南水北调中线工程安阳段渠道底板衬砌实现方案探索

2010-08-15杜军民南水北调中线工程建设管理局安阳段建管处

河南水利与南水北调 2010年3期

□杜军民(南水北调中线工程建设管理局安阳段建管处)

□王培萍（郑州大学）

按照南水北调中线一期工程总干渠安阳段渠道断面设计，在宽度18.5m、平均深度达到9m的渠道内，工程具有超长、超深运送混凝土，底面高程高精度的特点。如何高效地进行工程施工，并且高精度地保证渠道1/28000纵向坡降，是一个不小的难题。实践中，中国水利水电第十一工程局承建的第五施工标段最先进行工程实施，一项项探索研究，创新尝试，取得了成功。

安阳段是南水北调中线一期工程总干渠Ⅳ渠段（黄河北～漳河南段）的组成部分，位于该渠段的末端，是中线工程河南段除穿黄工程外的首开工程。全渠段总长40.262km，其中渠道长度39.299km。渠线穿越大小河流19条，沿线共布置各类交叉建筑物76座。

一、渠道底板结构设计特点

渠道采用明渠设计，梯形断面，型式为上口宽52.6～54.1m，底宽17～18.5m，边坡1：2，渠深8.9m，坡面长20m。正常水深7m，加大水深7.384m。渠道底板结构型式自下而上为：土基面、5cm粗砂垫层、2cm厚的保温板、防渗复合土工膜、8cm厚混凝土面层；渠道衬砌混凝土面板全部采用4m×4m分缝设计，底板纵缝全部是通缝设置，横缝依次为半缝、通缝、半缝……，交叉布置，缝宽统一为2cm，半缝深度统一为6cm，通缝深度底板8cm；渠道纵向坡降为1/28000。

二、渠道底板施工的技术难点

渠道底板施工属于平面作业，难度相对坡面施工较易实现。但由于是在平均约9m深的渠道内施工，且渠道流水完全依靠自流，1/28000的纵坡坡比要求施工精度很高。同时渠道衬砌在安阳段是第一次实施，可供借鉴的经验、成熟机械设备不多，施工方法及工艺需要摸索。

主要的技术难点可以归纳为：如何达到设计要求的5cm粗砂垫层0.7相对密度指标；如何实现渠底衬砌混凝土的布料、振捣；如何实现渠底衬砌混凝土面板的2cm缝宽切割；如何控制渠底纵向坡降；什么样的施工方法和工艺可以保证工程质量，并适合于推广应用。

三、机械组合方案比选

（一）渠道衬砌粗砂垫层（5cm厚）机械组合方案

粗砂垫层从一级马道顺坡面运送明显不经济，不考虑。基于渠道底板土基大多是原状土，重型车辆在上面行走会对其产生较大扰动，不利于保证工程质量，选用1～3辆农用三轮运输车辆（每辆装载0.5～2m3），直接把粗砂运送到施工面上，然后人工摊铺精平并用机械雾化补水方式调节含水率，最后用专门加工的平板振动器实现压实。

（二）渠道底板混凝土（8cm厚）衬砌机械组合方案

工序进行到混凝土施工时，渠底已完成粗砂垫层、保温板和防渗复合土工膜作业，混凝土运输车辆不能在上面行走。采用吊车吊运混凝土、混凝土输送泵泵送混凝土、改装大型渠道坡面衬砌机摊铺混凝土等方式，成本均较高，不在选择之列。而混凝土搅拌运输车运送混凝土，选用加工的简易“U”型溜槽或胶带运输机完成坡面混凝土运送，在渠道底面上加工胶带式布料机实现水平运送和摊铺，加工平板振动器或振动梁完成混凝土振捣方式均可行。在1：2的坡面上，“U”型溜槽可以实现混凝土自流，较胶带运输机简单、经济；平板振动器简单但不容易控制平整度，振动梁相比效果更好；简易辊杠辅助精平；用手扶式电动磨光机及人工配合可以实现收光。

综上分析，确定如下机械组合方案：混凝土搅拌运输车运送到一级马道上，“U”型溜槽完成坡面混凝土运送，胶带式布料机实现水平运送和摊铺，振动梁振捣混凝土，简易辊杠辅助精平，手扶式电动磨光机及人工配合收光。

四、主要机械设计加工参数

（一）粗砂垫层平板振动器参数

电机：1.5kW振动电机（振动频率48Hz）；平板托盘：60cm宽、100cm长、5mm厚普通钢板加筋。

（二）“U”型溜槽参数

“U”型溜槽总长20m，设置两个行走装置，一个在一级马道上，方形框架型式，其下部安装4个轮子，其中一个轮子连接电机，作为行走的动力；中间部位，安装一个简易独轮行走装置，一方面作为支撑以防止溜槽变形，另一方面可以滑动行走；底部固定在胶带布料机上，随布料机一起行走。主框架采用方形桁架结构，断面尺寸：30cm高，58cm宽；“U”型溜槽安放在框架内，采用1mm厚钢板弯曲而成，上口50cm宽，槽深20cm。

（三）胶带式布料机参数

主框架采用方形桁架拼接结构，总长18.5m。断面尺寸：80cm高，100cm宽；传送皮带安放在上半部，顶面在桁架上，底面在桁架内，靠设置的电机带动圆滚转动，形成皮带行走的动力。皮带宽100cm，厚6cm，槽深10cm；传送皮带依靠设置在桁架顶部的两侧倾斜转动轴及水平转动轴滑动。在皮带顶部，设置一套可以沿桁架行走的横跨截料装置，通过控制按钮实现混凝土沿桁架水平方向的任意位置布料。

（四）振动梁参数

电机：2.2kW振动电机（振动频率48Hz）;振动梁框架尺寸：8cm标准槽钢型材，450cm长、24cm宽、8cm高。

五、工程实体试验

经过充分准备，原材料、混凝土配合比调试、平板振动器加工、溜槽及胶带布料机设计加工、安装调试、人员培训、方案讨论细化等完成后，于2008年10月25日至11月10日进行工程实体试验。

（一）实施渠道衬砌粗砂垫层（5cm厚）机械组合方案

小吨位的农用三轮车，由于自重及装载的粗砂（天然河砂，0.5～2m3）重量较轻，碾压在渠底土基上，没有痕迹，不影响土体整体结构，运送速度完全满足生产需要。平板振动器在虚铺厚度为6.5cm，含水率在8%～10%，人工拖动振动碾压3～4遍，重叠10cm宽，行走速度2～3m/min，检测出的粗砂垫层厚度、平整度、相对密度等主控指标全部满足设计和规程要求。

（二）实施渠道底板混凝土（8cm厚）衬砌机械组合方案

以拌和楼出机口的混凝土坍落度为7cm，混凝土搅拌运输车运输到施工现场出料口的坍落度为6～6.5cm，可以均匀自动的通过“U”型溜槽，没有堵料和外溢情况。胶带布料机通过截料口可以均匀的把混凝土摊铺于作业面上，通过人工配合，模板四周的填料密实。按虚铺9.2cm摊铺混凝土，人工拖动振动梁，1～2m/min速度行走，振捣后的混凝土表面外观平整、浆液充盈、没有露石现象；行走中，振动梁前侧也没有人工清理堵料情况。两个人手工拖动简易辊杠，精平效果理想。用手扶式电动磨光机及人工配合方式，施工后的混凝土表面光滑平整。工程检验钻取的芯样密实，几乎没有气泡；厚度达到设计要求，平整度、高程等指标，符合设计和规程要求，效果理想。

六、最佳机械组合

（一）渠道衬砌粗砂垫层（5cm厚）机械组合

一台人工拖动式压实装置：1.5kW平板振动器；1～3辆农用三轮车。

（二）渠道底板混凝土（8cm厚）衬砌机械组合

2～3辆6～8m3混凝土搅拌运输车；一个自动行走桁架式“U”型溜槽；一台自动行走桁架式胶带布料机；一个4.5m长振动梁；一个简易辊杠；1～2台手扶式电动磨光机。

七、大面积应用效果

设计加工的平板振动器，使用简单、经济有效、经久耐用，在粗砂垫层的施工过程中，累计检测的数据全部合格，成功地解决了超薄渠道衬砌粗砂垫层（5cm厚）的压实技术难题；溜槽和胶带布料系统，通过自动行走移位，成功解决了超深（垂直9m）、较宽（直线36.3m）、渠道薄壁（8cm厚）混凝土衬砌的布料问题。省去了改造大型渠道衬砌机所需的较大投资。速度快，正常情况下，1d可以完成40～60m施工；设计加工的振动梁，尽管增加了立模板的次数，但减少了机械切割时间，更为重要的是，通过每4m立模板过程的检验，加大了高程的检测频率，有效保证了渠道1/28000的纵向坡降的高精度渠底高程要求。同时，由于振动梁的振捣效率高，施工完成的混凝土质量甚至超过了价格昂贵的大型渠道衬砌机施工的效果，并且经济耐用。

八、溜槽传送、胶带布料机设备的使用方法及施工工艺

（一）使用方法

第一，要经常检查移动式标准配电箱，特别是漏电断路器，确保其灵敏有效。第二，经常检查电源线路是否有磨破或断线，确保用电安全。第三，要经常检查胶带布料机的皮带系统，发现磨损后及时修补或更换。第四，经常检查作为行走基础的轮胎，保证平衡行走。第五，经常检查“U”型溜槽和胶带布料机的连接，发现松动后及时紧固。第六，定期检查“U”型溜槽，若发现磨损漏浆，及时更换或修补，避免污染坡面混凝土。第七，每次使用后注意保养，溜槽内的混凝土浆液必须及时冲洗干净，严禁形成干渣，影响混凝土的自由流动。第八，使用时通过按钮同时启动分别设置在溜槽顶部、胶带布料机的两个轮部位置的3个电机，使溜槽和胶带布料机同时移位，使系统整体到达施工仓面内；当混凝土进入溜槽后，及时开动胶带布料机的动力系统，确保混凝土能及时通过胶带传送到施工仓面内。第九，为了防止混凝土通过截料口流到仓面外，布料时尽量不要靠近模板边缘，通过人工辅助的方式解决模板边角位置的布料和摊铺。第十，布料完成后，要把此系统移到仓面外，以方便振动梁的施工。

（二）施工工艺

1.渠底修整

用挖掘机和自卸汽车倒退法挖除渠底多余的土方，最后预留的5～10cm保护层由人工精细清理，做到清理后的平整度误差≤2cm/2m。按设计规定的位置和尺寸，开挖排水软管沟，并安放排水软管。

2.粗砂垫层（5cm厚）铺设

垫层粗砂料选用满足设计要求的河砂，含水率控制在8%～10%左右为标准。用农用三轮车（装载0.5～2m3）直接运送到渠底基面上，先专门填压排水软管沟，再人工摊铺精平。整平后检测粗砂含水率，含水率不足既定值时，采用机械喷雾方式补充水分，直至达到压实的最佳含水率。人工拖动平板振动器碾压3～4遍，即可达到设计压实度。压实后的粗砂垫层表面平整度达到设计要求并≤1cm/2m。

3.保温板铺设

缺角、断裂、尺寸不够、局部凹陷等不符合规范要求的保温板不用于本工程。铺设前对每张保温板进行浸水处理，以利于和砂垫层及土工布结合，采用错缝方式铺设，用10cm长竹签对4角进行固定，竹签顶端略低于保温板，以＜2～3mm为宜。

4.防渗膜铺设

铺设的防渗膜做到自然松弛，与基面贴实，无褶皱现象。搭接部位做到上、下层土工布搭接长度20cm，防渗膜之间采用自动调温（调速）电热楔式双道塑料热合机焊接，焊接宽度10cm，土工布采用手提式工业缝包机缝合。焊接后充彩色水并加压，做到无渗漏现象。同时铺设期间所有的防渗膜均用沙袋或软性重物压住，直至保护层施工完为止。

5.混凝土浇筑

（1）立模板。为提高控制精度，渠底横缝全部采用通缝施工，每4m立一道模板，一次立8～10道，跳仓作业。模板采用8cm标准槽钢，并在槽钢靠近地面一侧腿上每1.5m焊接一个φ10“U”型钢筋托手（30cm×20cm），安装后上压砂袋用于固定模板；加工一定数量的方木（6cm×9cm×400cm）做支撑，每1.5m设置一道。模板固定靠压在“U”钢筋托手上的砂袋、方木的固定支撑实现。每次浇筑前测量及质检人员严格按3等水准标准检验模板高程，并作固定简易标志，合格后报请监理工程师验收。施工中，专门安排一名测量人员用高精度水准仪按固定的简易标志检查模板高程，发现偏差后及时调整，严格过程控制。

（2）机械设置及调试。打开控制按钮，使胶带布料机及桁架式“U”型溜槽行走，以截料口位于浇筑仓面内为准。开动胶带布料机，检验是否运转正常，发现异常后，及时检修。

（3）混凝土布料。用JCQ8搅拌运输车把混凝土运送到一级马道上，专人负责指挥布料。把搅拌运输车出料口对准溜槽，混凝土沿“U”槽靠重力流动到渠底的胶带布料机上，利用截料口实现混凝土在底板仓面上的均匀布料。混凝土采用二级配骨料，现场混凝土坍落度控制在5～7cm。按试验数据，控制混凝土的虚铺厚度为9.2cm，靠人工填补模板边角部位，并均匀平整。

（4）混凝土振捣。利用专门加工的振动梁，人工缓慢拖动，确保振捣过的混凝土表面浆液均匀且无露石现象。振捣过程中，人工随时补充低洼处的混凝土，并注意清理振动梁前面多余的堆积料。

（5）抹面压光。振动梁振捣后，简易辊杠进行精平，然后用手扶式电动真空提浆机提浆磨光，最后人工收面抹光。振动梁振捣过的混凝土表面，局部不平整的地方用专门加工的简易辊杠均匀拖动。手扶式电动真空提浆机进一步全面提浆后，等待收面时机。当手压混凝土表面发硬时，人工用铁抹子完成收面压光。渠底高程控制在-10～0mm。

6.伸缩缝切割

渠道底板施工因采用每4m宽立模板调仓作业法，横缝全部可以通过施工缝实现，不需要切割。纵缝通缝采取在混凝土底部预埋粘贴于土工布上的2cm厚×3.5cm宽闭孔泡沫板方式实现，避免切割时穿透土工布或切割深度不到位情况。切割机采用三片组合锯片形式。

切缝时间以混凝土浇筑后的平均气温与混凝土浇筑后时间间隔的乘积300～400℃·h（即混凝土强度5MPa～8MPa）进行控制，在此区间内完成切割。如混凝土切割时间过早，容易使混凝土崩块掉角；切割时间过晚，混凝土容易产生裂缝。所以，控制好混凝土的切割时间尤为重要。

7.混凝土养护

混凝土养护分两个阶段进行。终凝前，在干旱、多风、日晒的天气采用喷雾器不间断喷雾养护；终凝后采用土工布覆盖洒水养护，当施工期间出现低温或负温天气时，采用土工布上加塑料布进行覆盖保温。湿润养护期≥28d。

8.伸缩缝填塞

清缝前检查伸缩缝的深度和宽度，伸缩缝应底部平坦、宽度均匀一致。清缝时用高压水枪从一个方向清洗，做到彻底清除缝内的浮浆、碎渣等杂质，做到缝壁干净、干燥。把聚乙烯闭孔泡沫板用专用工具压入缝内，均匀、密实、连续，并保证上层填充密封胶的设计深度（2cm）。为保证线条均一美观，注胶前先用纸质胶带在缝两侧贴出两条线，以防污染基面，注胶完成后，再将胶带揭除。