南水北調(diào)渠道底板混凝土機(jī)械化施工系統(tǒng)研究與應(yīng)用

　　摘要：根據(jù)南水北調(diào)渠底施工條件的特殊性，以混凝土入倉方式選擇為重點(diǎn)，通過分析對比汽車運(yùn)混凝土、泵送混凝土、溜槽輸送混凝土、布料機(jī)運(yùn)混凝土的優(yōu)缺點(diǎn)，對渠底混凝土施工系統(tǒng)中的布料方式進(jìn)行初步設(shè)計(jì)；介紹融混凝土輸送、布料、攤鋪、振搗、壓面為一體的渠底混凝土機(jī)械化施工方法、使用注意事項(xiàng)及應(yīng)用效果。

　　關(guān)鍵詞：渠道混凝土,布料,襯砌,機(jī)械化施工　

　　1 引言　

　　南水北調(diào)中線京石段應(yīng)急供水工程（石家莊至北拒馬河段）直管或代建項(xiàng)目第二施工標(biāo)，渠線總長8020m，其中渠道長7001m。標(biāo)段進(jìn)口樁號214+210～214+589.6段明渠底寬7.0m，樁號214+800.6～222+230段明渠底寬7.5m，渠道內(nèi)邊坡坡比1：2.5，縱坡1/24000，渠底為C20混凝土襯砌，渠底厚8㎝或10㎝，渠底寬度7.0m或7.5m。施工中，南水北調(diào)中線局提出了“對渠道必須采取機(jī)械化混凝土襯砌”的要求，但目前渠底混凝土襯砌成套設(shè)備缺乏，各施工單位難以在建筑機(jī)械設(shè)備市場找到適合該種工程形式的成型設(shè)備。這種狀況下，本著“設(shè)備簡單、節(jié)約成本、加快進(jìn)度、保證質(zhì)量”的原則，對渠底襯砌混凝土機(jī)械進(jìn)行了研究。渠底混凝土襯砌施工需經(jīng)過混凝土布料和混凝土振搗兩大工序，但它又必須是融混凝土輸送、布料、攤平、振搗、壓面為一體的機(jī)械化施工。為此，渠道底板襯砌施工機(jī)械應(yīng)分為混凝土輸送布料和混凝土襯砌兩大部分。　

　　2渠道底板混凝土輸送布料系統(tǒng)設(shè)計(jì)　

　　2.1入倉方式選擇

　　渠道底部混凝土襯砌首先要解決的問題是混凝土入倉方式。由于渠道底部寬度為7m～7.5m，寬度相對較小，而且襯砌混凝土下部設(shè)有聚苯乙烯泡沫塑料保溫板和復(fù)合土工膜（即渠道混凝土澆筑時倉內(nèi)鋪設(shè)有保溫板和土工膜），所以混凝土攪拌車不能在渠底倉內(nèi)行走。為此，需要根據(jù)渠道底板結(jié)構(gòu)形

　　式選擇適合渠底混凝土襯砌施工的混凝土運(yùn)輸布料設(shè)備。

　　現(xiàn)對混凝土泵、移動溜槽、渠底混凝土布料機(jī)三種渠底混凝土的布料方式進(jìn)行對比如下：

　　混凝土輸送泵：渠底混凝土布料采用混凝土泵進(jìn)行施工，其優(yōu)點(diǎn)是澆筑速度快澆筑量大。但混凝土泵及附屬設(shè)備安裝復(fù)雜，需要投入較多的人力（例如：混凝土導(dǎo)管安裝與拆除、腳手架搭設(shè)及混凝土泵移動等工作量大，還需要配備大于30kw以上的電源等）；泵送混凝土塌落度較大，與渠道襯砌常態(tài)混凝土相比和易性較差，造成渠道混凝土出面時間晚，渠道混凝土成型后容易產(chǎn)生裂縫，泵送混凝土的各項(xiàng)性能指標(biāo)不能滿足渠道襯砌混凝土要求。

　　混凝土移動溜槽：移動溜槽設(shè)置在成型的渠坡上，溜槽底部設(shè)有橡膠輪，渠坡上設(shè)有行走軌道，溜槽經(jīng)人工推力可以沿渠坡移動�；炷�土攪拌車的出料口和溜槽的頂部集料口對中下料，經(jīng)過溜槽將混凝土輸送到渠底，再由人工推腳輪車接料將混凝土推到需料的部位。溜槽結(jié)構(gòu)簡單造價低廉，適合小方量混凝土澆筑而且渠道距離短的工程。溜槽行走需要人工推動，投入人力較多；溜槽輸送混凝土要求混凝土的塌落度要大，從而影響混凝土的和易性，容易使混凝土產(chǎn)生裂縫。溜槽施工對渠道坡比有一定的要求，對于南水北調(diào)坡比1：2.5的渠坡，混凝土塌落度較小時，需要采用人工鐵鍬輔助將料輸送到渠底，且需要在渠底要安排人工推腳輪車進(jìn)行布料，機(jī)械化程度低，混凝土輸送能力較小。

　　渠底混凝土布料機(jī)：渠底混凝土布料機(jī)源于移動的桁架與混凝土的布料帶相結(jié)合而成，根據(jù)渠道的結(jié)構(gòu)形式在渠坡和渠底上均布設(shè)桁架，桁架下部設(shè)有電機(jī)驅(qū)動輪能夠沿設(shè)置好的軌道自己行走，桁架上安裝皮帶和電機(jī)滾筒用于混凝土的輸送。渠底混凝土布料機(jī)由項(xiàng)目部自己進(jìn)行設(shè)計(jì)加工，其成本造價估算在7萬元左右。

　　2.2布料機(jī)設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

　　2.2.1方案設(shè)計(jì)

　　方案1：設(shè)計(jì)方案源于倒虹吸混凝土布料機(jī)，基本是由鋼構(gòu)桁架和皮帶構(gòu)成，結(jié)構(gòu)形式如圖（1）。布料機(jī)桁架橫跨明渠頂部大約長度為40m，桁架本身高度為0.8m；桁架設(shè)有混凝土輸送皮帶和行人道板，端頭安裝電機(jī)滾筒；桁架底部設(shè)有電機(jī)驅(qū)動輪行走速度為4m/s，在渠底范圍寬度內(nèi)的桁架上設(shè)有混凝土垂直運(yùn)輸?shù)拇�筒；總重量約為14t。

　　方案2：設(shè)計(jì)方案源于混凝土上揚(yáng)布料機(jī)，基本由鋼構(gòu)桁架和皮帶機(jī)構(gòu)成，結(jié)構(gòu)形式如圖（2）。結(jié)構(gòu)形式和混凝土上揚(yáng)皮帶機(jī)相似，混凝土布料系統(tǒng)端頭位于渠頂上，桁架水平懸臂至渠道底部中間位置，在桁架中間部位設(shè)置桁架支撐于渠坡坡面上，另一端安裝配重塊保持桁架的平衡。在渠道布料機(jī)端頭和中間桁架支撐底部安裝電機(jī)驅(qū)動輪作為行走裝置，在布料機(jī)另一端頭安裝串筒作為混凝土垂直運(yùn)輸。布料機(jī)桁架水平長度25m，桁架本身高度為0.8m，本身自重為8t左右。

　　方案3：設(shè)計(jì)方案將水平皮帶布料機(jī)和渠坡斜皮帶布料機(jī)相結(jié)合構(gòu)成，結(jié)構(gòu)形式如圖（3）。在渠坡上安裝一套斜皮帶混凝土輸送機(jī)，在渠道底部安裝一套水平布料機(jī)，兩套布料系統(tǒng)之間進(jìn)行鉸接構(gòu)成一套混凝土輸送布料系統(tǒng)。在斜皮帶機(jī)頂部和水平皮帶機(jī)上安裝電機(jī)驅(qū)動輪裝置，其他部位安裝橡膠從動輪。渠坡斜皮帶系統(tǒng)將混凝土從渠頂輸送到渠底水平布料機(jī)上，在水平皮帶系統(tǒng)上設(shè)有下料口用于渠底混凝土布料。水平布料機(jī)長度為9.9m，斜皮帶機(jī)長度為16.8m，總重量為2.5t，行走速度為3m/s�！�                      

　　圖（3）：渠底混凝土布料方案3

　　2.2.2三種方案對比優(yōu)化選擇

　　方案1：結(jié)構(gòu)形式簡單，便于加工制作；安裝簡單，使用時行走平穩(wěn)，混凝土輸送能力較強(qiáng)；但是桁架跨度大、自重大安裝運(yùn)輸需要大的起重設(shè)備和運(yùn)輸設(shè)備；鋼構(gòu)加工量大，工程成本造價高。

　　方案2：結(jié)構(gòu)形式較復(fù)雜，不便于加工，安裝時難度較大；由于結(jié)構(gòu)形式造成了布料機(jī)行走不穩(wěn)，易發(fā)生傾斜；混凝土輸送能力一般；由于桁架跨度減小，鋼構(gòu)加工量少，工程成本造價低。

　　方案3：結(jié)構(gòu)形式相對復(fù)雜，但是跨度減小使自重減輕；安裝加工相對簡單，且便于運(yùn)輸操作；在施工使用時，布料機(jī)行走平穩(wěn)，混凝土輸送能力大，能夠?qū)⒒炷�土送入指定的倉內(nèi)；桁架跨度小，自重小，鋼構(gòu)加工量少，工程成本造價低�！�

　　3渠道底板混凝土施工系統(tǒng)構(gòu)成　

　　渠道底板混凝土施工系統(tǒng)主要由三部分組成，即布料系統(tǒng)、襯砌系統(tǒng)、電路控制系統(tǒng)。

　　3.1渠道底板布料系統(tǒng)

　　底板混凝土布料采用自行研制的移動布料機(jī)，移動式布料機(jī)總重量約為2.5t，可分為渠坡混凝土輸送系統(tǒng)和渠底水平布料系統(tǒng)兩部分，兩者結(jié)構(gòu)桁架（渠坡桁架和渠底桁架）通過鉸接連接。其行走驅(qū)動裝置為三個1.2kw的電動驅(qū)動輪，分別安裝于渠坡鋼構(gòu)桁架頂部及水平鋼構(gòu)桁架兩端；支撐平衡裝置為三套橡膠從動輪，安裝于斜坡段中部及水平段兩端。水平段布料系統(tǒng)分別設(shè)有四個下料口，均勻分布底板水平鋼構(gòu)桁架上�；炷�土布料系統(tǒng)的行走速度為3m/s�；炷�土輸送系統(tǒng)輸送能力為25m3/h。

　　3.1.1渠坡混凝土輸送部分

　　渠坡混凝土輸送部分主要由桁架、皮帶、皮帶托輥、電機(jī)滾筒、從動滾筒、行走驅(qū)動輪及從動輪一套。桁架高度為0.80m，總長度為16.8m；皮帶寬度為0.6m，總長為34m。在桁架的端頭底部設(shè)置1.5kw電機(jī)滾筒，作為混凝土輸送系統(tǒng)的驅(qū)動裝置；在桁架頂端的下部設(shè)置電機(jī)1.2kw電機(jī)驅(qū)動輪，并在桁架的中部設(shè)置從動輪作為布料系統(tǒng)的平衡裝置。

　　3.1.2渠底水平布料部分

　　渠底水平布料部分主要由桁架、皮帶、皮帶托輥、下料口、電機(jī)滾筒、從動滾筒、行走驅(qū)動輪及從動輪兩套。渠底桁架高度為1.3m，長度為9.9m，長度7.5m；輸送皮帶寬度為0.6m，總長為15m。在鋼構(gòu)桁架的端頭設(shè)置1.5kw電機(jī)滾筒作為布料皮帶的驅(qū)動裝置，從動滾筒設(shè)在斜桁架和水平桁架的鉸接處。在水平桁架上均勻布設(shè)四個混凝土下料口，在桁架的兩端設(shè)置1.2kw電機(jī)驅(qū)動輪，并設(shè)從動輪以保持布料機(jī)行走時的平衡。

　　3.2渠道底板混凝土襯砌系統(tǒng)

　　為做到機(jī)械化攤鋪、振搗和壓面，對渠底混凝土襯砌的施工借鑒了公路混凝土路面施工機(jī)械和施工方法。底板混凝土襯砌機(jī)根據(jù)公路混凝土路面施工攤鋪機(jī)結(jié)構(gòu)原理研制，主要由結(jié)構(gòu)桁架、混凝土螺旋找平裝置、混凝土振搗輥、混凝土壓面輥、驅(qū)動系統(tǒng)及電氣控制系統(tǒng)構(gòu)成。

　　3.3電路控制系統(tǒng)

　　輸送布料系統(tǒng)在水平段一端設(shè)有配電箱（布料機(jī)電路控制系統(tǒng)），其中包括布料機(jī)行走與制動控制系統(tǒng)、斜皮帶運(yùn)行控制系統(tǒng)、水平段控制系統(tǒng)、電鈴控制系統(tǒng)和照明系統(tǒng)等�！　�

　　4渠底混凝土機(jī)械襯砌施工　　

　　4.1行走軌道安裝及系統(tǒng)調(diào)試

　　混凝土布料機(jī)行走軌道采用方管制作而成。待行走軌道安裝完畢后，檢查軌道承載力能否滿足要求及其位置高程偏差，采用汽車吊將襯砌機(jī)吊裝就位。調(diào)試襯砌機(jī)的各項(xiàng)性能是否達(dá)到運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)試的項(xiàng)目有：襯砌機(jī)行走、混凝土輸送布料、混凝土的攤平振搗碾面等。

　　4.2混凝土的輸送及攤鋪

　　混凝土攪拌車將混凝土運(yùn)至施工現(xiàn)場，經(jīng)過布料機(jī)的輸送皮帶將混凝土輸送到水平布料機(jī)上，再經(jīng)過下料口將混凝土垂直輸送到倉內(nèi)。布料機(jī)完成混凝土布料后向前行走繼續(xù)混凝土的輸送布料，隨后進(jìn)行混凝土的攤鋪振搗。混凝土底板攤鋪振搗系統(tǒng)行走驅(qū)動主要依靠壓漿輥的轉(zhuǎn)動，行走方向可以向前或向后（行走軌道由混凝土倉內(nèi)兩側(cè)的8cm×8cm方管構(gòu)成，方鋼與方管對接要平整，前后高差應(yīng)小于±3mm）。底板襯砌機(jī)驅(qū)動向前行走，螺旋找平裝置啟動運(yùn)行，對混凝土進(jìn)行攤鋪找平，攤鋪高度略高于兩側(cè)行走軌道2cm，以保證混凝土振搗密實(shí)。當(dāng)倉內(nèi)布料出現(xiàn)以下兩種不均勻現(xiàn)象時，解決對策有兩個：一是襯砌機(jī)前面缺料時，此時襯砌機(jī)可向前行走，螺旋找平器將混凝土攤鋪，將缺料處部分?jǐn)偲健６�是襯砌機(jī)后面缺料時，襯砌機(jī)可向后行走，螺旋找平器將混凝土攤鋪，將缺料處攤平。

　　對于機(jī)器攤鋪不到位的部位，進(jìn)行人工攤料找平，并使填平后高度高于軌道2cm。

　　4.3混凝土振搗及出面

　　在混凝土鋪料攤平的同時進(jìn)行混凝土的振搗�；炷�土振搗輥內(nèi)設(shè)偏心裝置，運(yùn)行方式可以前后反復(fù)進(jìn)行振搗，使內(nèi)部混凝土密實(shí)表面出漿，以便于進(jìn)行下一步工序。混凝土振搗同時進(jìn)行表面壓漿，襯砌機(jī)設(shè)有前后兩個壓漿輥，壓漿輥直徑為25cm，由電機(jī)帶動鏈條傳動。壓漿輥可進(jìn)行正向及反向旋轉(zhuǎn)，在襯砌機(jī)振搗的同時對泛漿表面進(jìn)行壓漿找平�！�

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]水利水電工程施工手冊（金屬結(jié)構(gòu)制作與機(jī)電安裝工程）[K].北京：中國電力出版社，2005.

　　[2]機(jī)械設(shè)計(jì)手冊編委會.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[K].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

　　[3]鋼結(jié)構(gòu)編委會.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊[K].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004.

　　[4]NSBD5-2006，渠道混凝土襯砌機(jī)械化施工技術(shù)規(guī)程[S].南水北調(diào)工程建設(shè)專用標(biāo)準(zhǔn).