高填渠堤無(wú)筋薄壁纖維混凝土機(jī)械化襯砌施工技術(shù)

殷本林

(中國(guó)水利水電第七工程局有限公司,成都 611730)

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)述

南水北調(diào)中線工程焦作段施工三標(biāo)位于河南省焦作市區(qū),全長(zhǎng)3.4 km,明渠為高填方渠堤。斷面為梯形,底寬21 m[1],內(nèi)坡邊坡系數(shù)1∶2,外坡邊坡系數(shù)1∶1.5～1∶2,渠道縱坡1/29 000。渠道設(shè)計(jì)過水流量265～320 m3/s。渠道襯砌混凝土設(shè)計(jì)為C20W6F150纖維混凝土,渠底厚10 cm,邊坡厚12 cm,全斷面襯砌,襯砌至堤頂高度,高填方渠堤薄壁纖維混凝土襯砌斷面見圖1。

圖1 高填方渠堤薄壁纖維混凝土襯砌斷面

1.2 工程特點(diǎn)和難題

(1)工程渠坡長(zhǎng)達(dá)3 km,填方最高20 m以上,渠道襯砌面板厚12 cm,薄壁且無(wú)筋?；：推囱b模板等常規(guī)施工方法進(jìn)行渠道襯砌澆筑面板施工效率低,質(zhì)量缺陷多。

(2)大型渠道采用薄壁襯砌,因面板較薄,過水流量較大,試通水后面板拉裂情況比較常見。需研究混凝土的抗裂性,采用纖維混凝土等方式,保證薄壁混凝土襯砌的抗裂性和抗?jié)B性要求。

(3)在渠道混凝土襯砌厚度、表面平整度、密實(shí)度及光潔度等設(shè)計(jì)指標(biāo)要求高的前提下,應(yīng)用大型渠道機(jī)械化襯砌在國(guó)內(nèi)較少,襯砌設(shè)備使用技術(shù)比較匱乏,設(shè)備選型及使用技術(shù)等掌控難度大。

2 無(wú)筋薄壁纖維混凝土研究及應(yīng)用

通過開展理論研究,表明:纖維增強(qiáng)體對(duì)混凝土材料具有阻裂、增強(qiáng)、增韌、防滲作用,能保證薄壁混凝土襯砌的抗裂性和抗?jié)B性要求。選擇不同類型的纖維增強(qiáng)材料,進(jìn)行組合試驗(yàn),確定滿足工程設(shè)計(jì)指標(biāo)要求的纖維混凝土配合比。

2.1 纖維混凝土試驗(yàn)研究

2.1.1 配合比設(shè)計(jì)要求

在纖維增強(qiáng)材料的種類和工作機(jī)理研究的基礎(chǔ)上,借鑒纖維工程在水利工程中的應(yīng)用實(shí)例,進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn),配制符合表1設(shè)計(jì)指標(biāo)要求并適應(yīng)工程的纖維混凝土材料。選擇3種不同廠家生產(chǎn)的纖維材料與其他原材料進(jìn)行交叉配合試驗(yàn),確定出最優(yōu)的材料配合方案。

表1 纖維混凝土主要設(shè)計(jì)指標(biāo)

2.1.2 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)所需要的原材料包括:水泥、細(xì)骨料、粗骨料、粉煤灰、減水劑、引氣劑、拌合水和特種纖維等。各類材料既要滿足表征自身特性的技術(shù)條件,還要考慮水工混凝土施工的規(guī)范要求。待選用的纖維材料有3種。

2.1.3 配合比試驗(yàn)

(1)試驗(yàn)研究思路

根據(jù)配合比設(shè)計(jì)要求,通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算或合理范圍判定,確定滿足主要指標(biāo)的普通混凝土的配合比。

在此基礎(chǔ)上,分別摻入3種纖維制成4類試件,得到4類混凝土試件的力學(xué)參數(shù)匯總表,見表2?；炷翐饺氩煌睦w維材料后,試件力學(xué)性能(抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度)都有所提高。

表2 混凝土試件力學(xué)性能匯總

通過試驗(yàn)結(jié)果(見表3、表4),得出摻入不同纖維材料后,混凝土的防滲、抗裂、彈模等耐久性要求有明顯的降低,試件干縮濕脹性能有提高,干縮情況也得到改善[1]。

表3 混凝土試件耐久性能匯總

表4 混凝土試件干縮濕脹性能試驗(yàn)結(jié)果

(2)試驗(yàn)研究結(jié)果

根據(jù)普通混凝土和杜列纖維混凝土的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析,得出:加入纖維增強(qiáng)材料后,表征混凝土抗裂性和防滲性的指標(biāo)有了顯著改善。如“軸心抗拉強(qiáng)度”提高了15.5%,“極限拉伸指標(biāo)”提高了43.7%,“干縮濕脹指標(biāo)”降低了13.5%,說明摻入纖維后,有效增強(qiáng)了對(duì)混凝土抗裂、抗?jié)B性能提高的貢獻(xiàn)[2]。通過綜合比選,選定表4最后一種纖維材料作為混凝土增強(qiáng)纖維。

2.2 纖維混凝土性能數(shù)值模擬

采用三維有限元對(duì)渠道邊坡的普通混凝土和纖維混凝土的受力特性進(jìn)行了分析,考慮對(duì)稱性,分析計(jì)算模型取其一半。纖維混凝土和普通混凝土的力學(xué)參數(shù)參考配合比的試驗(yàn)取值見表5。施工期混凝土面板溫度取常溫18℃,通水后取水溫4℃,線膨脹系數(shù)為12×10-6/℃。計(jì)算內(nèi)容包括:地應(yīng)力平衡,渠道邊坡的填筑,襯砌面板的澆筑,通水之后襯砌面板降溫引起的溫度荷載。

表5 仿真計(jì)算材料參數(shù)取值

通過計(jì)算,纖維混凝土施工的襯砌面板在通水后最大主應(yīng)力為2.78 MPa,小于抗拉強(qiáng)度3.15 MPa,說明采用纖維混凝土后,保證了降溫荷載不會(huì)引起襯砌開裂。而采用普通素混凝土計(jì)算的最大拉應(yīng)力達(dá)到3.17 MPa,超過自身的抗拉強(qiáng)度2.88 MPa。仿真計(jì)算結(jié)果表明:高填方渠道選用纖維混凝土襯砌的方案是合理的,配合比試驗(yàn)獲得纖維混凝土提高了抗拉和防滲性能。

3 渠道襯砌機(jī)設(shè)計(jì)改造

3.1 渠道襯砌機(jī)

渠道堤身混凝土襯砌機(jī)主要采用滑模式,襯砌機(jī)動(dòng)力是由外部電力系統(tǒng)提供,行走系統(tǒng)為軌道自行式。使用的混凝土襯砌機(jī)為PHB23000C型混凝土襯砌機(jī),主要技術(shù)參數(shù)適應(yīng)本工程渠道坡面混凝土襯砌的要求,該型襯砌機(jī)經(jīng)過在南水北調(diào)其他標(biāo)段施工應(yīng)用驗(yàn)證,綜合性能完全滿足施工要求。

3.2 渠道襯砌機(jī)設(shè)備改造

在設(shè)備選型的基礎(chǔ)上,開展現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)試驗(yàn),對(duì)設(shè)備進(jìn)行改裝,在料箱內(nèi)安裝混凝土高頻振搗棒,振搗棒采用φ30振搗棒,振搗棒距離為40 cm,布置兩排,焊接在斜向皮帶布料機(jī)下方桁架上。在開動(dòng)螺旋輸料器把混凝土均勻地?cái)備伜?高頻振搗棒振搗。

3.3 渠道襯砌機(jī)機(jī)械化施工工藝

結(jié)合大型渠道混凝土施工情況,在纖維混凝土的配合試驗(yàn)完成以后,通過研究總結(jié)出渠道襯砌機(jī)混凝土施工工藝流程如圖2所示。

圖2 渠道襯砌機(jī)械化施工工藝流程

4 渠道襯砌機(jī)械化施工

4.1 施工輔助與準(zhǔn)備

4.1.1 渠床整理

渠床整理主要是采用削坡機(jī)鋪設(shè)軌道削坡或者采用挖掘機(jī)粗削后人工精削的方式。

首先,用削坡機(jī)進(jìn)行大面削坡,測(cè)量放線后,按設(shè)計(jì)坡比和預(yù)留保護(hù)層厚度,確定削坡機(jī)進(jìn)刀深度和削坡次數(shù),確保削坡質(zhì)量。

然后,用挖掘機(jī)粗削人工精削,開挖或填筑成型后,測(cè)量檢查和復(fù)核輪廓尺寸。

4.1.2 保溫板鋪設(shè)

保溫板鋪設(shè)自下而上,沿渠道軸線方向有序錯(cuò)縫鋪設(shè)。鋪設(shè)中,隨時(shí)使用敲打法檢查保溫板與建基面是否緊貼密實(shí),并檢測(cè)塊間接縫是否緊密順直,大面是否平整。

每一塊鋪設(shè)完畢后,及時(shí)使用長(zhǎng)度適宜的U型鋼釘及時(shí)固定,U型鋼釘頂部應(yīng)略低于保溫面板2 mm左右。每塊保溫板不少于3個(gè)釘固定,呈梅花狀布置,以保溫板穩(wěn)固不翹起為準(zhǔn)。

4.1.3 土工膜鋪設(shè)焊接

土工膜鋪設(shè)由坡肩滾鋪至坡腳,渠坡和渠底結(jié)合部以及和下段待鋪的復(fù)合土工膜部位要預(yù)留規(guī)范和設(shè)計(jì)要求的搭接長(zhǎng)度。

復(fù)合土工膜鋪設(shè)完成一段距離后,及時(shí)實(shí)施連接施工。每班焊接施工前須進(jìn)行工藝試驗(yàn),確定施工參數(shù)。

4.2 機(jī)械化襯砌

上述襯砌輔助項(xiàng)目施工完成后進(jìn)行機(jī)械化襯砌。機(jī)械化襯砌包括襯砌機(jī)安裝調(diào)試、纖維混凝土試配、混凝土布料振搗、抹面收光等。

4.2.1 襯砌機(jī)安裝調(diào)試

在襯砌機(jī)生產(chǎn)廠家技術(shù)人員的指導(dǎo)下進(jìn)行安裝調(diào)試,調(diào)試應(yīng)遵循“先分動(dòng),后聯(lián)動(dòng);先空載,后負(fù)荷;先慢速,后快速”的原則[3]。

4.2.2 混凝土鋪料振搗

采用螺旋布料器和皮帶輸送機(jī)布料,混凝土至布料機(jī)接料口,進(jìn)入集料箱,啟動(dòng)螺旋輸料器均勻布置。布料寬度達(dá)到成型機(jī)寬度后,開動(dòng)成型機(jī),開始二次振搗、提漿和整平。

4.2.3 混凝土抹光收面

混凝土布料振搗完成后,適時(shí)進(jìn)行混凝土的抹面提漿作業(yè)?；炷恋哪ケP自下向上進(jìn)行抹面作業(yè)。磨盤的壓痕約為磨盤直徑的1/3。機(jī)械抹面遍數(shù)一般控制在2遍以內(nèi)[4]。采用靠尺檢測(cè)平整度。人工收面壓光應(yīng)在混凝土初凝前完成,人工收面壓光工具采用鋼抹子,遍數(shù)控制在2遍以內(nèi),第1遍對(duì)混凝土進(jìn)行初步找平,第2遍對(duì)混凝土進(jìn)行壓光處理。抹面施工時(shí)嚴(yán)禁灑水、撒水泥漿。

4.3 面板伸縮縫施工

發(fā)明《一種溝渠襯砌切縫定位裝置》實(shí)用新型專利用于人工切縫時(shí)更加高效地對(duì)齊切縫,使所切縫更加平整。人工切縫,切割時(shí)通過手柄連桿機(jī)構(gòu),轉(zhuǎn)動(dòng)手輪進(jìn)行切割深度的調(diào)節(jié)。切縫施工宜在襯砌混凝土達(dá)到初凝抗壓強(qiáng)度后施工,切割縫采用A、B兩組份密封膠填充。

5 結(jié)論

高填渠堤無(wú)筋薄壁纖維混凝土機(jī)械化襯砌施工技術(shù),通過工藝試驗(yàn),采用纖維混凝土對(duì)無(wú)筋薄壁渠堤起到阻裂、增強(qiáng)、增韌、防滲的作用,有效控制渠道襯砌混凝土早齡期的塑性收縮裂縫,阻止硬化混凝土的溫度和收縮裂縫。對(duì)現(xiàn)有襯砌機(jī)進(jìn)行創(chuàng)新改造,一次性完成混凝土布料、振搗、提漿和擠壓成型等工作,自動(dòng)完成渠堤的襯砌。主要形成結(jié)論為:

(1)針對(duì)薄壁襯砌沖水易開裂的問題,提出了高填方渠道纖維混凝土襯砌施工方案。通過配合比試驗(yàn),獲得高填方渠道薄壁混凝土襯砌的配合比參數(shù),為襯砌機(jī)械化施工提供了材料的質(zhì)量保證。通過配合比試驗(yàn)的分析對(duì)比,表征纖維混凝土抗裂性和防滲性的指標(biāo)有了顯著改善。并采用數(shù)值分析方法,對(duì)試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比計(jì)算,說明普通素混凝土容易發(fā)生開裂,無(wú)法滿足施工要求;模擬纖維混凝土襯砌面板通水后,襯砌面板沒有開裂。說明纖維混凝土由于變形模量的降低和抗拉強(qiáng)度的提高,保證面板不會(huì)開裂,解決了高填方渠段薄壁襯砌施工材料的難題。

(2)針對(duì)大型渠道襯砌設(shè)備應(yīng)用少,施工技術(shù)匱乏的難題,通過工程類比和裝置改進(jìn)探索,研究了適合高填方渠段薄壁纖維混凝土機(jī)械化襯砌施工的機(jī)械設(shè)備。在設(shè)備選型的基礎(chǔ)上,開展現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)性試驗(yàn),確定最終的施工技術(shù)參數(shù)。在南水北調(diào)焦作段三標(biāo)工程的運(yùn)用結(jié)果顯示,機(jī)械設(shè)備通過改進(jìn),提高了適用性和靈活性,施工技術(shù)參數(shù)也保證了機(jī)械化施工高效率、高質(zhì)量完成。

(3)針對(duì)工程量大、施工工序多的特點(diǎn),在施工前進(jìn)行了系統(tǒng)研究,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)性試驗(yàn),總結(jié)出合理的施工工序,保證施工有條不紊地進(jìn)行,提高機(jī)械化施工效率,并對(duì)特殊施工條件,做好應(yīng)急準(zhǔn)備方案。在混凝土切縫注膠密封施工中,針對(duì)“傳統(tǒng)膠槍”或“人工填塞膠液”的不足,研制出了《一種渠道襯砌聚硫密封膠灌膠機(jī)》,避免傳統(tǒng)施工方法導(dǎo)致膠液損耗量大的問題,降低了成本,提高了工作效率,容易控制密封質(zhì)量。

(4)發(fā)明了《一種溝渠襯砌切縫定位裝置》實(shí)用新型專利,用于人工切縫時(shí)更加高效地對(duì)齊切縫,使所切縫更加平整,高效地提升切縫效率,減少薄壁混凝土溝渠的混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)。