薄壁混凝土布料成型機(jī)的研究與應(yīng)用

張 彬，閆為國(guó)

(中國(guó)水利水電第五工程局有限公司第五分局，成都，610066)

南水北調(diào)工程主要建設(shè)內(nèi)容為大斷面渠道現(xiàn)澆混凝土襯砌。襯砌混凝土厚度一般在8cm～15cm之間，混凝土面積較大，在混凝土密實(shí)、成型、施工工藝等方面有其獨(dú)特的特點(diǎn)。渠道底板跨度大，機(jī)械化程度不高，為了取得高質(zhì)量、低成本的襯砌方法，必須選用合適的施工機(jī)械，并熟悉施工工藝，同時(shí)采取一系列必要的施工措施和手段，指導(dǎo)混凝土襯砌工程施工。本文主要介紹自行研制的薄壁混凝土布料成型機(jī)的原理、構(gòu)成及其應(yīng)用情況。

1 工程概況

本標(biāo)段全長(zhǎng)15km，采用明渠自流輸水方案，梯形過(guò)水?dāng)嗝?，渠底高?2.864m～72.174m，設(shè)計(jì)底寬為20.5m～24.5m，渠道內(nèi)過(guò)水?dāng)嗝孢吰孪禂?shù)為2.0～2.5，外坡為1.75～2.0，渠道縱坡為1/30000，設(shè)計(jì)水深6.0m，一級(jí)馬道(堤頂)寬5.0m，渠道全渠段采用全斷面混凝土襯砌，渠底襯砌厚度8cm。本標(biāo)段典型渠道斷面見(jiàn)圖1所示。

圖1 典型渠道斷面

2 布料成型機(jī)的研究

2.1 設(shè)計(jì)原理

布料成型機(jī)設(shè)計(jì)參考了渠道邊坡襯砌設(shè)備的運(yùn)行原理，自行設(shè)計(jì)的設(shè)備，其特點(diǎn)是集布料、平倉(cāng)、成型、振搗于一體，主要利用邊坡皮帶輸送機(jī)將料直接輸送到底板布料成型機(jī)的集料斗，再利用底板布料成型機(jī)上的皮帶機(jī)輸送至分料小車進(jìn)行布料，一次襯砌成型。渠底混凝土布料機(jī)源于移動(dòng)的桁架與混凝土的布料帶相結(jié)合而成。根據(jù)渠道邊坡坡比及坡長(zhǎng)的特點(diǎn)，斜坡混凝土輸送機(jī)做成兩段，之間采用鏈索和法蘭連接，根據(jù)不同的坡長(zhǎng)和坡比進(jìn)行調(diào)節(jié)。渠坡和渠底輸送機(jī)均布設(shè)在桁架上，桁架下部設(shè)有電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪，能夠沿設(shè)置好的軌道自動(dòng)行走;桁架上安裝皮帶和電機(jī)滾筒，用于混凝土的輸送。布料小車以行星擺線指針輪減速器控制布料小車的行走速度，機(jī)架采用絲桿式升降機(jī)調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)機(jī)架升降高度，出料口距混凝土面高度為20cm～30cm，保證了混凝土在布料過(guò)程中不發(fā)生分離現(xiàn)象。同時(shí)，在機(jī)架下部配置“雙向平料鏟”進(jìn)行平倉(cāng)壓實(shí)，配合平板振搗器振搗，電動(dòng)磨光機(jī)抹面，人工最后收面，保證了混凝土施工質(zhì)量，提高了工效，降低了施工成本。

2.2 系統(tǒng)的構(gòu)成

2.2.1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)(表1)

表1 布料成型機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)統(tǒng)計(jì)

2.2.2 設(shè)備結(jié)構(gòu)組成

本設(shè)備主要有3套系統(tǒng)組成，分別是布料系統(tǒng)、成型系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)。

2.2.2.1 布料系統(tǒng)采用自行研制的移動(dòng)布料機(jī)，分為渠坡混凝土輸送系統(tǒng)和渠底混凝土水平布料系統(tǒng)兩部分。渠坡布料系統(tǒng)受料斗高度為1m，下面安裝1.2kW行走電機(jī)，考慮到地形因素對(duì)渠坡輸送機(jī)行走的影響，采用軌道行走。渠坡布料系統(tǒng)主要由桁架、皮帶、脫滾、電動(dòng)滾筒行走驅(qū)動(dòng)輪等構(gòu)成。

渠底布料系統(tǒng)渠坡輸送桁架與渠底輸送桁架通過(guò)鉸接相連，水平布料系統(tǒng)由桁架、皮帶、脫滾、電動(dòng)滾筒、從動(dòng)滾筒、螺旋找平裝置、行走驅(qū)動(dòng)輪等構(gòu)成，行車驅(qū)動(dòng)為2.2kW的電機(jī)。在水平架上設(shè)一布料小車，由卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引進(jìn)行布料作業(yè)。

2.2.2.2 底板混凝土成型系統(tǒng)

底板混凝土成型系統(tǒng)由主桁架、雙向平料鏟(或三輥軸)、平板振搗器、絲桿式升降裝置組成。

主桁架全長(zhǎng)26.5m，桁架高1.1m，寬1.1m，主機(jī)架采用絲桿式升降機(jī)調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)機(jī)架升降高度，控制布料厚度，以滿足混凝土澆筑高程要求。布料小車采用1.1kW電動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置，行星擺線指針輪減速器控制行走速度，在混凝土澆筑倉(cāng)位的兩側(cè)設(shè)置限位指針控制布料范圍。

雙向平料鏟平倉(cāng)壓實(shí)，平料鏟與襯砌機(jī)行走方向成15°角，為使平料鏟能往返使用，在平板振搗器的兩側(cè)各設(shè)置一塊，形成雙向平料功能?；炷琳駬v采用1臺(tái)2.2kW的平板振搗器，懸掛安裝在主機(jī)架上，振搗器的板底高度可通過(guò)連接絲桿調(diào)節(jié)，以滿足混凝土面達(dá)到設(shè)計(jì)高程。

圖2 布料成型機(jī)總體布置

圖3 布料小車布置

圖4 雙向月牙平料鏟

2.2.2.3 電路控制系統(tǒng)

渠坡輸送布料機(jī)行走電動(dòng)控制系統(tǒng)、渠坡皮帶機(jī)運(yùn)行控制系統(tǒng)、水平皮帶機(jī)運(yùn)行控制系統(tǒng)、主機(jī)架行走控制系統(tǒng)、布料小車行走控制系統(tǒng)、振搗平倉(cāng)控制系統(tǒng)及照明控制系統(tǒng)，均統(tǒng)一在主機(jī)架的一段控制室內(nèi)集中設(shè)置。

3 施工方法

施工工藝流程:基礎(chǔ)處理驗(yàn)收→測(cè)量放線→渠底清理及驗(yàn)收→保溫板安裝→復(fù)合土工膜鋪設(shè)→模板安裝→閉孔塑料板安裝→混凝土襯砌施工→混凝土切縫→密封膠施工的順序，分區(qū)段進(jìn)行施工。

3.1 建基面整理

渠底清基前進(jìn)行原土碾壓。粘土、砂質(zhì)土、砂礫土渠底采用反鏟、推土機(jī)等設(shè)備在測(cè)量?jī)x器控制下清除保護(hù)層，清基完成后對(duì)基面進(jìn)行碾壓。利用施工測(cè)量控制網(wǎng)引測(cè)高程控制點(diǎn)，測(cè)量人員釘樁、掛高程控制線，人工按控制線找平清至設(shè)計(jì)高程，并采用水準(zhǔn)儀、2m靠尺等檢驗(yàn)高程、控制平整度等，平整壓實(shí)后進(jìn)行取樣檢測(cè)。

3.2 保溫板鋪設(shè)

保溫板沿渠道軸線方向有序錯(cuò)縫鋪設(shè)，遇到墩、柱、墻等建筑物時(shí)，根據(jù)與建筑物交界面的形狀尺寸劃線裁剪保溫板，使保溫板與建筑物交界面接縫緊密。保溫板裁剪采用密齒鋸或美工刀結(jié)合鋼板尺進(jìn)行，每塊保溫板鋪設(shè)完畢后，及時(shí)固定。

3.3 復(fù)合土工膜鋪設(shè)

3.3.1 復(fù)合土工膜裁剪。復(fù)合土工膜幅寬與渠道中心線垂直，渠底復(fù)合土工膜間橫向連接縫與坡面復(fù)合土工膜接頭縫，均相互錯(cuò)開(kāi)100cm以上。復(fù)合土工膜裁剪整齊平順，對(duì)渠道坡腳預(yù)留部分土工膜進(jìn)行裁剪時(shí)，要保證渠坡與渠底相接處的搭接寬度。遇到建筑物墩柱時(shí)，根據(jù)建筑物尺寸在復(fù)合土工膜上標(biāo)識(shí)，并根據(jù)標(biāo)識(shí)線裁剪，標(biāo)識(shí)尺寸應(yīng)滿足與建筑物的粘結(jié)寬度。

3.3.2 連接順序?？p合底層土工布，熱熔焊接或粘接中層土工膜，縫合上層土工布。

3.3.3 土工膜熱熔焊接。焊接前，將土工膜焊接面上的塵土、泥土、油污等清理干凈，水汽用吹風(fēng)機(jī)吹干或用干布擦干，保持焊接面清潔干燥。多塊土工膜連接時(shí)，接頭縫相互錯(cuò)開(kāi)100cm以上，焊接形成的結(jié)點(diǎn)為“T”字型，不得為“十”字型。焊接采用雙焊縫焊接，焊縫寬度為10mm，搭接寬度不小于10cm，焊縫間留有1cm的空腔。

3.3.4 土工布縫合?？p合前必須做好準(zhǔn)備工作，由于對(duì)縫合線的要求非常高，必須采用合適耐用的線繩?？p合時(shí)首先將上層土工布和中層土工膜向兩側(cè)翻疊，將底層土工布鋪平、搭接、對(duì)齊，再進(jìn)行縫合。土工布縫合采用手提縫包機(jī)，縫合時(shí)要控制針距連接面松緊適度、自然平順，土工膜與土工布聯(lián)合受力。上層土工布縫合方法與下層土工布縫合方法相同。

3.3.5 特殊部位施工方法。復(fù)合土工膜與墩、柱、墻等建筑物采用專用KS膠粘接，粘接寬度不小于設(shè)計(jì)要求，建筑物周圍復(fù)合土工膜充分松弛。為保證土工膜與建筑物粘結(jié)牢固，防水密封可靠，在對(duì)土工膜或墩柱涂膠之前，將涂膠基面清理干凈，保持干燥，涂膠時(shí)膠液均勻布滿粘結(jié)面，無(wú)過(guò)厚、漏涂現(xiàn)象。在粘結(jié)過(guò)程和粘結(jié)后2h內(nèi)，粘結(jié)面不得承受任何拉力，嚴(yán)禁粘結(jié)面發(fā)生錯(cuò)動(dòng)。

3.4 混凝土襯砌施工

土工膜鋪設(shè)驗(yàn)收合格后，開(kāi)始進(jìn)行軌道安裝。行走軌道采用8cm×8cm×5mm的方管，方管與方管采用承插式連接。軌道鋪設(shè)前首先進(jìn)行測(cè)量放線，在已澆筑的坡腳處設(shè)置控制樁，依據(jù)控制樁進(jìn)行人工掛線控制軌道底高程及軸線偏差。兩根軌道接頭部分高差最大不超過(guò)2mm，否則將影響整機(jī)的運(yùn)行。軌道的高程誤差控制在5mm以內(nèi)，允許軸線偏差0～20mm。在施工渠床整理過(guò)程中，要控制好基面高程及壓實(shí)度，以免出現(xiàn)部分下陷。

在混凝土澆筑前，測(cè)量人員配合現(xiàn)場(chǎng)施工人員及時(shí)校正軌道的平面位置及高程，并將襯砌機(jī)來(lái)回在軌道上行走幾次，再次校核對(duì)軌道板高程和基準(zhǔn)線位置，確保混凝土襯砌過(guò)程中軌道高程及襯砌機(jī)調(diào)整高度準(zhǔn)確。

布料前，試驗(yàn)員現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)混凝土拌和物的坍落度和含氣量，布料機(jī)入口處坍落度控制在50mm～70mm，這樣既能保證正常布料，又能保證不出現(xiàn)混凝土離淅現(xiàn)象。施工現(xiàn)場(chǎng)設(shè)專人指揮，布料前先用高壓水將布料輸送機(jī)濕潤(rùn)(但無(wú)流水)?；炷劣晒捃囘\(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)，經(jīng)渠坡混凝土皮帶輸送機(jī)輸送至水平皮帶機(jī)，再輸送至布料小車內(nèi)。用自動(dòng)系統(tǒng)控制布料小車沿機(jī)架行走進(jìn)行布料，布料小車通過(guò)安裝在主機(jī)架上的限位指針作為布料邊界，往返布料。布料同時(shí)運(yùn)行振搗平倉(cāng)裝置，進(jìn)行平倉(cāng)、壓實(shí)及振搗提漿作業(yè)。振搗器兩側(cè)的平料鏟，將布料不均勻的地方進(jìn)行補(bǔ)料刮平壓實(shí)，在混凝土面上往返刮平，振搗泛漿找平。襯砌機(jī)在混凝土料攤鋪的同時(shí)進(jìn)行混凝土料的平倉(cāng)及振搗，使混凝土一次成型。

3.5 壓面、抹光

布料后，進(jìn)行壓平提漿。根據(jù)混凝土面的軟硬程度，首次抹面、收平，進(jìn)一步提漿。采用雙盤(pán)油動(dòng)抹光機(jī)抹面，第一次抹面時(shí)需安裝抹盤(pán)，采用抹盤(pán)對(duì)襯砌混凝土面進(jìn)行平整和提漿，將裸露于表面的小石子壓入混凝土中。首次抹面時(shí)，混凝土表面較軟，要調(diào)整好抹盤(pán)位置。抹光機(jī)每次移動(dòng)間距為2/3圓盤(pán)直徑。根據(jù)澆筑時(shí)間、天氣狀況、濕度情況，第二次抹面開(kāi)始時(shí)間控制在第一次抹面15min～25min后進(jìn)行，第二次抹面仍需使用抹盤(pán)。抹面中隨時(shí)用2m靠尺檢查混凝土表面的平整度，調(diào)整抹面機(jī)高度及斜度，保證抹盤(pán)底面與襯砌設(shè)計(jì)頂面重合。最后采用手扶式電動(dòng)抹光機(jī)進(jìn)行壓光，表面壓光施工時(shí)，采用抹片抹面，以提高混凝土表面的光潔度。

壓光成面后，人工用鋼抹子對(duì)局部表面起泡、抹痕以及抹光機(jī)抹不到的部位進(jìn)行壓光收面。壓光收面由一側(cè)向另一側(cè)進(jìn)行，并采用全站儀及2m靠尺配合檢測(cè)，使混凝土表面平整度控制在8mm/2m，渠道縱坡控制在1/30000。

初凝前及時(shí)進(jìn)行壓光處理，清除表面氣泡，使混凝土表面平整、光滑、無(wú)抹痕。

3.6 面板養(yǎng)護(hù)

混凝土養(yǎng)護(hù)材料主要有土工布、塑料薄膜、草簾、棉被等?；炷恋酿B(yǎng)護(hù)根據(jù)施工技術(shù)規(guī)范要求進(jìn)行，采用塑料薄膜和草簾、土工布和草簾覆蓋，并用水桶灑水養(yǎng)護(hù)。每間隔50m配置一個(gè)大水桶，容積3m3，底部接塑料管道引水，并用閘閥控制。

3.7 施工質(zhì)量控制

3.7.1 厚度控制

襯砌厚度控制是由襯砌機(jī)的液壓升降支腿和內(nèi)置的模板進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，并定時(shí)檢測(cè)襯砌機(jī)主機(jī)架繞度，保證混凝土表面平整、均勻。

在襯砌過(guò)程中經(jīng)常檢查襯砌厚度，如厚度有誤差應(yīng)及時(shí)行調(diào)整。具體方法是，襯砌機(jī)在待襯砌段定位后，鋪料前沿布料機(jī)每隔2m用直尺檢查一點(diǎn)，確保厚度誤差在±5%以內(nèi)。

3.7.2 平整度控制

混凝土抹面壓光時(shí)，采用2m靠尺檢測(cè)平整度，應(yīng)控制在8mm/2m以內(nèi)，襯砌結(jié)束后用2m靠尺檢查，發(fā)現(xiàn)超限時(shí)及時(shí)人工抹面處理。

在施工過(guò)程中進(jìn)行了多次抽檢，結(jié)論見(jiàn)表2。

表2 關(guān)鍵項(xiàng)目質(zhì)量抽檢

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)項(xiàng)目部自行研究制造的渠道底板薄壁混凝土布料成型機(jī)，由移動(dòng)的桁架與混凝土的布料帶相結(jié)合而成，根據(jù)渠道邊坡及底板特點(diǎn)，由斜坡混凝土輸送機(jī)、渠底輸送機(jī)、布料小車、平料振搗雙向鏟組成的施工設(shè)備，集布料、平倉(cāng)、成型、振搗于一體，可滿足底寬為22.5m～24.5m的渠道底板一次襯砌成型。渠道襯砌機(jī)械化施工技術(shù)在本標(biāo)段渠道底板的成功應(yīng)用，為南水北調(diào)中線大型渠道底板混凝土襯砌發(fā)揮了積極作用，可為其它相應(yīng)溝渠底板襯砌施工提供借鑒。