大口徑現(xiàn)澆暗渠施工機具的應(yīng)用及改進研究

徐 毅，高士佩，趙 鋼，王茂枚，蔣寶華

(1.江蘇省水利科學(xué)研究院，南京 210017；2.南通市清淤疏浚機械有限公司，江蘇 南通 226404)

0 引 言

低壓管道輸水灌溉技術(shù)不僅節(jié)水、節(jié)能，與其他灌溉技術(shù)相比，還具有以下優(yōu)點：可減少渠道占地，提高土地利用率；便于機耕和養(yǎng)護，耕作破壞和人為破壞大大減少；管道輸水速度明顯高于明渠，灌溉速度大大提高，可顯著提高灌水效率[1]。以管道代替明渠輸水，在灌區(qū)建立一個統(tǒng)一的輸配水管道網(wǎng)絡(luò)[2]，將是今后我國灌區(qū)進行技術(shù)改造的一個方向性節(jié)水技術(shù)措施。

目前低壓管道輸水應(yīng)用的管材種類很多，從材質(zhì)上分有地下瓦管、薄壁PVC管、預(yù)制混凝土管、現(xiàn)澆混凝土管等[3]。比較而言，現(xiàn)澆混凝土管的管道接頭少、整體性和穩(wěn)定性好、造價低、壽命長、便于維護，技術(shù)優(yōu)點突出，其能否得到大規(guī)模推廣應(yīng)用的關(guān)鍵在于是否具有技術(shù)先進、性能可靠、便于施工的管道現(xiàn)澆設(shè)備。在混凝土管道的現(xiàn)澆設(shè)備方面，美國、澳大利亞、德國等國家技術(shù)較為先進，先后研究出立式徑向擠壓法、立式振動法等工法和氣囊振動液壓成型等設(shè)備，并廣泛應(yīng)用于城鎮(zhèn)建設(shè)、工礦企業(yè)建設(shè)及農(nóng)田水利建設(shè)中，取得了良好的效益[4]。我國在20世紀(jì)90年代先后引進了上述工法和設(shè)備，并在大型長距離鋼筋混凝土輸水暗渠工程中研制出了鋼模臺車等大型現(xiàn)澆設(shè)備[5]。但是這些工法、設(shè)備生產(chǎn)成本較高，目前主要應(yīng)用于工業(yè)、城建行業(yè)或是國家級大型重點工程，對于經(jīng)濟基礎(chǔ)薄弱的廣大農(nóng)村地區(qū)并不具備大量推廣的條件。因地制宜地發(fā)展經(jīng)濟合理的現(xiàn)澆混凝土管道技術(shù)，才是符合我國農(nóng)村經(jīng)濟狀況的選擇。在這方面，我國一些地區(qū)在20世紀(jì)90年代分別研制出了針對農(nóng)業(yè)管道灌溉的現(xiàn)澆混凝土管道施工機具，例如河南許昌地區(qū)研制的WD-Ⅱ型制鋪機以及內(nèi)襯塑膜外包圬工材料管施工技術(shù)[6]，山東肥城地區(qū)研制的電動滑模二次成型現(xiàn)澆管施工機具等，初步填補了我國在這一方面的施工技術(shù)空白，實現(xiàn)了現(xiàn)場連續(xù)制管工藝過程[7]。但上述技術(shù)主要適用于內(nèi)徑400 mm及以下尺寸的小管徑管道澆筑，對于灌溉支渠、斗渠需要的大口徑管道澆筑則并不適用。

針對大口徑現(xiàn)澆暗渠施工機具的研制需要，同時考慮機具的制造成本和施工效率，筆者單位在生產(chǎn)實踐中先后研制出牽引滑模式大口徑暗渠施工機具及在其基礎(chǔ)上改進的自行走滑模式大口徑暗渠施工機具。

1 牽引滑模式大口徑暗渠施工機具

1.1 成管斷面設(shè)計

參照江蘇南通地區(qū)小型灌區(qū)支渠設(shè)計流量范圍1.0～1.5 m3/s、斗渠設(shè)計流量范圍0.5～1.0 m3/s，研制的大口徑現(xiàn)澆暗渠施工機具滑模成管斷面面積在0.5～1.5 m2之間，根據(jù)不同灌溉要求采用不同的斷面規(guī)格。考慮到本次研制的現(xiàn)澆暗渠機具澆筑的是素混凝土管道，管道結(jié)構(gòu)的抗拉強度相對較低，為提高管道的受力承載特性，將管道斷面形式由傳統(tǒng)的圓形改為豎橢圓形。管道設(shè)計成管參數(shù)見表1。

1.2 機具構(gòu)造

牽引滑模式大口徑現(xiàn)澆暗渠施工機具由上半滑模、下半滑模和牽引裝置三大部分組成(圖1)，主要部件有：導(dǎo)向機構(gòu)-成型導(dǎo)向段，用以控制管道成型的方向和內(nèi)模的位置；振動部分-振實成型段，是安裝振動器的模板，上半滑模是管道外模，下半滑模是管道內(nèi)模，尺寸形狀和需要澆筑的管道斷面相同；喂料機構(gòu)-包括漏斗和分料格板，將混凝土送至模具周緣部位；收面部分-抹光段，收抹成型的管道表面使之平滑，模具上設(shè)置的配重塊起到協(xié)助使?jié)仓幕炷帘砻鎵簩嵤掌降淖饔?；?lián)接部分-主機架，將上述各部分聯(lián)接為整體；牽引裝置-慢速卷揚機或絞盤。

表1 牽引滑模式大口徑暗渠施工機具的主要技術(shù)參數(shù)

1-下半滑模加料斗；2-下半滑模配重塊；3-下半滑模抹光段；4-下半滑模振實成型段；5-下半滑模成型導(dǎo)向段；6-上半滑模加料斗；7-上半滑模振動器；8-上半滑模配重塊；9-上半滑模抹光段；10-上半滑模振實成型段；11-上半滑模成型導(dǎo)向段；12-輪軸；13-滾輪；14-槽鋼軌道；15-下半滑模振動器；16-下半滑模內(nèi)模；17-下半滑模外擋板；18-下半管；19-上半管；20-氣囊；21-空氣；22-小跑車圖1 牽引滑模式大口徑暗渠施工機具構(gòu)造

1.3 機具工作原理

利用機具振實成型段的振動，在機具行進過程中對喂入的混凝土拌和物邊造型、邊振實。振實成型段上的振動器根據(jù)機具行進速度、混凝土振動密實所必須的振動時間和振動力來配置，在構(gòu)造上能夠保證澆筑厚度的均一和避免機具的漂浮移位。使用時將機具安裝于開挖好的暗渠基槽內(nèi)，將配制好的混凝土通過喂料機構(gòu)連續(xù)輸入機具滑模，通過振動將混凝土振實成型為管道，通過牽引裝置連續(xù)前移機具，達到連續(xù)澆筑管道的目的。本機具澆筑暗渠管道是兩次成型，先澆筑下半管再澆筑上半管，從而形成混凝土管道暗渠。為了提高管道澆筑成型的質(zhì)量，特別是上半管的澆筑質(zhì)量，從受力角度考慮，先澆的下半管為成型管道的一大半，矢高約占全斷面的3/5，后澆的上半管占成型管道的一小半；待下半管混凝土經(jīng)初步凝固養(yǎng)護具備一定強度后，再澆筑上半管，上下半管澆筑面之間抹漿處理；為減少出現(xiàn)裂縫的可能，每隔20 m設(shè)一道寬約80 cm的微膨脹混凝土帶。

與施工機具配套的還有預(yù)先制作好的定型模具-拉模器。在管道澆筑前，開挖好的施工基槽已通過拉模器預(yù)拉成型，其形狀尺寸與下半管的外表面一致。澆筑下半管時，施工基槽內(nèi)表面就起到了澆筑下半管的外模作用；而上半管則是采用氣囊內(nèi)模襯于上半滑模下方完成澆筑，并設(shè)有小跑車用于氣囊內(nèi)模的支托和前進移位，見圖1。

1.4 其他技術(shù)參數(shù)

根據(jù)不同暗渠成管規(guī)格，對機具配用不同數(shù)量及功率的振動器，以確保不同規(guī)格管道的混凝土密實度均能達到要求，見表1。

1.5 機具施工流程

1.5.1 基槽開挖。

由于開挖好的基槽面直接作為澆筑下半管的外模，因此對基槽開挖的要求較高，具體要求是：渠線端直，斷面標(biāo)準(zhǔn)，誤差不超過0.5cm，嚴(yán)格防止超挖或欠挖。開挖基槽的步驟一般分為取大土和修整土槽兩步。具體步驟如下：

(1)定好渠線中心樁，測量好高程，按暗渠尺寸灑好兩側(cè)灰線。

(2)先粗挖，取槽內(nèi)大土，將中心樁移到渠底，重新測量高程。

(3)修整土槽。該工序應(yīng)由具備一定操作技術(shù)的人員承擔(dān)。按標(biāo)準(zhǔn)斷面制作拉模器，在兩標(biāo)準(zhǔn)斷面間拉緊線繩水平移動，邊移動邊削取余土，沿線檢查基面是否合乎標(biāo)準(zhǔn)，反復(fù)修整，直至完全符合要求。

土槽開好后，應(yīng)經(jīng)過檢查驗收，方能進行混凝土管道澆筑工序，檢查的內(nèi)容包括：渠底高程復(fù)測；不合格的應(yīng)即補修。超挖過大的，可用草泥補填。如遇軟基、坑穴、石塊等，必須挖除后回填優(yōu)質(zhì)土并夯實，確保渠槽光滑、規(guī)則后，再將拉模器向前拉動，切削下塊渠槽。

1.5.2 管道澆筑

(1)管道要求采用C25混凝土澆筑，混凝土水灰比控制在0.55～0.6，坍落度6～8 cm。

(2)滑模吊入基槽就位，用水平尺和鉛垂線分別校正其水平度和垂直度；開啟機具，將配制好的混凝土通過喂料機構(gòu)連續(xù)輸入下半滑模，通過振動將混凝土振實成型為管道，通過牽引裝置連續(xù)前移機具，首先澆筑完成下半管。

(3)對澆筑完成的下半管進行養(yǎng)護，局部人工整修，同時氣囊內(nèi)模及小跑車就位。

(4)上半滑模就位，對上、下半管結(jié)合面抹漿，開啟機具，連續(xù)澆筑完成上半管。

(5)上半管養(yǎng)護6～8 h，移除上半管氣囊內(nèi)模，暗渠管道澆筑完成。

1.5.3 土方回填

暗渠管道兩側(cè)同時回填土。填土應(yīng)分層夯實，每層填土厚度不超過30 cm，填土干密度不小于1 550 kg/m3。

2 自行走滑模式大口徑暗渠施工機具

2.1 滑模的改進研究

在施工實踐中發(fā)現(xiàn)，牽引滑模式大口徑暗渠施工機具存在兩處明顯的不足：一是機具的自動化程度較低，機具在澆筑施工中必須通過卷揚機或絞盤等外部牽引或輔助驅(qū)動裝置牽引行進，操作不夠簡便；二是在澆筑成管斷面規(guī)格100 cm×130 cm及以上的壁厚較大管道時，即使在表1技術(shù)參數(shù)中配用振動器的基礎(chǔ)上再增加內(nèi)模表面的振動器數(shù)量及功率，混凝土的振動密實度已不能有效提高，管道取樣的最大密度值維持在2 320 kg/m3以下。因此，在對機具系統(tǒng)改進時，對原有的牽引滑模進行了針對性的改進：一是改進機具的動力裝置，在滑模上增加柴油發(fā)電機組和液壓電氣系統(tǒng)，使滑模自帶動力系統(tǒng)、在施工中自行走，取消卷揚機或絞盤等外部牽引或輔助驅(qū)動裝置，從而減少對外接動力電源的依賴，提高機具本身操作的簡便性；二是利用液壓系統(tǒng)操縱活塞擠壓模具內(nèi)的混凝土，通過澆筑成型過程中機具對管道混凝土擠壓程度的增加來提高混凝土澆筑的密實程度、進而提高管道強度。通過上述兩點改進綜合，形成自帶動力系統(tǒng)、依靠反推力行進的自行走滑模式大口徑暗渠施工機具。

2.2 改進后的機具構(gòu)造

如圖2所示，改進后的自行走滑模式大口徑暗渠施工機具主要由三大部分組成。

(1)柴油發(fā)電機組。主要由一臺S1105(11 kW)柴油機和一臺10 kW發(fā)電機組成。

( 2)液壓電氣系統(tǒng)。主要由一個液壓站(包括一臺4 kW電機和一個16 MPa齒輪泵，液壓閥、管路等)和一個電氣控制柜組成。

(3)成型模具，分上半和下半滑模。上、下半滑模外模、內(nèi)模、導(dǎo)向柱、活塞、振動泵、油泵、加料斗等組成。

2.3 改進后的機具工作原理

改進后的自行走滑模式大口徑暗渠機具增加了柴油機、發(fā)電機，形成自帶動力系統(tǒng)，通過電器柜、液壓站操縱油缸進行工作。在暗渠管道的澆筑施工中，機具通過高壓油缸的往復(fù)行走帶動活塞來增加對混凝土拌和物的擠壓程度，混凝土密實成型由原來僅依靠振動密實變?yōu)閿D壓、振動雙重作用密實；利用活塞擠壓混凝土形成的反力，實現(xiàn)機具在施工中的自行進，操作的簡易性和效率明顯提高。

1-柴油機；2-發(fā)電機；3-加料斗；4-液壓站；5-電氣柜；6-滑模外擋板；7-油缸；8-導(dǎo)柱；9-活塞；10-振動器；11-上半滑模外模；12-下半滑模內(nèi)模圖2 自行走滑模式大口徑暗渠施工機具構(gòu)造

3 兩代機具的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)比較

3.1 技術(shù)指標(biāo)

(1)管道混凝土的密實度及強度。為分析機具改進對管道混凝土密實成型效果的影響，分別選取由不同機具澆筑成型的暗渠管道并取樣，通過分析取樣的密度指標(biāo)來比較管道混凝土的密實度、通過回彈儀現(xiàn)場檢測強度來比較管道混凝土的抗壓強度，數(shù)據(jù)對比見表2。

表2 不同機具成型的管道混凝土參數(shù)

從表2可見，由于改進后的自行走滑模式大口徑暗渠機具對混凝土密實成型由原來僅依靠振動密實變?yōu)閿D壓、振動雙重作用密實，由其澆筑成型的管道混凝土密度指標(biāo)平均提高了約5.4%、強度指標(biāo)平均提高了約9.7%，可見改進后的機具成管質(zhì)量有明顯提高。

(2)機具的施工效率。施工應(yīng)用表明，牽引滑模式大口徑暗渠施工機具的平均澆筑速度在0.5 m/min左右，而自行走滑模式機具由于采用了液壓電氣系統(tǒng)，平均澆筑速度提高至0.6 m/min左右；同時，由于自行走滑模式暗渠機具取消卷揚機或絞盤等外部牽引及輔助驅(qū)動裝置，節(jié)省了牽引裝置的移位調(diào)整時間，因此實際施工效率提高約25%。

3.2 經(jīng)濟指標(biāo)

以成管規(guī)格為70 cm×90 cm×8.5cm的機具為例，牽引滑模式機具的制造成本在4萬元左右，自行走滑模式機具增加了柴油機、發(fā)電機、電器柜、液壓站等設(shè)施，制造成本增加約1.5萬元，制造成本增加了約38%；自行走滑模式機具由于設(shè)備重量的增加，施工能耗增加了約10%。但總體上看，由于自行走滑模式機具的自動化程度較高，可節(jié)省施工中的人力成本，同時成管質(zhì)量及施工效率均優(yōu)于牽引滑模式機具，因此其總體經(jīng)濟指標(biāo)優(yōu)于牽引滑模式機具。

4 結(jié) 語

本文針對大口徑現(xiàn)澆暗渠的施工需要，研制了采用豎橢圓斷面形式的牽引滑模式大口徑暗渠施工機具，并在其基礎(chǔ)上進一步改進，形成自帶動力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)的自行走滑模式大口徑暗渠施工機具，利用活塞擠壓混凝土形成的反力，實現(xiàn)了機具在施工中的自行進；混凝土密實成型由原來僅依靠振動密實變?yōu)閿D壓、振動雙重作用密實，提高了密實度和澆筑質(zhì)量。經(jīng)過實際應(yīng)用中對兩代機具的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)比較分析，改進后的自行走滑模式大口徑暗渠施工機具在技術(shù)指標(biāo)和總體經(jīng)濟指標(biāo)上均優(yōu)于牽引滑模式大口徑暗渠施工機具。

本文提出的大口徑現(xiàn)澆暗渠施工機具仍然是管道兩次澆筑成型，如施工控制不當(dāng)，有可能造成管道特別是上、下半管接澆處的強度不均勻等問題，此外機具的總體自動化程度也偏低。將機具進一步改進為管道一次澆筑成型，并增加機具削土成槽功能及提高機具導(dǎo)向控制的精確性，將是今后主要研究的方向。

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