隧道滑模施工水泥混凝土布料工藝

蔡正森，何 哲，侯子義

（1．河北工業(yè)大學(xué) 土木與交通學(xué)院，天津 300401；2．交通運輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088；3．道路結(jié)構(gòu)與材料交通行業(yè)重點實驗室（北京），北京100088）

0 引 言

隨著科技水平的提高和筑路工藝的日漸成熟，滑模施工技術(shù)已經(jīng)大量運用于水泥混凝土路面的施工中［1］。相較于人工鋪筑和三輥軸鋪筑，滑模施工振頻高［2］，施工穩(wěn)定性和均勻性好，能夠保證路面達到預(yù)期強度和平整度等指標的要求。采用滑模機械施工，具有生產(chǎn)效率高、施工效果好等優(yōu)點［3］；但在滑模攤鋪機的實際使用中，由于機器零部件磨損、變形和老化，以及施工人員缺乏規(guī)范化的操作，往往造成鋪筑的路面平整度差，嚴重影響水泥混凝土路面的使用性能［4］，在開放交通后可能導(dǎo)致車輛行駛時發(fā)生顛簸和跳車，從而造成交通事故。

雖然業(yè)內(nèi)關(guān)于施工中各個程序?qū)β访嫫秸染唧w的影響程度尚無定論，但總結(jié)滑模攤鋪機的工作發(fā)現(xiàn)，在實際施工中布料工藝的優(yōu)劣是影響施工均勻性和路面平整度的主要因素之一。目前對滑模施工的研究多注重于混凝土的狀態(tài)和施工機器的性能，對具體施工技術(shù)的細節(jié)研究不多；而由于布料機手操作不熟練造成布料不均勻而導(dǎo)致滑模機械停機等待的現(xiàn)象多次發(fā)生，嚴重影響滑模攤鋪施工的連續(xù)性，并對路面平整度造成不良影響。本文通過對滑模施工現(xiàn)場布料進行測量，查閱相關(guān)資料，對滑模施工中的布料工藝進行探究，尋找出科學(xué)合理的布料工法，為滑模攤鋪機連續(xù)施工并修筑出較高平整度的水泥混凝土路面提供參考。

1 滑模施工前期準備

1．1 滑模攤鋪機部分指標

本文的滑模施工采用美國產(chǎn)高馬科Gomaco GP－4000型滑模攤鋪機，攤鋪寬度為5～16m，現(xiàn)場實際攤鋪寬度為11m（扣除兩側(cè)各0．7m的基準帶寬）。攤鋪機構(gòu)件排布見圖1［5］。

圖1 滑模攤鋪機構(gòu)件排布

攤鋪設(shè)備的機械化、自動化程度對水泥混凝土路面的平整度有較大影響［6］。實踐證明，要使路面強度高且平整度好，保證滑模攤鋪機正常平穩(wěn)工作是關(guān)鍵。Gomaco GP－4000四履帶滑模攤鋪機配備5000系列攪龍計量板模具來控制料倉高度，左右螺旋布料器的轉(zhuǎn)向和速度均可以獨立控制。螺旋布料器的安裝高度通過路面的設(shè)計厚度確定，一般要求螺旋葉片的底部高出路面設(shè)計高度50～100mm，以減少螺旋布料器的阻力并保證足夠的預(yù)振實度。在布料時以松鋪高度正好接觸螺旋布料器底部或在底部稍有堆積為宜。未到達這個指標時應(yīng)及時補料或使用螺旋布料器及時分料。

1．2 后方混凝土產(chǎn)能

為了保證滑模攤鋪機在前場工作時的行進速度均勻，要求后場供料速度與攤鋪機對混凝土料的吞吐量相匹配。當后場供料速度大于前場混凝土的消耗速度時，攤鋪機前會有多輛混凝土運輸車等待卸料。由于水泥初凝可能使積壓的混凝土坍落度損失，出現(xiàn)發(fā)干、變硬、和易性變差等現(xiàn)象，也造成運輸車卸料困難。這種狀態(tài)的混凝土在后期施工中難以出漿或出漿量少，極易出現(xiàn)麻面現(xiàn)象［7－8］。當前場混凝土料的消耗量大于后場供料量時，會出現(xiàn)滑模攤鋪機停機等料的現(xiàn)象。經(jīng)實踐證明，滑模攤鋪機停機在混凝土面造成的壓痕對水泥混凝土路面滑模施工平整度影響最大。由于攤鋪機質(zhì)量大，人工很難修復(fù)壓痕或者幾乎不可能修復(fù)到平整狀態(tài)，因此務(wù)必避免停機等料現(xiàn)象出現(xiàn)。后場供料和前場消耗之間的關(guān)系可以通過式（1）和式（2）來進行估算。

式中：Q1為混凝土后場拌合樓產(chǎn)量；m1為每臺拌合樓每小時的產(chǎn)量；n1為拌合樓的數(shù)量；Q2為前場混凝土消耗量；L為攤鋪寬度；h為攤鋪厚度；v為攤鋪速度。

本文采用4臺山東建友水泥混凝土拌合樓供料，產(chǎn)能為201．6m3·h－1?；備仚C攤鋪時的行走速度控制在1．0m·min－1左右，施工厚度為0．3m，攤鋪寬度為11m［9］。后場供料稍大于前場消耗量，基本可以保證前場正常、連續(xù)施工。

2 布料控制指標

2．1 混凝土性質(zhì)要求

保證混凝土性質(zhì)穩(wěn)定是整個道路鋪筑成功的關(guān)鍵和前提?；炷猎谶\輸過程中會有坍落度損失，但應(yīng)控制在合理的范圍之內(nèi)［10］。具體可以從2個方面進行控制：第一，合理安排出料拌合樓位置，使混凝土的運距保持在1h的車程內(nèi)；第二，運距合理的前提下做好前期準備工作，選定符合規(guī)范要求的混凝土配合比［11］，并使用含有高品質(zhì)緩凝劑的減水劑，以保證混凝土坍落度損失不太大。具有良好工作性的混凝土（圖2（a））到場時坍落度在20～30mm范圍內(nèi)（圖2（b）），其最大的特點是和易性好，容易傾卸。這樣就節(jié)省了用鉤機在運輸車上挖料的時間，并且在滑模攤鋪機攤鋪時混凝土良好的工作性也能保證行進速度均勻，鋪筑的路面平整度好，不會出現(xiàn)麻面（麻面對混凝土路面平整度的影響為2～3mm）［12］。

為了得到性能優(yōu)良的混凝土，首先對混凝土的材料提出更高要求，其次是配合比設(shè)計務(wù)必符合規(guī)范要求。在拌合站供料穩(wěn)定后，工作人員應(yīng)繼續(xù)嚴格按照施工標準進行操作，防止因材料含水率變化造成混凝土狀態(tài)出現(xiàn)過大波動［13］。另外，對混凝土產(chǎn)能及運輸?shù)目刂仆瑯雍軜O其重要，如在施工過程中就曾因為混凝土運輸車在隧道內(nèi)發(fā)生爆胎事故，造成混凝土運輸車不能及時到達攤鋪現(xiàn)場，使大量混凝土積壓，后期施工時混凝土基本干硬，失去工作性，導(dǎo)致修筑的路面麻面現(xiàn)象嚴重，最后只能作為復(fù)合路段的基層使用。

圖2 狀態(tài)優(yōu)良的混凝土

2．2 混凝土松鋪高度控制

隧道滑模水泥混凝土施工一般是等混凝土到場傾卸后用鉤機對混凝土進行布料（即松鋪）。鉤機布料的方式有2種，即堆狀松鋪（圖3（a））和找平式松鋪（圖3（b））。堆狀松鋪時使用鉤機挖料堆積，呈現(xiàn)出不規(guī)則小堆狀表面。找平式松鋪是在堆狀松鋪后再使用鉤機鏟背部較平的面或爪對小堆進行找平，使整個松鋪面大致在一個平面上。在實際工程中，堆狀松鋪系數(shù)在1．17～1．50cm范圍內(nèi)（圖4（a）），雖然在鉤機布料時相對找平式布料速度有所增加，但大多數(shù)還要依靠后期滑模攤鋪機的螺旋布料器進行二次旋轉(zhuǎn)布料，因此使攤鋪速度下降。找平式布料由于在找平時已經(jīng)對混凝土料有一些預(yù)壓，因此松鋪系數(shù)在1．27cm左右（圖4（b）），雖然前期多一道找平的工序，但后期基本不用攤鋪機螺旋布料器二次布料。這樣可以保證攤鋪機正常工作時混凝土既能充分振實，又不會因虛方控制板集料太多而需要鉤機二次找平。

圖3 松鋪效果

經(jīng)過對現(xiàn)場施工的觀察和測量，松散布料高度控制在路面條帶（即路面設(shè)計標高）以上10～20cm范圍內(nèi)?，F(xiàn)場可以在鉤機布料完成后通過拉線測量布料效果，不滿足要求時鉤機手可及時進行調(diào)整，保證施工順利進行。

圖4 適宜松鋪高度

2．3 混凝土松鋪寬度控制

根據(jù)混凝土的狀態(tài)來定松鋪的寬度，在混凝土到場坍落度較大時，松鋪寬度距邊緣條帶約20cm即可（圖5），因為在攤鋪機振棒作用下流動性較好的混凝土?xí)詣犹畛渑c邊緣的空隙。當?shù)綀鎏涠容^小時，應(yīng)立即用鉤機松鋪布料，必要的時候使用攤鋪機上的高壓水槍對較干的混凝土霧化灑水，并且使布料寬度貼近條帶邊緣，從而保證整幅路面的密實度均勻。

圖5 松鋪后距邊條帶的空隙

2．4 混凝土松鋪長度控制

根據(jù)水分蒸發(fā)與比表面積之間的關(guān)系，混凝土堆積時的水分散失速度遠小于松鋪后［14］。因此，混凝土到場傾卸堆積后，如果不能在一定的時間內(nèi)進入鋪筑工序，會因水分散失造成坍落度損失過大，不宜進行松鋪。

為了保證滑模攤鋪機連續(xù)施工，應(yīng)對混凝土的松鋪長度提出要求。由于攤鋪機的前2個履帶輪可能會與正在進行布料的鉤機相互干擾，同時考慮到水分蒸發(fā)造成的坍落度損失過快，結(jié)合現(xiàn)場測量，要求混凝土松鋪最小長度為攤鋪機虛方控制板后4～5m，因攤鋪機履帶長度為3m，攤鋪機行走速度約為1m·min－1，故攤鋪機虛方控制板距松鋪邊緣4m（圖6（a））時攤鋪機必須停機等待布料。鑒于所使用的卡特320c型挖掘機最大挖掘半徑為9．7m，為了方便鉤機及時對擋板前料的松鋪高度進行調(diào)整，故建議現(xiàn)場最長布料長度為8～9m（圖6（b））。

圖6 松鋪最小長度和最大長度控制

2．5 到場混凝土堆積間距控制

混凝土到場后如果堆積間距不合理或堆積間距不均勻，會導(dǎo)致鉤機布料時布料厚度不均勻。堆積間距太遠（圖7（a）），會因為鉤機布料時找料造成布料速度下降，對施工進度產(chǎn)生不利影響；堆積間距太近（圖7（b）），鉤機活動空間受到“擠壓”，造成布料困難，出現(xiàn)鉤機碾壓混凝土料的現(xiàn)象。根據(jù)后場出料時每一車混凝土料的總量（設(shè)定為15方）以及路面攤鋪寬度（11m）和厚度（30cm），建議混凝土到場后堆積間距控制在4m左右。

圖7 混凝土到場堆積不合理導(dǎo)致布料困難

3 布料對混凝土路面平整度的影響

通過近百公里的滑模施工試驗研究和施工經(jīng)驗總結(jié)發(fā)現(xiàn)，影響平整度的因素存在于施工的各個環(huán)節(jié)和非施工的協(xié)調(diào)環(huán)節(jié)［15］?？偨Y(jié)來說可以分為人為因素、混凝土因素、施工環(huán)境因素和機械因素4種［16］。布料對混凝土路面平整度的影響也同樣受以上4種影響因素的綜合作用。為了定性研究布料對混凝土平整度的影響，現(xiàn)場分別記錄了一次未按照本文所提指標施工、攤鋪機多次停機等料的施工平整度結(jié)果，和一次基本按照本文所提指標進行布料、施工的平整度結(jié)果，并對比分析造成平整度差異的原因。

圖8 兩次施工平整度合格率對比

通過圖8的2次平整度檢查對比可以看出，按照本文的相關(guān)指標進行布料作業(yè)，路面平整度可以得到很大提高，合格率由68%提升到93%。分析原因為：首先，攤鋪機停機等料造成路面平整度變差；其次，由于沒有指導(dǎo)性的布料準則，加上布料機手經(jīng)驗不足，現(xiàn)場松鋪面很難保證均勻，在攤鋪機工作行進過程中不均勻的松鋪面在振搗和擠壓時使混凝土密實程度出現(xiàn)差異甚至產(chǎn)生局部離析現(xiàn)象，在后期硬化過程中由于表面不均勻收縮造成表面平整度差異；再次，布料缺乏標準，工作進行不順暢，對鉤機手、滑模攤鋪機手、收面工人等的心理均產(chǎn)生一定程度的影響，焦急的情緒下使員工對待工作往往草草了事，施工結(jié)果也就隨之不盡如人意；最后，對公路工程項目施工一味地靠以往的經(jīng)驗和現(xiàn)場摸索，而沒有積極總結(jié)分析各步驟的重要指標數(shù)據(jù)，很難達到良好的施工結(jié)果。因此，只有按照合理的指導(dǎo)準則進行施工作業(yè)，每個步驟都有章可循，最終的結(jié)果才不會太差，這也是現(xiàn)行施工技術(shù)細則存在的意義。

4 其他注意事項

（1）每次施工結(jié)束后務(wù)必對攤鋪機進行徹底清洗，并在下一次滑模攤鋪施工前對機械進行檢查，保證機械功能正常后方可開工使用。

（2）在布料時鉤機應(yīng)盡量不碾壓混凝土，特別是在調(diào)整已經(jīng)松鋪完成的松鋪面時［17］。

（3）鉤機至少配備2個大功率高亮度LED燈（圖9（a）），保證在隧道弱光線下鉤機手視線良好。

圖9 現(xiàn)場布料作業(yè)

（4）參與指揮卸料和鉤機布料的工作人員務(wù)必穿著反光背心（圖9（b）），并盡量與鉤機保持距離。

（5）現(xiàn)場試驗員必須及時了解到場混凝土料的狀態(tài)，如果出現(xiàn)“一車干一車稀”的不均勻現(xiàn)象，應(yīng)及時與鉤機手溝通進行調(diào)整，先用較干的料或者將2種料大致混合布料。

5 結(jié) 語

實踐證明，在滑模攤鋪施工中，布料質(zhì)量的好壞直接影響著攤鋪機的工作是否正常。規(guī)范化的布料可以提高效率，是攤鋪機正常連續(xù)工作的保證和前提。

（1）在研究布料工藝之前首先要對攤鋪機本身的性能有所熟悉，并在施工前按照機器出廠設(shè)定進行調(diào)試，對機器整體進行檢查，確保機器能正常穩(wěn)定運行。

（2）混凝土的性質(zhì)優(yōu)良與否是滑模攤鋪施工能否成功的前提，而要保證混凝土性能優(yōu)良不僅要重視材料、配合比等，還必須合理安排拌合場地，使后場拌合樓的產(chǎn)能與前場攤鋪機的消耗量相協(xié)調(diào)，并選定攤鋪機的大致行走速度，使之在合理的范圍之內(nèi)。另外，控制混凝土運輸車程在1h之內(nèi)也相當重要。

（3）混凝土到場后的松鋪不能僅依靠鉤機手的經(jīng)驗，通過檢驗混凝土到場狀態(tài)及對現(xiàn)場施工效果的總結(jié)，確定混凝土松鋪高度、松鋪寬度、松鋪長度、堆料間距等參數(shù)，保證滑模攤鋪施工連續(xù)進行。實踐證明，按照標準進行布料施工，可使混凝土平整度的合格率從68%提升到93%。

由此可見，布料工藝對工程施工效率和施工質(zhì)量都具有相當重要的影響，研究布料工藝也是對公路工程施工標準化和規(guī)范化的促進。

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