工的混凝土质量表示肯定，同时也提出了中肯的改进意见。如“降低下料口高度，防止粗骨料分离；减缓衬砌小车运行速度，延长振捣时间”等。对提高衬砌混凝土质量起到了重要作用。

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　　现场混凝土衬砌质量检测主要围绕着混凝土表面平整度、混凝土厚度、混凝土密实度以及混凝土强度指标进行，检测质量标准参照渠道混凝土衬砌机械化施工技术规程。依据监理部委托河北省水利工程质量检测中心站对我标段渠道衬砌混凝土进行抽检的结果，证明采用振碾式渠道混凝土衬砌机进行的大型渠道混凝土衬砌施工，其施工质量是能够满足设计和规范要求的。现场抽检检测结果见表1。

表1   混凝土渠道现场检测结果

注：施工过程当中按季度检测的混凝土抗冻、抗渗指标全部满足设计要求。

5.研发渠道衬砌机所取得的成果

　　振碾式渠道混凝土衬砌机为我局自行研制生产的一台渠道衬砌机；同时也是最早利用振碾式渠道混凝土衬砌机进行总干渠施工的单位，并已取得现场试验性生产的成功，获得业主、设计、监理的一致好评。由于该设备具有结构新颖，经济适用等特点，逐步在南水北调中线渠道工程中推广开来。目前，该设备已获得国家知识产权局颁发的8项实用新型专利。我局为更好的完善振碾式渠道混凝土衬砌机的研发和制造水平，已向水利部申请了水利施工设备新产品鉴定，各项鉴定工作正在进行中。

6.结语

　　大型振碾式渠道混凝土衬砌机从开始研制到试生产，先后历时近两年的时间，目前已推广应用于南水调中线京石段应急供水工程S6标段、S31标段以及南水北调中线安阳段Ⅴ标的渠道混凝土衬砌施工中，实践证明该项发明取得了良好的使用效果，为加快南水北调中线大型渠道全断面混凝土衬砌施工发挥了积极作用。我局将始终坚持科技创新的理念，不断完善和提高大型渠道衬砌施工技术水平，为更好的服务于我国南水北调等大型水利工程而不懈努力和奋斗。