渠道砂墊層（5cm 厚）壓實方案的探索

□杜軍民 □王 源

（河南省南水北調(diào)中線工程建設(shè)管理局安陽段建管處）

南水北調(diào)中線一期工程總干渠安陽段渠道設(shè)計中首次采用5cm厚粗砂墊層結(jié)構(gòu)，特別是在1∶2坡比的坡面上要求其相對密度不低于0.7，不但國內(nèi)以前沒有先例，就是已成功建設(shè)完成的南水北調(diào)中線307.5km京石段應(yīng)急供水渠道也沒有嘗試過，東線工程中也沒有使用。如何解決此問題，不僅影響著工程進度，更影響著渠道襯砌整體質(zhì)量。我們依托中國水利水電第十一工程局承建的第五施工標段最先進行渠道襯砌的工程實體，一步一步研究探索，并最終解決了此難題。

一、工程概況

安陽段是南水北調(diào)中線一期工程總干渠Ⅳ渠段（黃河北～漳河南段）的組成部分，位于該渠段的末端，是中線工程河南段除穿黃工程外的首開工程。全渠段總長40.262km，其中渠道長度39.299km。渠線穿越大小河流19條，沿線共布置各類交叉建筑物76座。其中，V標渠段長5428.1m，位于洪河安陽河工程地質(zhì)段內(nèi)，粘性土均一結(jié)構(gòu)。渠道采用明渠設(shè)計，梯形斷面，型式為上口寬 52.6～54.1m，底寬 17～18.5m，邊坡 1∶2，渠深 8.9m，坡面長20m。正常水深7m，加大水深7.384m。渠道結(jié)構(gòu)型式自下而上為：基面削坡、5cm粗砂墊層、2cm厚的保溫板、防滲復(fù)合土工膜、8cm、10cm厚混凝土面層。

二、渠道襯砌粗砂墊層（5cm厚）的技術(shù)難點

粗砂墊層（5cm厚）在渠道襯砌結(jié)構(gòu)中承擔著土基土壤滲水的反濾、保溫板材料的承壓基面找平和保護功能，同時具有典型的超薄特征。在工序施工上，又是渠道襯砌結(jié)構(gòu)層的第一道工序。由于5cm厚粗砂墊層渠道結(jié)構(gòu)設(shè)計在安陽段是第一次采用，沒有經(jīng)驗可供借鑒，沒有成熟的機械設(shè)備可供選擇，施工方法及工藝更需要摸索。

主要的技術(shù)難點可以歸納為：如何實現(xiàn)設(shè)計要求的平整度、坡比和厚度；如何達到設(shè)計要求的0.7相對密度指標；什么樣的施工方法和工藝可以保證工程質(zhì)量，并適合于推廣使用。

三、渠道襯砌機械應(yīng)用現(xiàn)狀及分析

目前市場上主要的大型渠道襯砌機械有：振動滑模式襯砌機，振動碾壓式襯砌機。其中：

振動滑模式襯砌機由行走裝置、升降裝置、布料系統(tǒng)、振動裝置、滑模成型裝置、電控系統(tǒng)、框架結(jié)構(gòu)等部分組成，核心設(shè)備是落料倉內(nèi)均勻布置著高頻低幅振搗棒和料倉后部的滑模裝置。布料系統(tǒng)可以完成砂墊層布料，滑模裝置可以完成平整度、厚度及坡比控制，但由于砂墊層只有5cm厚，高頻低幅振搗棒難以滿足壓實要求。

振動碾壓式襯砌機由自動行走系統(tǒng)、框架結(jié)構(gòu)、自動布料系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)、升降系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)和振搗系統(tǒng)等組成，關(guān)鍵設(shè)備攤鋪小車擁有螺旋攤鋪機、深層插入振動棒、震動壓光輥。按功能分析，自動布料系統(tǒng)可完成砂墊層布料，螺旋攤鋪機可完成均勻攤鋪，震動壓光輥可嘗試壓實砂墊層。

四、解決思路及方案比選

從目前現(xiàn)有機械設(shè)備情況看，問題的核心是如何達到設(shè)計要求的0.7相對密度指標。以此為出發(fā)點，查找相關(guān)技術(shù)資料和類似施工經(jīng)驗，做以下方案進行比選。

（一）單獨運用振動碾壓式襯砌機直接施工

結(jié)合已有的渠道混凝土襯砌方法，用自卸汽車把粗砂堆于一級馬道上，人工上料，通過自動布料系統(tǒng)完成砂墊層布料。轉(zhuǎn)動螺旋完成整平和多余料的轉(zhuǎn)移，振動壓光輥完成壓實和收光作業(yè)。本文稱為方案一。

（二）運用振動碾壓式襯砌機和配置自行設(shè)計生產(chǎn)的平板振動器施工

考慮振動壓光輥有可能達不到壓實指標，自行研制一套壓實裝置，懸掛于主襯砌機的桁架結(jié)構(gòu)上，替代完成壓實作業(yè)。本文稱為方案二。

（三）人工攤鋪粗砂墊層，振動碾壓式襯砌機精平和預(yù)壓，懸掛壓實裝置實現(xiàn)終壓

為考慮成本控制，提高襯砌機械使用效率，用人工直接把粗砂攤鋪于基面上并初平，替代襯砌機布料；用轉(zhuǎn)動螺旋完成整平和多余料的轉(zhuǎn)移，振動壓光輥初壓；懸掛的壓實裝置實現(xiàn)終壓。本文稱為方案三。

（四）人工攤鋪粗砂墊層，懸掛壓實裝置實現(xiàn)壓實

綜合成本因素、效率因素、工程質(zhì)量因素等，采用人工直接把粗砂攤鋪于基面上并精平，替代振動滑模式襯砌機布料作業(yè)；單獨加工一套壓實設(shè)備，主要包括行走裝置、自動控制裝置、框架結(jié)構(gòu)、壓實裝置、傳動系統(tǒng)等，完成5cm厚粗砂壓實、平整度、坡比控制等作業(yè)。本文稱為方案四。

五、工程實體試驗

在經(jīng)過充分準備，原材料、襯砌機械安裝調(diào)試、人員培訓、方案討論細化等完成后，于2007年10月25日至11月20日進行工程實體試驗。

（一）實施方案一

根據(jù)計算，試驗過程粗砂墊層的虛鋪系數(shù)采用1.30，對應(yīng)的虛鋪厚度為6.5cm?，F(xiàn)場試驗攤鋪按6.5～6.6cm控制，通過調(diào)整襯砌機4根支腿的高度實現(xiàn)。粗砂（機制砂）的含水率以3%、3.5%、4%、4.5%、5%、5.5%、6%、7%等指標進行對比試驗。在坡面試驗區(qū)段50m范圍內(nèi)劃分多個小區(qū)間，階梯板隔開，人工對不同試驗含水率用背負式農(nóng)用噴霧器精細補水，塑料薄膜覆蓋方式保水。

利用振動碾壓式襯砌機的布料系統(tǒng)，人工喂料完成粗砂墊層的均勻攤鋪；螺旋裝置和振動壓光輥完成精平和初壓；人工精細控制試驗區(qū)段的含水率；振動壓光輥壓實。

1.試驗結(jié)果

從碾壓第1遍到第7遍實測數(shù)據(jù)，不管碾壓輥是從上而下或從下而上，各組數(shù)據(jù)均不能達到設(shè)計要求的0.7相對密度指標，第4遍達到峰值；實測平整度、厚度、坡比均能達到規(guī)程要求，外觀平整，部分試驗區(qū)段有鱗片狀波紋。

2.結(jié)果分析

由于5cm厚粗砂墊層太薄，壓光輥和粗砂墊層接觸面小，半徑不夠大、砂墊層較薄，振動碾壓時，砂子會向輥子的兩側(cè)壅起，最終達不到預(yù)期效果。由此，增大接觸面的壓實設(shè)備思路產(chǎn)生。

（二）實施方案二

此方案重點解決壓實設(shè)備問題。通過模擬和試驗改裝，采用0.75kW、1.5kW兩種標準平板振動器（托盤尺寸：43cm寬、71cm長、4mm厚）進行工程實體試驗。

試驗過程中，第一步采取不在坡面行走方式，結(jié)果顯示，兩種壓實設(shè)備的壓實效果基本相同，均能達到設(shè)計要求。第二步采取在坡面行走方式，結(jié)果顯示，0.75kW平板的效果優(yōu)于1.5kW平板，但均達不到設(shè)計壓實度指標。初步原因分析：1.5kW的平板振動器行走時，在坡面上跳動比較大，平板邊對壓實后的砂擾動大，致使其效果低于0.75kW的平板振動器。

以尋求合理的振幅及擊振力為出發(fā)點，對標準平板振動器進行改造，進一步利用1.2kW、1.5kW、2.0kW3種平板振動電機與不同面積及不同重量的自制面板（60cm寬×100cm長×面板厚度 3mm、60cm寬×100cm長×面板厚度 4mm、60cm寬×100cm長×面板厚度5mm）進行組合，共組合出9種不同型式的平板振動器進行碾壓試驗。結(jié)果顯示：以1.2kW振動電機、以60cm寬、100cm長、面板厚度3mm的加筋板效果最佳，其次，是1.5kW振動電機、以60cm寬、100cm長、托盤面板厚度5mm的加筋板，能達到預(yù)期目的。

按方案一的布局方式，以這兩種壓實設(shè)備進一步試驗，按壓實設(shè)備順坡面往返1次為1遍，壓痕重疊按一半控制。第1遍時，含水率為4.5%時，1.5kW振動電機效果最好；第2遍時，含水率為4.2%時，1.2kW振動電機效果最好。為提高工效，確定以1.5kW振動電機模式開展施工。

（三）實施方案三

從試驗實施過程來看，用襯砌機的布料系統(tǒng)完成施工，占用大部分的襯砌機械時間，效率低，工程成本較高，不利于大面積作業(yè)。在方案三中，采用了裝載機鏟料到坡面上，人工直接攤鋪并初平方式。

試驗段長度采用不低于100m，同時配合渠道襯砌其他工序一道進行方式。按確定的技術(shù)參數(shù)：虛鋪系數(shù)采用1.30，對應(yīng)的虛鋪厚度為6.5cm，現(xiàn)場試驗攤鋪按6.5～6.6cm控制；碾壓含水率按4%～5%控制；碾壓遍數(shù)按1遍到2遍控制。2007年10月20日到11月2日，施工完成的5cm厚粗砂墊層檢驗數(shù)據(jù)全部超過設(shè)計要求的0.7相對密度指標，平整度、厚度、坡比等指標均滿足規(guī)程要求。

（四）實施方案四

工程正式實施后，為加快施工進度，新引進了1臺振動滑模式襯砌機，同時嘗試使用天然河沙（粗砂）。由于在此機械上掛置壓實裝置較難，且襯砌機械較重，工程使用成本較高，單獨加工了一套能行走的壓實設(shè)備，主要包括行走裝置、自動控制裝置、框架結(jié)構(gòu)、壓實裝置、傳動系統(tǒng)等，獨立完成5cm厚粗砂壓實、平整度、坡比控制等作業(yè)。

按照方案一布局方式，以壓實設(shè)備順坡面往返1次為1遍，壓痕重疊按10cm控制。試驗過程粗砂（天然河沙）的虛鋪系數(shù)為1.25，其對應(yīng)虛鋪厚度為6.26cm，現(xiàn)場試驗攤鋪按6.0～6.4cm控制。含水率以4%、5%、6%、7%、8%、9%、10%、11%等指標進行對比試驗。用裝載機鏟料到坡面上，人工直接攤鋪并初平，用2m靠尺，專人全斷面進行檢測，不平的地方做好記號，其他人員以精細修平方式完成攤鋪。第一遍，當含水率為9.1%時，干密度達到1.78g/cm3，相對密度≥0.7的要求。其余含水率均不能滿足相對密度按0.7控制的要求；第二遍時，干密度值較第一遍上升幅度較大。數(shù)據(jù)顯示，含水率在7.4%～11.8%時，干密度值均≥1.77g/cm3，相對密度≥0.7，可滿足相對密度按0.7控制的要求；第三遍時，干密度值有所下降。數(shù)據(jù)顯示，含水率在8.4%～10.4%時，干密度值均≥1.77g/cm3，相對密度≥0.7，可滿足相對密度0.7控制的要求。依此確定碾壓遍數(shù)為2遍。檢測平整度、厚度、坡比等均滿足規(guī)程要求，但相比第3種方案，外觀略顯差一些。

六、能適用的機械設(shè)備型式及組合

根據(jù)工程實體現(xiàn)場反復(fù)試驗、修改完善，最終確定能適用的機械設(shè)備型式及組合。

（一）“A”型壓實設(shè)備組合

人工攤鋪粗砂層，振動碾壓式攤鋪機精平和預(yù)壓，懸掛壓實裝置終壓的組合方式。振動碾壓式攤鋪機型號如中國水利水電第十一工程局生產(chǎn)的“銀河”牌或QDCQ650系列多功能襯砌機；自行研制生產(chǎn)的壓實裝置：1.5kW振動器，振動頻率48Hz，平板托盤，60cm寬、100cm長、5mm厚普通鋼板。本文稱為“A”型壓實設(shè)備。

（二）“B”型壓實設(shè)備組合

人工攤鋪粗砂層，自動行走壓實裝置壓實組合方式。自行研制生產(chǎn)的桁架式框架結(jié)構(gòu)，包括行走裝置、自動控制裝置、框架結(jié)構(gòu)、壓實裝置、傳動系統(tǒng)等，其中的壓實裝置為：1.5kW振動器，振動頻率48Hz，平板托盤，60cm寬、100cm長、5mm厚普通鋼板；或同時懸掛兩臺稱為改進型。本文稱為“B”型壓實設(shè)備。

七、新壓實設(shè)備的使用方法及施工工藝

（一）使用方法

1.“A”型壓實設(shè)備組合

“A”型壓實設(shè)備由于是在振動碾壓式襯砌機桁架結(jié)構(gòu)上增加壓實裝置，只介紹壓實裝置的使用方法。要經(jīng)常檢查電路系統(tǒng)，確保用電安全；使用前檢查電機運轉(zhuǎn)情況，防止帶病作業(yè)；定期檢查固定裝置，防止變形引起坡比等不一致，影響壓實效果；每次使用完注意保養(yǎng)，并防止振動電機受潮和淋雨；使用時，人工搖動控制裝置，把平板振動器放下，成自然松動狀態(tài)置于粗砂面層上，但垂直繩長不要超過3cm。壓實方式均采用由下而上和由上而下結(jié)合方式。使用后，人工把平板振動器提高固定；當鋼板不夠厚時，注意更換托盤。

2.“B”型壓實設(shè)備組合

“B”型壓實設(shè)備自動行走壓實裝置類似渠道襯砌機，在此只做簡單介紹。要經(jīng)常檢查電路系統(tǒng)，確保用電安全；使用前檢查電機運轉(zhuǎn)情況，防止帶病作業(yè)；定期檢查桁架結(jié)構(gòu)，防止變形引起坡比等不一致，影響壓實效果；每次使用完注意保養(yǎng)，并防止振動電機受潮和淋雨；使用前，調(diào)節(jié)好上下軌道位置的升降系統(tǒng)，確保桁架結(jié)構(gòu)上壓實裝置的行車橫梁坡比和渠道坡比一致，同時保證固定平板振動器成自然松動狀態(tài)置于粗砂面層上，但聯(lián)接垂直繩長不要超過3cm。壓實方式均采用由下而上方式。使用后，通過升降裝置把平板振動器提升到一定高度；當鋼板不夠厚時，注意更換托盤。

（二）施工工藝

1.“A”型壓實設(shè)備組合

（1）粗砂補水和運輸。5cm厚粗砂墊層施工前，檢驗料場粗砂的含水率，如果不到最佳壓實含水率，適當補水，并用自卸汽車把砂運輸?shù)绞┕c的一級馬道上堆放。

（2）人工攤鋪。施工現(xiàn)場，用裝載機把粗砂鏟到坡面上，人工配合，按施工總結(jié)確定的虛鋪厚度，均勻地攤鋪于坡面；若是施工渠道底板，為防止機械破壞土基面，可以利用施工渠道底板混凝土的配套機械，運送到底板或采用小型運輸車輛直接運送到渠道地面。

（3）表面補水。攤鋪完成后，檢驗粗砂含水率，不到預(yù)定的最佳含水率時，用噴管設(shè)備霧化形式適量補水，以達到最佳含水率。

（4）機械精平和初步碾壓。啟動振動碾壓式攤鋪機，打開螺旋和振動壓光輥，進行一遍精平和初步碾壓。

（5）平板振動器壓實。關(guān)閉振動壓光輥電源，打開平板振動裝置，按10cm壓痕重疊進行1遍壓實，如果效果不好，再進行第2遍壓實，施工經(jīng)驗證明，不能進行第3遍壓實，會降低壓實效果。

2.“B”型壓實設(shè)備組合

（1）粗砂補水和運輸。具體方法同于“A”型壓實設(shè)備組合，不重復(fù)講述。

（2）人工攤鋪。具體方法同于“A”型壓實設(shè)備組合，不重復(fù)講述。

（3）人工精平。用2m靠尺，專人全斷面進行檢測，不平的地方做好記號，另外的人員進行精細修平；或增加滑模式襯砌機精平。

（4）表面補水。具體方法同于“A”型壓實設(shè)備組合，不重復(fù)講述。

（5）平板振動器壓實。啟動自動行走壓實裝置，打開平板振動裝置，按10cm壓痕重疊進行2遍壓實，施工經(jīng)驗證明，同樣不能進行第3遍壓實，會降低壓實效果；若用改進型產(chǎn)品，雙平板振動器，1遍即可完成壓實。

八、結(jié)束語

通過渠道襯砌粗砂墊層（5cm厚）壓實機械的研制與生產(chǎn)檢驗，得到了可靠的渠道粗砂墊層施工機械組合，解決了如何實現(xiàn)設(shè)計要求的平整度、坡比和厚度方法。施工完成的成品工程，達到了設(shè)計要求的0.7相對密度指標。

此大型機械化渠道襯砌粗砂墊層（5cm厚）壓實關(guān)鍵技術(shù)在第五標段研制成功，并通過第三標段、第四標段推廣檢驗，成熟穩(wěn)定，完成的工程質(zhì)量經(jīng)各級部門評定，優(yōu)良率達到95%以上。目前，此項實用技術(shù)已在安陽段工程全面推廣應(yīng)用。

[1]閻海濤.大型渠道襯砌機系統(tǒng)載荷分析及其關(guān)鍵構(gòu)件的有限元分析[D].西安理工大學，2002

[2]李繼業(yè)，等.新編道路工程施工手冊[K].化學工業(yè)出版社，2006

[3]王志剛.環(huán)境友好型渠道襯砌材料的研究[D].西北農(nóng)林科技大學，2007