南水北调渠道底板混凝土机械化施工系统研究与应用
摘要：根据南水北调渠底施工条件的特殊性，以混凝土入仓方式选择为重点，通过分析对比汽车运混凝土、泵送混凝土、溜槽输送混凝土、布料机运混凝土的优缺点，对渠底混凝土施工系统中的布料方式进行初步设计；介绍融混凝土输送、布料、摊铺、振捣、压面为一体的渠底混凝土机械化施工方法、使用注意事项及应用效果。
关键词：渠道混凝土,布料,衬砌,机械化施工
1 引言
南水北调中线京石段应急供水工程（石家庄至北拒马河段）直管或代建项目第二施工标，渠线总长8020m，其中渠道长7001m。标段进口桩号214+210～214+589.6段明渠底宽7.0m，桩号214+800.6～222+230段明渠底宽7.5m，渠道内边坡坡比1：2.5，纵坡1/24000，渠底为C20混凝土衬砌，渠底厚8㎝或10㎝，渠底宽度7.0m或7.5m。施工中，南水北调中线局提出了“对渠道必须采取机械化混凝土衬砌”的要求，但目前渠底混凝土衬砌成套设备缺乏，各施工单位难以在建筑机械设备市场找到适合该种工程形式的成型设备。这种状况下，本着“设备简单、节约成本、加快进度、保证质量”的原则，对渠底衬砌混凝土机械进行了研究。渠底混凝土衬砌施工需经过混凝土布料和混凝土振捣两大工序，但它又必须是融混凝土输送、布料、摊平、振捣、压面为一体的机械化施工。为此，渠道底板衬砌施工机械应分为混凝土输送布料和混凝土衬砌两大部分。
2渠道底板混凝土输送布料系统设计
2.1入仓方式选择
渠道底部混凝土衬砌首先要解决的问题是混凝土入仓方式。由于渠道底部宽度为7m～7.5m，宽度相对较小，而且衬砌混凝土下部设有聚苯乙烯泡沫塑料保温板和复合土工膜（即渠道混凝土浇筑时仓内铺设有保温板和土工膜），所以混凝土搅拌车不能在渠底仓内行走。为此，需要根据渠道底板结构形
式选择适合渠底混凝土衬砌施工的混凝土运输布料设备。
现对混凝土泵、移动溜槽、渠底混凝土布料机三种渠底混凝土的布料方式进行对比如下：
混凝土输送泵：渠底混凝土布料采用混凝土泵进行施工，其优点是浇筑速度快浇筑量大。但混凝土泵及附属设备安装复杂，需要投入较多的人力（例如：混凝土导管安装与拆除、脚手架搭设及混凝土泵移动等工作量大，还需要配备大于30kw以上的电源等）；泵送混凝土塌落度较大，与渠道衬砌常态混凝土相比和易性较差，造成渠道混凝土出面时间晚，渠道混凝土成型后容易产生裂缝，泵送混凝土的各项性能指标不能满足渠道衬砌混凝土要求。
混凝土移动溜槽：移动溜槽设置在成型的渠坡上，溜槽底部设有橡胶轮，渠坡上设有行走轨道，溜槽经人工推力可以沿渠坡移动。混凝土搅拌车的出料口和溜槽的顶部集料口对中下料，经过溜槽将混凝土输送到渠底，再由人工推脚轮车接料将混凝土推到需料的部位。溜槽结构简单造价低廉，适合小方量混凝土浇筑而且渠道距离短的工程。溜槽行走需要人工推动，投入人力较多；溜槽输送混凝土要求混凝土的塌落度要大，从而影响混凝土的和易性，容易使混凝土产生裂缝。溜槽施工对渠道坡比有一定的要求，对于南水北调坡比1：2.5的渠坡，混凝土塌落度较小时，需要采用人工铁锹辅助将料输送到渠底，且需要在渠底要安排人工推脚轮车进行布料，机械化程度低，混凝土输送能力较小。
渠底混凝土布料机：渠底混凝土布料机源于移动的桁架与混凝土的布料带相结合而成，根据渠道的结构形式在渠坡和渠底上均布设桁架，桁架下部设有电机驱动轮能够沿设置好的轨道自己行走，桁架上安装皮带和电机滚筒用于混凝土的输送。渠底混凝土布料机由项目部自己进行设计加工，其成本造价估算在7万元左右。
2.2布料机设计方案优化
2.2.1方案设计
方案1：设计方案源于倒虹吸混凝土布料机，基本是由钢构桁架和皮带构成，结构形式如图（1）。布料机桁架横跨明渠顶部大约长度为40m，桁架本身高度为0.8m；桁架设有混凝土输送皮带和行人道板，端头安装电机滚筒；桁架底部设有电机驱动轮行走速度为4m/s，在渠底范围宽度内的桁架上设有混凝土垂直运输的串筒；总重量约为14t。
方案2：设计方案源于混凝土上扬布料机，基本由钢构桁架和皮带机构成，结构形式如图（2）。结构形式和混凝土上扬皮带机相似，混凝土布料系统端头位于渠顶上，桁架水平悬臂至渠道底部中间位置，在桁架中间部位设置桁架支撑于渠坡坡面上，另一端安装配重块保持桁架的平衡。在渠道布料机端头和中间桁架支撑底部安装电机驱动轮作为行走装置，在布料机另一端头安装串筒作为混凝土垂直运输。布料机桁架水平长度25m，桁架本身高度为0.8m，本身自重为8t左右。
方案3：设计方案将水平皮带布料机和渠坡斜皮带布料机相结合构成，结构形式如图（3）。在渠坡上安装一套斜皮带混凝土输送机，在渠道底部安装一套水平布料机，两套布料系统之间进行铰接构成一套混凝土输送布料系统。在斜皮带机顶部和水平皮带机上安装电机驱动轮装置，其他部位安装橡胶从动轮。渠坡斜皮带系统将混凝土从渠顶输送到渠底水平布料机上，在水平皮带系统上设有下料口用于渠底混凝土布料。水平布料机长度为9.9m，斜皮带机长度为16.8m，总重量为2.5t，行走速度为3m/s。
图（3）：渠底混凝土布料方案3
2.2.2三种方案对比优化选择
方案1：结构形式简单，便于加工制作；安装简单，使用时行走平稳，混凝土输送能力较强；但是桁架跨度大、自重大安装运输需要大的起重设备和运输设备；钢构加工量大，工程成本造价高。
方案2：结构形式较复杂，不便于加工，安装时难度较大；由于结构形式造成了布料机行走不稳，易发生倾斜；混凝土输送能力一般；由于桁架跨度减小，钢构加工量少，工程成本造价低。
方案3：结构形式相对复杂，但是跨度减小使自重减轻；安装加工相对简单，且便于运输操作；在施工使用时，布料机行走平稳，混凝土输送能力大，能够将混凝土送入指定的仓内；桁架跨度小，自重小，钢构加工量少，工程成本造价低。
3渠道底板混凝土施工系统构成
渠道底板混凝土施工系统主要由三部分组成，即布料系统、衬砌系统、电路控制系统。
3.1渠道底板布料系统
底板混凝土布料采用自行研制的移动布料机，移动式布料机总重量约为2.5t，可分为渠坡混凝土输送系统和渠底水平布料系统两部分，两者结构桁架（渠坡桁架和渠底桁架）通过铰接连接。其行走驱动装置为三个1.2kw的电动驱动轮，分别安装于渠坡钢构桁架顶部及水平钢构桁架两端；支撑平衡装置为三套橡胶从动轮，安装于斜坡段中部及水平段两端。水平段布料系统分别设有四个下料口，均匀分布底板水平钢构桁架上。混凝土布料系统的行走速度为3m/s。混凝土输送系统输送能力为25m3/h。
3.1.1渠坡混凝土输送部分
渠坡混凝土输送部分主要由桁架、皮带、皮带托辊、电机滚筒、从动滚筒、行走驱动轮及从动轮一套。桁架高度为0.80m，总长度为16.8m；皮带宽度为0.6m，总长为34m。在桁架的端头底部设置1.5kw电机滚筒，作为混凝土输送系统的驱动装置；在桁架顶端的下部设置电机1.2kw电机驱动轮，并在桁架的中部设置从动轮作为布料系统的平衡装置。
3.1.2渠底水平布料部分
渠底水平布料部分主要由桁架、皮带、皮带托辊、下料口、电机滚筒、从动滚筒、行走驱动轮及从动轮两套。渠底桁架高度为1.3m，长度为9.9m，长度7.5m；输送皮带宽度为0.6m，总长为15m。在钢构桁架的端头设置1.5kw电机滚筒作为布料皮带的驱动装置，从动滚筒设在斜桁架和水平桁架的铰接处。在水平桁架上均匀布设四个混凝土下料口，在桁架的两端设置1.2kw电机驱动轮，并设从动轮以保持布料机行走时的平衡。
3.2渠道底板混凝土衬砌系统
为做到机械化摊铺、振捣和压面，对渠底混凝土衬砌的施工借鉴了公路混凝土路面施工机械和施工方法。底板混凝土衬砌机根据公路混凝土路面施工摊铺机结构原理研制，主要由结构桁架、混凝土螺旋找平装置、混凝土振捣辊、混凝土压面辊、驱动系统及电气控制系统构成。
3.3电路控制系统
输送布料系统在水平段一端设有配电箱（布料机电路控制系统），其中包括布料机行走与制动控制系统、斜皮带运行控制系统、水平段控制系统、电铃控制系统和照明系统等。
4渠底混凝土机械衬砌施工
4.1行走轨道安装及系统调试
混凝土布料机行走轨道采用方管制作而成。待行走轨道安装完毕后，检查轨道承载力能否满足要求及其位置高程偏差，采用汽车吊将衬砌机吊装就位。调试衬砌机的各项性能是否达到运行标准，调试的项目有：衬砌机行走、混凝土输送布料、混凝土的摊平振捣碾面等。
4.2混凝土的输送及摊铺
混凝土搅拌车将混凝土运至施工现场，经过布料机的输送皮带将混凝土输送到水平布料机上，再经过下料口将混凝土垂直输送到仓内。布料机完成混凝土布料后向前行走继续混凝土的输送布料，随后进行混凝土的摊铺振捣。混凝土底板摊铺振捣系统行走驱动主要依靠压浆辊的转动，行走方向可以向前或向后（行走轨道由混凝土仓内两侧的8cm×8cm方管构成，方钢与方管对接要平整，前后高差应小于±3mm）。底板衬砌机驱动向前行走，螺旋找平装置启动运行，对混凝土进行摊铺找平，摊铺高度略高于两侧行走轨道2cm，以保证混凝土振捣密实。当仓内布料出现以下两种不均匀现象时，解决对策有两个：一是衬砌机前面缺料时，此时衬砌机可向前行走，螺旋找平器将混凝土摊铺，将缺料处部分摊平。二是衬砌机后面缺料时，衬砌机可向后行走，螺旋找平器将混凝土摊铺，将缺料处摊平。
对于机器摊铺不到位的部位，进行人工摊料找平，并使填平后高度高于轨道2cm。
4.3混凝土振捣及出面
在混凝土铺料摊平的同时进行混凝土的振捣。混凝土振捣辊内设偏心装置，运行方式可以前后反复进行振捣，使内部混凝土密实表面出浆，以便于进行下一步工序。混凝土振捣同时进行表面压浆，衬砌机设有前后两个压浆辊，压浆辊直径为25cm，由电机带动链条传动。压浆辊可进行正向及反向旋转，在衬砌机振捣的同时对泛浆表面进行压浆找平。
参考文献
[1]水利水电工程施工手册（金属结构制作与机电安装工程）[K].北京：中国电力出版社，2005.
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[4]NSBD5-2006，渠道混凝土衬砌机械化施工技术规程[S].南水北调工程建设专用标准.
