大型渠道薄壁混凝土快速襯砌施工技術(shù)研究

□余良碧 □孟慶亮（中國(guó)水利水電第十一工程局有限公司）

1.前言

中國(guó)水利水電第十一工程局有限公司作為率先進(jìn)入南水北調(diào)中線(xiàn)工程總干渠施工的承包商，也是最先開(kāi)展總干渠過(guò)水?dāng)嗝娲竺娣e薄壁混凝土襯砌施工的單位。工程所在地總干渠過(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21 m，兩側(cè)渠坡襯砌坡長(zhǎng)度為22～27 m,襯砌坡長(zhǎng)為21.98 m，邊坡系數(shù)3.0，渠道內(nèi)過(guò)水深度約為5 m，設(shè)計(jì)流量為150～170 m3/s。渠道斷面結(jié)構(gòu)為：渠坡和渠底頂部15 cm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厚砂礫料保溫層或3～5cm厚聚苯乙烯泡沫保溫板，保溫板底部為渠道開(kāi)挖的建基面。渠道結(jié)構(gòu)典型斷面見(jiàn)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、襯砌板底部加強(qiáng)防滲層和保溫層設(shè)計(jì)新穎等特點(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)澆襯砌板的施工質(zhì)量穩(wěn)定，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。在沒(méi)有成套施工設(shè)備和成熟施工經(jīng)驗(yàn)的條件下，公司依托承建項(xiàng)目自主開(kāi)展了振碾試渠道襯砌機(jī)研制，并圍繞著襯砌機(jī)的應(yīng)用展開(kāi)了特大型渠道薄壁混凝土快速襯砌施工技術(shù)研究。

2.振碾式渠道混凝土襯砌機(jī)的施工原理及設(shè)計(jì)指標(biāo)

2.1 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(chē)即布料小車(chē)和襯砌小車(chē)，分別完成渠道混凝土襯砌過(guò)程中的布料、攤鋪、振搗和整平。布料小車(chē)和襯砌小車(chē)分別以桁架龍骨作為軌道，自帶鋼絲繩牽引行走裝置。主梁上部布料小車(chē)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；主梁下部襯砌小車(chē)裝有攪籠、排振梁和壓光碾，負(fù)責(zé)混凝土的攤鋪、振搗和碾壓整平。布料小車(chē)和襯砌小車(chē)同時(shí)作業(yè)，可同時(shí)完成布料、攤鋪、振搗和碾壓整平過(guò)程。通過(guò)上述構(gòu)件的有機(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)了利用專(zhuān)用設(shè)備進(jìn)行大規(guī)模渠道混凝土機(jī)械化施工。

2.2 襯砌機(jī)的主要性能指標(biāo)

振碾式渠道混凝土襯砌機(jī)是公司自行研制的渠道襯砌專(zhuān)用設(shè)備，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=10～25 m；整機(jī)行走速度：ν=3～10 m/min；澆筑速度：ν=7～21 m3/h；單層襯砌厚度：h≤20 cm；單循環(huán)襯砌寬度：b=1～1.3 m；總重量：W=15T（L=20m）；總功率：P=29 kW。

2.3 渠道襯砌機(jī)安裝調(diào)試

設(shè)備進(jìn)場(chǎng)后首先在作業(yè)面鋪設(shè)兩條10 m長(zhǎng)的軌道，調(diào)直整平待用。先按照加工編號(hào)進(jìn)行主梁桁架拼裝和支腿安裝，拼裝完成后，用25 t汽車(chē)吊車(chē)裝主梁放置于預(yù)先調(diào)平的軌道上，接著安裝主輸送帶、上布料小車(chē)、下襯砌小車(chē)、操控室，并做好各部位的安全防護(hù)。整機(jī)拼裝完后開(kāi)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)試運(yùn)行。經(jīng)試運(yùn)行驗(yàn)收合格后方可投入使用。

3.渠道薄壁混凝土快速襯砌施工技術(shù)研究

3.1 渠道混凝土襯砌施工流程見(jiàn)圖2。

圖2 渠道混凝土襯砌施工工藝流程框圖

3.2 施工準(zhǔn)備

渠道混凝土襯砌前需先完成澆筑倉(cāng)面的整理、混凝土拌制和運(yùn)輸準(zhǔn)備和襯砌設(shè)備安裝調(diào)試等前期準(zhǔn)備工作。為實(shí)現(xiàn)特大型渠道快速襯砌施工，各工序必須精心組織，并監(jiān)控重點(diǎn)環(huán)節(jié)的落實(shí)。

3.2.1 倉(cāng)面整理驗(yàn)收，由于采用襯砌機(jī)連續(xù)澆筑的施工方法，考慮到人工勞動(dòng)強(qiáng)度及分倉(cāng)長(zhǎng)度的合理性，單班連續(xù)澆筑分倉(cāng)長(zhǎng)度控制在40 m為宜?？紤]到各工序施工準(zhǔn)備及工序質(zhì)量驗(yàn)收的影響，其中建基面和復(fù)合土工膜焊接作為重要隱蔽工程需多方聯(lián)合驗(yàn)收，在澆筑倉(cāng)號(hào)準(zhǔn)備時(shí)往往留有2～3倉(cāng)號(hào)（即80～120 m）的余量，以便給后續(xù)倉(cāng)號(hào)留夠準(zhǔn)備和驗(yàn)收時(shí)間，保證襯砌機(jī)正常情況下的連續(xù)澆筑。同時(shí)，針對(duì)建基面清面，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)結(jié)合地質(zhì)條件適時(shí)做好基面防護(hù)，防止因基面長(zhǎng)期暴露失水后或遇降雨天氣產(chǎn)生的次生破壞，影響建基面驗(yàn)收。保溫板鋪設(shè)時(shí)應(yīng)及時(shí)用鋼釬或木楔固定，防止滑動(dòng)。復(fù)合土工模施工應(yīng)做到鋪設(shè)后及時(shí)焊接，即隨鋪隨焊，防止因土工膜在現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期放置后在對(duì)焊端頭部位集聚濕氣而影響焊接質(zhì)量，焊接時(shí)間宜安排在天氣晴朗時(shí)的正午前后（9：00-15：00）氣溫比較穩(wěn)定的時(shí)段進(jìn)行，還應(yīng)視氣溫和膜厚通過(guò)試焊設(shè)定正確的焊接溫度，確保焊縫充氣打壓試驗(yàn)一次性通過(guò)。通常情況下，在氣溫20～25℃時(shí)，0.3 mm厚的聚乙烯透明薄膜焊接溫度為300℃，0.5 mm的厚聚乙烯透明薄膜焊接溫度為340℃，焊接速度為2.5～3 m/s。倉(cāng)號(hào)模板支立采用定型槽鋼作邊模，既便于安裝固定，還有利于襯砌板厚度控制，確保襯砌板邊角部位混凝土密實(shí)、順直。

3.2.2 混凝土拌制和運(yùn)輸準(zhǔn)備，混凝土由拌和站集中拌制，運(yùn)輸采用8 m3以上的混凝土攪拌罐車(chē)，罐車(chē)配置數(shù)量結(jié)合襯砌速度和運(yùn)距確定，一般運(yùn)輸距離在3 km以?xún)?nèi)，單臺(tái)襯砌機(jī)配備2臺(tái)罐車(chē)，超過(guò)3 km應(yīng)增加一臺(tái)罐車(chē)?；炷涟韬臀镌试S最長(zhǎng)運(yùn)輸時(shí)間依據(jù)天氣氣溫和設(shè)計(jì)要求確定，以控制在1 h內(nèi)為宜。同時(shí)，混凝土拌制過(guò)程中還要按有關(guān)規(guī)定的檢測(cè)頻次檢查拌制質(zhì)量。

3.2.3 襯砌設(shè)備準(zhǔn)備，結(jié)合振碾式渠道混凝土襯砌機(jī)的特點(diǎn)，混凝土襯砌過(guò)程是從一端向另一端循環(huán)推進(jìn)，待襯砌機(jī)安裝調(diào)試合格后進(jìn)入倉(cāng)面就位，目的是保證襯砌機(jī)主桁架與待襯砌機(jī)面平行，同時(shí)通過(guò)量測(cè)壓光輥至倉(cāng)面的高度確定混凝土襯砌厚度?，F(xiàn)場(chǎng)與襯砌機(jī)配套的設(shè)備還有電動(dòng)提漿抹面機(jī)和人工收面平臺(tái)，保證襯砌板澆筑成型過(guò)程在混凝土初凝前完成，使整個(gè)混凝土襯砌過(guò)程一氣呵成，提高了機(jī)械化施工水平。電動(dòng)提漿抹面機(jī)由自帶行走裝置的主桁架和可沿桁架軌道來(lái)回運(yùn)行的電動(dòng)提漿抹光機(jī)組成，橋架支腿高度可調(diào)整，保證抹盤(pán)高度與襯砌混凝土板面保持一致。人工收面平臺(tái)由自帶行走裝置的桁架和安裝在桁架上的馬道板支撐平臺(tái)組成，防止人工踩踏襯砌板收面時(shí)造成板面次生破壞及產(chǎn)生裂縫。為便于現(xiàn)場(chǎng)操作，混凝土襯砌機(jī)、抹面機(jī)和人工收面平臺(tái)共用一組軌道，可保持運(yùn)行同步。

3.3 渠道混凝土襯砌施工

3.3.1 混凝土罐車(chē)下料時(shí)，輸送皮帶上的料量分布須保持均勻，同時(shí)避免罐車(chē)出料口及皮帶授料口擁堵，布料順序從下至上沿襯砌機(jī)主梁方向進(jìn)行，由操控室專(zhuān)人負(fù)責(zé)。

3.3.2 布料與振動(dòng)碾壓速度相適應(yīng)，既不宜在振搗箱內(nèi)集料過(guò)多，也不能使振搗箱因缺料而出現(xiàn)空振，襯砌小車(chē)保持勻速連續(xù)工作，行走速度控制在3～5 m/min，襯砌過(guò)程中應(yīng)經(jīng)常檢查襯砌小車(chē)振搗裝置的工作情況，如發(fā)現(xiàn)襯砌過(guò)后的混凝土板面上出現(xiàn)露石、缺料現(xiàn)象，需補(bǔ)料重新振搗。

3.3.3 倉(cāng)號(hào)四周為襯砌機(jī)振搗薄弱部位，需采用φ50軟軸振搗棒輔助振搗，以確保襯砌質(zhì)量。

3.3.4 襯砌機(jī)進(jìn)入彎道施工時(shí)，可通過(guò)調(diào)整軌道和上下支腿驅(qū)動(dòng)電機(jī)行進(jìn)速度保持襯砌機(jī)與渠道軸線(xiàn)垂直的工作狀態(tài)。

3.3.5 襯砌機(jī)振搗整平后的混凝土在初凝前進(jìn)行抹面，先由電動(dòng)提漿抹光機(jī)進(jìn)行提漿收面，緊隨其后由收面平臺(tái)上的施工人員采用抹灰刀進(jìn)行收面壓光，人工收面次數(shù)為2遍，每人收面寬度宜控制在2 m，收面過(guò)程中注意施工縫部位的泛漿清理和坡肩、坡腳部位的輪廓線(xiàn)控制，確保渠道襯砌混凝土的外觀(guān)質(zhì)量。

3.3.6 襯砌后的混凝土在初凝后應(yīng)及時(shí)覆蓋保濕養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于28 d，中間切縫過(guò)程掀開(kāi)的養(yǎng)護(hù)材料應(yīng)在切縫后及時(shí)覆蓋。特別是在干旱、多風(fēng)、日曬的天氣施工時(shí)，混凝土初凝后應(yīng)及時(shí)采用塑料薄膜、草苫、草簾、氈布等覆蓋材料保濕養(yǎng)護(hù)。低溫季節(jié)不宜開(kāi)展渠道薄壁襯砌混凝土施工。

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)，首先，停機(jī)時(shí)應(yīng)升起機(jī)架，將襯砌機(jī)駛離工作面，解除電控操作系統(tǒng)，清理粘附的混凝土，同時(shí)對(duì)襯砌機(jī)進(jìn)行保養(yǎng)；其次，當(dāng)襯砌機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，應(yīng)立即通知拌和站停止生產(chǎn)，在故障排除后如襯砌倉(cāng)號(hào)內(nèi)的混凝土尚未初凝時(shí)，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，在出現(xiàn)故障的部位立即安裝橫向模板設(shè)置橫向施工縫，由人工利用收面平臺(tái)對(duì)剩余鋪筑混凝土進(jìn)行振搗和收面壓光，為后續(xù)恢復(fù)襯砌作業(yè)做好準(zhǔn)備。

3.5 混凝土切縫施工

渠道過(guò)水?dāng)嗝娲竺娣e薄壁現(xiàn)澆混凝土板由于采用襯砌機(jī)連接施工，為避免襯砌板因面積過(guò)大而產(chǎn)生裂縫，設(shè)計(jì)要求縱橫方向一般按4 m進(jìn)行切縫，切縫形式分半縫（0.5～0.7倍板厚）和通縫（0.9倍板厚），縫寬1～2 cm。采用定制的合金鋸片切縫，先切橫縫，再切縱縫，切縱縫時(shí)可利用橫縫安插木楔固定軌道。切縫時(shí)間可按混凝土成熟度達(dá)到300 h.℃進(jìn)行控制，通常為澆筑后10～20 h。切縫時(shí)以鋸片不破壞縫口兩側(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不均勻收縮產(chǎn)生裂縫。

3.6 渠底混凝土襯砌

渠底混凝土襯砌相對(duì)于渠坡來(lái)講，僅在坡度系數(shù)上有變化，其斷面結(jié)構(gòu)形式與渠坡相同。施工過(guò)程中可將渠坡全套設(shè)備和施工工藝應(yīng)用于渠底，在此不再?gòu)?fù)述。

4.渠道襯砌混凝土板檢測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)渠道混凝土襯砌質(zhì)量檢測(cè)主要項(xiàng)目是混凝土板表面平整度、厚度、密實(shí)度以及強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，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)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)理委托河北省水利工程質(zhì)量檢測(cè)中心站對(duì)已成型渠道襯砌混凝土板進(jìn)行的抽檢結(jié)果，證明了采用振碾式渠道混凝土襯砌機(jī)進(jìn)行特大型渠道薄壁混凝土襯砌施工，其施工工藝和質(zhì)量是能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，襯砌速度單班可控制在40 m以上，較人工襯砌有了質(zhì)的提高?，F(xiàn)場(chǎng)抽檢檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 現(xiàn)場(chǎng)抽檢檢測(cè)結(jié)果表

5結(jié)語(yǔ)

針對(duì)特大型渠道薄壁混凝土快速襯砌施工技術(shù)研究，公司從開(kāi)始的襯砌設(shè)備試研制到逐漸形成配套施工技術(shù)，以至到后來(lái)的推廣應(yīng)用先后歷時(shí)了近兩年的時(shí)間。實(shí)踐證明該項(xiàng)施工技術(shù)的研究取得了良好的應(yīng)用效果，為解決和加快南水北調(diào)中線(xiàn)總干渠特大型渠道薄壁混凝土襯砌施工發(fā)揮了積極作用。中國(guó)水電十一局將始終堅(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)等大型水利工程施工而不懈努力和奮斗。