大型渠道薄壁混凝土快速衬砌施工技术研究

□余良碧 □孟庆亮（中国水利水电第十一工程局有限公司）

1.前言

中国水利水电第十一工程局有限公司作为率先进入南水北调中线工程总干渠施工的承包商，也是最先开展总干渠过水断面大面积薄壁混凝土衬砌施工的单位。工程所在地总干渠过水断面采用梯形断面，整个过水断面采用现浇混凝土衬砌。渠底宽度为21 m，两侧渠坡衬砌坡长度为22～27 m,衬砌坡长为21.98 m，边坡系数3.0，渠道内过水深度约为5 m，设计流量为150～170 m3/s。渠道断面结构为：渠坡和渠底顶部15 cm厚的素混凝土衬砌板，衬砌板下铺二布一膜的复合土工膜防渗层，防渗层下面铺设有20～35cm厚砂砾料保温层或3～5cm厚聚苯乙烯泡沫保温板，保温板底部为渠道开挖的建基面。渠道结构典型断面见图1。

图1 渠道结构典型断面图

针对总干渠渠道工程结构断面尺寸大、素混凝土薄壁结构、混凝土衬砌板抗裂减糙要求高、衬砌板底部加强防渗层和保温层设计新颖等特点。如何进行大面积渠坡、渠底混凝土布料及连续浇筑，如何确保大面积现浇衬砌板的施工质量稳定，如何有效保护衬砌板底部的加强防渗层和保温层，如何在有效工期内又好又快的完成渠道混凝土衬砌施工等问题，成为困扰渠道施工的难题。在没有成套施工设备和成熟施工经验的条件下，公司依托承建项目自主开展了振碾试渠道衬砌机研制，并围绕着衬砌机的应用展开了特大型渠道薄壁混凝土快速衬砌施工技术研究。

2.振碾式渠道混凝土衬砌机的施工原理及设计指标

2.1 衬砌机施工原理

振碾式渠道混凝土衬砌机是以一个大跨度的钢构桁架为主体，桁架本身自带行走装置，通过安装在桁架上的上、下行走小车即布料小车和衬砌小车，分别完成渠道混凝土衬砌过程中的布料、摊铺、振捣和整平。布料小车和衬砌小车分别以桁架龙骨作为轨道，自带钢丝绳牵引行走装置。主梁上部布料小车装有挡料刮板和下料斗，负责从混凝土传送皮带上分取混凝土料进行布料；主梁下部衬砌小车装有搅笼、排振梁和压光碾，负责混凝土的摊铺、振捣和碾压整平。布料小车和衬砌小车同时作业，可同时完成布料、摊铺、振捣和碾压整平过程。通过上述构件的有机组合，形成一套综合性很强的渠道混凝土衬砌设备，实现了利用专用设备进行大规模渠道混凝土机械化施工。

2.2 衬砌机的主要性能指标

振碾式渠道混凝土衬砌机是公司自行研制的渠道衬砌专用设备，具有结构新颖、综合适用性强、经济适用的特点，其主要技术性能指标如下：

适应坡度：tgθ=0～0.5；布料与衬砌有效长度L=10～25 m；整机行走速度：ν=3～10 m/min；浇筑速度：ν=7～21 m3/h；单层衬砌厚度：h≤20 cm；单循环衬砌宽度：b=1～1.3 m；总重量：W=15T（L=20m）；总功率：P=29 kW。

2.3 渠道衬砌机安装调试

设备进场后首先在作业面铺设两条10 m长的轨道，调直整平待用。先按照加工编号进行主梁桁架拼装和支腿安装，拼装完成后，用25 t汽车吊车装主梁放置于预先调平的轨道上，接着安装主输送带、上布料小车、下衬砌小车、操控室，并做好各部位的安全防护。整机拼装完后开始初步运行调整，调整结束后，进行整机联动试运行。经试运行验收合格后方可投入使用。

3.渠道薄壁混凝土快速衬砌施工技术研究

3.1 渠道混凝土衬砌施工流程见图2。

图2 渠道混凝土衬砌施工工艺流程框图

3.2 施工准备

渠道混凝土衬砌前需先完成浇筑仓面的整理、混凝土拌制和运输准备和衬砌设备安装调试等前期准备工作。为实现特大型渠道快速衬砌施工，各工序必须精心组织，并监控重点环节的落实。

3.2.1 仓面整理验收，由于采用衬砌机连续浇筑的施工方法，考虑到人工劳动强度及分仓长度的合理性，单班连续浇筑分仓长度控制在40 m为宜。考虑到各工序施工准备及工序质量验收的影响，其中建基面和复合土工膜焊接作为重要隐蔽工程需多方联合验收，在浇筑仓号准备时往往留有2～3仓号（即80～120 m）的余量，以便给后续仓号留够准备和验收时间，保证衬砌机正常情况下的连续浇筑。同时，针对建基面清面，现场应结合地质条件适时做好基面防护，防止因基面长期暴露失水后或遇降雨天气产生的次生破坏，影响建基面验收。保温板铺设时应及时用钢钎或木楔固定，防止滑动。复合土工模施工应做到铺设后及时焊接，即随铺随焊，防止因土工膜在现场长期放置后在对焊端头部位集聚湿气而影响焊接质量，焊接时间宜安排在天气晴朗时的正午前后（9：00-15：00）气温比较稳定的时段进行，还应视气温和膜厚通过试焊设定正确的焊接温度，确保焊缝充气打压试验一次性通过。通常情况下，在气温20～25℃时，0.3 mm厚的聚乙烯透明薄膜焊接温度为300℃，0.5 mm的厚聚乙烯透明薄膜焊接温度为340℃，焊接速度为2.5～3 m/s。仓号模板支立采用定型槽钢作边模，既便于安装固定，还有利于衬砌板厚度控制，确保衬砌板边角部位混凝土密实、顺直。

3.2.2 混凝土拌制和运输准备，混凝土由拌和站集中拌制，运输采用8 m3以上的混凝土搅拌罐车，罐车配置数量结合衬砌速度和运距确定，一般运输距离在3 km以内，单台衬砌机配备2台罐车，超过3 km应增加一台罐车。混凝土拌和物允许最长运输时间依据天气气温和设计要求确定，以控制在1 h内为宜。同时，混凝土拌制过程中还要按有关规定的检测频次检查拌制质量。

3.2.3 衬砌设备准备，结合振碾式渠道混凝土衬砌机的特点，混凝土衬砌过程是从一端向另一端循环推进，待衬砌机安装调试合格后进入仓面就位，目的是保证衬砌机主桁架与待衬砌机面平行，同时通过量测压光辊至仓面的高度确定混凝土衬砌厚度。现场与衬砌机配套的设备还有电动提浆抹面机和人工收面平台，保证衬砌板浇筑成型过程在混凝土初凝前完成，使整个混凝土衬砌过程一气呵成，提高了机械化施工水平。电动提浆抹面机由自带行走装置的主桁架和可沿桁架轨道来回运行的电动提浆抹光机组成，桥架支腿高度可调整，保证抹盘高度与衬砌混凝土板面保持一致。人工收面平台由自带行走装置的桁架和安装在桁架上的马道板支撑平台组成，防止人工踩踏衬砌板收面时造成板面次生破坏及产生裂缝。为便于现场操作，混凝土衬砌机、抹面机和人工收面平台共用一组轨道，可保持运行同步。

3.3 渠道混凝土衬砌施工

3.3.1 混凝土罐车下料时，输送皮带上的料量分布须保持均匀，同时避免罐车出料口及皮带授料口拥堵，布料顺序从下至上沿衬砌机主梁方向进行，由操控室专人负责。

3.3.2 布料与振动碾压速度相适应，既不宜在振捣箱内集料过多，也不能使振捣箱因缺料而出现空振，衬砌小车保持匀速连续工作，行走速度控制在3～5 m/min，衬砌过程中应经常检查衬砌小车振捣装置的工作情况，如发现衬砌过后的混凝土板面上出现露石、缺料现象，需补料重新振捣。

3.3.3 仓号四周为衬砌机振捣薄弱部位，需采用φ50软轴振捣棒辅助振捣，以确保衬砌质量。

3.3.4 衬砌机进入弯道施工时，可通过调整轨道和上下支腿驱动电机行进速度保持衬砌机与渠道轴线垂直的工作状态。

3.3.5 衬砌机振捣整平后的混凝土在初凝前进行抹面，先由电动提浆抹光机进行提浆收面，紧随其后由收面平台上的施工人员采用抹灰刀进行收面压光，人工收面次数为2遍，每人收面宽度宜控制在2 m，收面过程中注意施工缝部位的泛浆清理和坡肩、坡脚部位的轮廓线控制，确保渠道衬砌混凝土的外观质量。

3.3.6 衬砌后的混凝土在初凝后应及时覆盖保湿养护，养护时间不少于28 d，中间切缝过程掀开的养护材料应在切缝后及时覆盖。特别是在干旱、多风、日晒的天气施工时，混凝土初凝后应及时采用塑料薄膜、草苫、草帘、毡布等覆盖材料保湿养护。低温季节不宜开展渠道薄壁衬砌混凝土施工。

3.4 衬砌施工停机处理

衬砌施工过程中停机中断施工时，首先，停机时应升起机架，将衬砌机驶离工作面，解除电控操作系统，清理粘附的混凝土，同时对衬砌机进行保养；其次，当衬砌机出现故障时，应立即通知拌和站停止生产，在故障排除后如衬砌仓号内的混凝土尚未初凝时，允许继续衬砌。当预计衬砌机故障在混凝土初凝前无法排除时，应将衬砌机驶离工作面，在出现故障的部位立即安装横向模板设置横向施工缝，由人工利用收面平台对剩余铺筑混凝土进行振捣和收面压光，为后续恢复衬砌作业做好准备。

3.5 混凝土切缝施工

渠道过水断面大面积薄壁现浇混凝土板由于采用衬砌机连接施工，为避免衬砌板因面积过大而产生裂缝，设计要求纵横方向一般按4 m进行切缝，切缝形式分半缝（0.5～0.7倍板厚）和通缝（0.9倍板厚），缝宽1～2 cm。采用定制的合金锯片切缝，先切横缝，再切纵缝，切纵缝时可利用横缝安插木楔固定轨道。切缝时间可按混凝土成熟度达到300 h.℃进行控制，通常为浇筑后10～20 h。切缝时以锯片不破坏缝口两侧混凝土、缝壁光滑为时间控制标准，宜早不宜迟，避免大面积素混凝土不均匀收缩产生裂缝。

3.6 渠底混凝土衬砌

渠底混凝土衬砌相对于渠坡来讲，仅在坡度系数上有变化，其断面结构形式与渠坡相同。施工过程中可将渠坡全套设备和施工工艺应用于渠底，在此不再复述。

4.渠道衬砌混凝土板检测

现场渠道混凝土衬砌质量检测主要项目是混凝土板表面平整度、厚度、密实度以及强度指标进行检测，检测质量标准参照渠道混凝土衬砌机械化施工技术规程。依据现场监理委托河北省水利工程质量检测中心站对已成型渠道衬砌混凝土板进行的抽检结果，证明了采用振碾式渠道混凝土衬砌机进行特大型渠道薄壁混凝土衬砌施工，其施工工艺和质量是能够满足设计和规范要求，衬砌速度单班可控制在40 m以上，较人工衬砌有了质的提高。现场抽检检测结果见表1。

表1 现场抽检检测结果表

5结语

针对特大型渠道薄壁混凝土快速衬砌施工技术研究，公司从开始的衬砌设备试研制到逐渐形成配套施工技术，以至到后来的推广应用先后历时了近两年的时间。实践证明该项施工技术的研究取得了良好的应用效果，为解决和加快南水北调中线总干渠特大型渠道薄壁混凝土衬砌施工发挥了积极作用。中国水电十一局将始终坚持科技创新的理念，不断完善和提高大型渠道衬砌施工技术水平，为更好的服务于我国南水北调等大型水利工程施工而不懈努力和奋斗。