自走式U型沟渠土方掘进衬砌一体机设计与应用

孙春光+++石自堂++朱雨平

【摘 要】混凝土U型渠拥有占地少、水力特性佳、结构受力条件好、防渗效果优等特点，是我国农村灌溉农渠的首选，但受农村道路、地形地质等多种条件限制，当前混凝土预制U型渠施工中多为半人工半机械的简单方法，不仅施工效率低而且质量差。本文介绍和推荐一种自走式U型沟渠土方掘进衬砌一体机，能够有效解决目前U型渠施工中存在的问题。

【关键词】U型渠 施工机械 土方掘进衬砌一体机 混凝土

混凝土U型渠是一种薄壳反拱结构，适用于施工要求较高的平原、丘陵灌区工程，与土渠、石渠、梯形渠等比较，其断面结构合理，又便于一次性成型施工，具有输水能力强、水力条件好、便于管理养护、占地少、防渗效果好等多项优点。[1]

随着国家对农业综合开发和基础农田水利项目的投入增大，U型渠在农村田间输水中得到越来越广泛的使用。[2]受农村道路条件、经济条件及投资控制方面的限制，大型施工团队不愿接手农村输水灌溉渠道的施工，目前农业综合开发和农田水利项目中的U型渠施工多为资质较低的当地施工队，一般多采用预制U型槽进行施工，也有部分项目采用混凝土现场浇筑的方式。就目前所掌握施工条件和施工机械而言，这两种施工方法都存在施工质量差、效率低的普遍问题。为此，迫切需要一款操作简单、功能全面、成本较低、能够一体化完成高质量混凝土U型渠施工的机械。

1 当前农村混凝土U型渠常用的施工方法

目前农村混凝土U型渠施工时，普遍采用机械粗挖渠槽，人工修整断面，安装预制混凝土U型槽或现场浇筑混凝土U型槽三步走施工方法。

（1）开挖修整断面。混凝土U型渠施工时一般采用挖掘机沿一条放线粗挖渠道，而后沿两条放线人工修整，最后做成一个较为完整的U型渠槽毛断面。由于施工机械精度和人力劳动强度的限制，或多或少地在开挖修整断面的过程中出现一些问题，比如在机械粗挖时易造成渠道超挖，在人工修整时存在欠挖，使渠道断面无法均匀一致，影响后续的衬砌施工速度和感观。后续工作还需要人工进行填土夯实，由于U型渠断面的厚度较薄，经常会有夯实不敢发力，使后续安装的预制混凝土与周围的土体不能结合紧密，严重的会影响渠道稳定。

（2）预制U型渠槽施工。混凝土U型槽构件是在工地之外的预制场制成并进行养护，之后再运输到现场进行安装，安装过程中根据构件尺寸微调整理U型渠槽毛断面，或填或挖，达到U型构件外壁与渠槽吻合为止，该方法或工艺能够最大限度地降低施工对场地的依赖，适用于交通不便的农村地区。但是在预制U型槽施工中，U型槽的预制受人工搬运的影响，不可能做得很厚很重，鉴于目前人力费用昂贵，该施工方法效率较低；此外，预制混凝土U槽由于厚度较薄，施工时混凝土水灰比、制模、振捣密实等质量难以控制，尤其是水灰比不稳定，直接影响成品板抗渗性能和耐久性。

（3）安装预制混凝土U型槽或现浇混凝土U型渠槽施工。在安装预制混凝土U型槽时，渠槽接缝的接头或勾缝往往会成为该渠槽的薄弱点，一是每一节U型槽构件短，大多数为每节50cm，造成接头多；二是接头处用的砂浆勾缝，其强度低且勾缝的宽度和深度很难达到设计要求，再加上U型槽构件断面不够标准、混凝土强度达不到要求等质量问题，经常在渠道完工后不久就出现裂缝或沉降，还会在裂缝中生长杂草，不仅不能发挥U型渠的防渗、稳固过水等优势，而且一旦破坏或耐久性差让人感觉是“豆腐渣”工程。

现浇混凝土U型渠槽施工需要根据渠道开口、深度、形状设计模具，U型渠施工常采用两套模具，一套是土模，一套是混凝土模，两套模具配套使用。使用现浇方法施工速度快、节省人力、成本相对较低。但是在实际施工过程中，经常出现由于模具制作不合格造成的U型渠厚薄不均、高低不匀，混凝土挤压不密实等问题。同样也存在制作混凝土的水灰比不稳定、振捣不密实等质量控制问题。

2 自走式U型沟渠土方掘进衬砌一体机的设计原理

2.1 自走式U型沟渠土方掘进衬砌一体机简述

自走式U型沟渠土方掘进衬砌一体机（以下简称U型一体机）是一种能够解决目前混凝土U型防渗渠在施工过程中存在的多项问题的农业水利机械。

U型机以柴油机为主体动力，借用履带式拖拉机结构，行走履带的上方通过机架设置有机组室，机组室一侧设置有驾驶室。在主机的前方悬挂U形槽掘进机械，后端牵引混凝土衬砌机。柴油机经通过皮带与三个液压泵并联，三个液压泵产生的液压能传递给各个做功点的液压马达，提供行进、掘土、排土所需的能量。采用开沟叶片，螺旋输送机，倾斜、水平传送带相结合将土壤输送至沟渠一侧，同时U型机碾压土体，进一步压实土料。衬砌机通过钢丝绳悬挂在掘进机后部，完成混凝土摊铺衬砌。该机械自带动力，能独立完成U型渠的开挖与衬砌工作。U型机整体结构见图1所示。

2.2 工作原理

柴油机通过皮带与三个液压泵并联，三个液压泵将能量以液压能传递到履带，倾斜、水平传送带，开沟叶片的液压马达。整机开始正常工作。

首先完成U型槽土方掘进。掘进机开启后，固定在主轴前端的掘进叶片，在高速旋转的主轴带动下向前掘进，挖掉如图2所示A部分土壤。然后焊接在U型筒壁前端的两片切土刀具会随着车体整体前移，将剩余土壤（B部分）成片切下，掉落到U型筒内。切土刀片切下的土壤呈块状，被高速转动的开沟叶片打碎，且向后输送，接着由焊接在U型筒壁后侧的螺旋输送机输送，由输出口掉落到传送带上，最后被输送到沟渠一侧，即完成了U型沟渠的初步成型。在初步成型过程中支撑板紧贴地面，提升油缸压着U型筒，使机体在行进的过程中既能铲平凸起，又能填补凹坑，U型沟渠成型完成。在掘进过程中，一体机能利用自身重量进一步压实沟渠，提高沟渠土密实度。

然后完成U型槽混凝土衬砌。掘进機后端通过钢丝绳连接着摊铺装置，与掘进机同步运动。导向滑模截面形状与U型沟渠形状一样，两者紧密配合。导向滑模起到为衬砌定向以及支撑整个衬砌机的作用。

成型滑模的尺寸比导向滑模小40-50mm，混凝土由料斗底部的分料板分配到进料口的两侧，进入到成型滑模与U型沟渠之间的间隙中均匀摊铺。成型滑模中的震动器在电机的带动下前后振动，使摊铺的混凝土平整压实。成型滑模两侧设置有压边板，对U型沟渠及锁口进行整形。

2.3 施工程序

首先在施工区域放样，满足设计渠道的占地面积和施工必须具备的混凝土运输机械临时施工通行道路，在规定的范围之内进行表土剥离，剥离的土方堆放在剥离线两边待完工后反回开挖区以保证地力，土方开挖深度控制在6cm以内，避免造成凸凹不平影响耕种，填筑渠道土方要分层压实，每层不超过20cm，然后对填筑的渠道堤面釆用机械按设计高程平整，之后将掘进机及摊铺机开上作业面沿石灰标线开始施工。

摊铺的混凝土强度要求达到C20，釆用0.5—2cm的石料参入适量中粗砂，拌制好的混凝土，用专用运输车辆运至摊铺现场装进料仓，开动掘进机和振动器，开始实施摊铺。混凝土坍落度最好控制在70-90mm之间。

混凝土在摊铺过程中，用人工进行混凝土表面及锁口压平摸光，并为了防止伸缩不均产生不规则裂缝，每隔10m左右分缝，用机械切缝，切缝深度为混凝土厚度的2/3，宽度1cm，缝口用泥青砂浆填满。

混凝土浇注工序结束以后，要加强养护工作，养护期满，将施工现场进行清理：一是将剥离的表层土返回渠堤待成型，清除各种不利农耕的所有废弃物；二是对渠堤重新放样复核，整理成设计规定的断面，然后工程进入试用待交期。

注意事项：（1）丘陵地区渠道施工最小转弯半径不得小于25m；（2）混凝土坍落度不可大于规定值，否则U型墙壁混凝土无法依附；（3）混凝土运输最好使用混凝土运输专用车，以保证混凝土活易性；（4）施工人员每台机械配20人以内，每天约完成800—1000m。

3 U型一体机施工的优势特点

U型一体机在施工时相比传统施工方式拥有多处改进或优势，在很大程度上弥补现有施工方式的缺陷，不仅简化了施工，而且制作的混凝土U型防渗渠，在质量上优于传统施工制作的渠道，能充分发挥U型渠的优势。

（1）采用U型一体机施工，能在最大限度上用机械替代人力。渠道开挖和渠道衬砌均由机械一体化完成，人力只作为机械操作的管理人员参与施工，负责控制机械和施工进度。在传统施工方式中，人力作为主要的劳务输出主体，不仅费用高，而且经常存在由于施工不熟练或主观思想不积极导致的偷工减料，进一步影响了施工质量。采用机械化作业，能在一定程度上杜绝此现象的发生，而且利用U型一体机开挖，其开挖效率是人工开挖的20倍，把人从繁重的体力劳动解放出来，将其投入更重要的质量管理等工作中。

（2）U型一体机开挖的断面质量远高于传统施工方式。该机开挖采用切土与旋转掘进共同作业的方式进行。在掘进过程中，掘进筒前有导向板为掘进导向，使开挖能沿着设定的路线进行。切土刀片和掘进刀片粗挖后，U型筒随机体行进，既能铲平粗挖渠槽中的凸起，又能填补凹坑，使渠道平整。而传统施工中一般采用人工先立外模，再依据外模修整渠道，经常会有渠道断面前后不一致，耗时费工的问题。该机开挖后的渠道修整统一以U型筒为模板，U型筒随机体行进，修整出的断面前后一致。同时，在开挖过程中，该机体和U型筒以自生重量对土层进行一次同时从内外施压的压实作业，密实了U型槽断面的土体，限制了施工后的变形。

（3）U型一体机衬砌施工过程和质量均优于传统施工方式。U型衬砌机以传动皮带带动多级振动器工作，振动器与内模组合形成震动模，震动模震动吃料，全方位振捣达到混凝土密实，同时由于内模为一体模，混凝土不出现漏浆，再经拖模收浆，稳定拉光定型，形成U型混凝土渠道，U型机过后，由人工对渠道表面进行3次以上人工压光收面。U型机能将混凝土一次浇筑成型，振动密实，连续工作，制作出的混凝土表面平整、光滑，不出现少浆、蜂窝、麻面，施工接缝远少于预制施工，糙率小于0.015，衬砌效率是人工衬砌的12倍。此外，对于不同的地质条件，能通过调整一体机的U型渠内外模改变浇注混凝土（衬砌渠道）厚度，灵活性强，有效保证渠道衬砌的防渗和稳固渠道断面的质量。

（4）U型一体机衬砌施工最小行走半径为25m，可以广泛在平原、丘陵地区应用。

4 应用与效益

4.1 工程建设应用

自从U型机问世以来，该机械被经济投入到实际应用中，承接了大量的类似工程，先后在沙洋、荆州、荆门、江北、襄凡、武汉等地区进行混凝土U型防渗渠的施工，共承建U型渠道项目28个320公里，总价值约2亿多元，创造出良好的经济效益，给这些受益区域提供了良好工程服务，得到了受益区域的一致好评。

4.2 经济效益

使用自走式U型沟渠土方掘进衬砌一体机可节约大量的劳动力，其开挖工效相当于人力的20倍，衬砌工效相当于人力的12倍，降低生产成本，提高生产经济效益。平均每生产一公里U型渠较现有生产方式降低造价1.36万元左右。

5 结语

自走式U型沟渠土方掘进一体机是在混凝土U型渠施工中研制和发明的。自2011年U型机投入运用以来完成了320km的渠道施工，工程实践证明，U型一体机不仅能解决U型渠施工中的质量不佳、耐久性差、投入费用大等问题，而且大大加快了施工进度，可以缩短工期，降低工程造价。可以预料，该机的大量应用，将彻底改变人们对混凝土U型渠的施工质量看法。

参考文献：

[1]孟静.机械衬砌混凝土U型渠施工技术探讨[J].山东水利，2013（10）：13-14.

[2]郑海平.U型渠的施工方法[J].河南水利与南水北调，2009（12）：76-77.

[3]高光明.装配式砼U型渠的施工尝试[J].山西水利，2001：41-42.

[4]万兴华.U型渠在小型渠道改造中的應用[J].宁夏农林科技，2008（5）：30-31.

[5]曲学强.现浇U型渠技术在农田水利工程中的应用[J].地球，1期：215.