隧道滑模施工水泥混凝土布料工艺

2018-06-07蔡正森侯子义

筑路机械与施工机械化 2018年4期

蔡正森，何哲，侯子义

（1．河北工业大学土木与交通学院，天津 300401；2．交通运输部公路科学研究院，北京 100088；3．道路结构与材料交通行业重点实验室（北京），北京100088）

0 引言

随着科技水平的提高和筑路工艺的日渐成熟，滑模施工技术已经大量运用于水泥混凝土路面的施工中［1］。相较于人工铺筑和三辊轴铺筑，滑模施工振频高［2］，施工稳定性和均匀性好，能够保证路面达到预期强度和平整度等指标的要求。采用滑模机械施工，具有生产效率高、施工效果好等优点［3］；但在滑模摊铺机的实际使用中，由于机器零部件磨损、变形和老化，以及施工人员缺乏规范化的操作，往往造成铺筑的路面平整度差，严重影响水泥混凝土路面的使用性能［4］，在开放交通后可能导致车辆行驶时发生颠簸和跳车，从而造成交通事故。

虽然业内关于施工中各个程序对路面平整度具体的影响程度尚无定论，但总结滑模摊铺机的工作发现，在实际施工中布料工艺的优劣是影响施工均匀性和路面平整度的主要因素之一。目前对滑模施工的研究多注重于混凝土的状态和施工机器的性能，对具体施工技术的细节研究不多；而由于布料机手操作不熟练造成布料不均匀而导致滑模机械停机等待的现象多次发生，严重影响滑模摊铺施工的连续性，并对路面平整度造成不良影响。本文通过对滑模施工现场布料进行测量，查阅相关资料，对滑模施工中的布料工艺进行探究，寻找出科学合理的布料工法，为滑模摊铺机连续施工并修筑出较高平整度的水泥混凝土路面提供参考。

1 滑模施工前期准备

1．1 滑模摊铺机部分指标

本文的滑模施工采用美国产高马科Gomaco GP－4000型滑模摊铺机，摊铺宽度为5～16m，现场实际摊铺宽度为11m（扣除两侧各0．7m的基准带宽）。摊铺机构件排布见图1［5］。

图1 滑模摊铺机构件排布

摊铺设备的机械化、自动化程度对水泥混凝土路面的平整度有较大影响［6］。实践证明，要使路面强度高且平整度好，保证滑模摊铺机正常平稳工作是关键。Gomaco GP－4000四履带滑模摊铺机配备5000系列搅龙计量板模具来控制料仓高度，左右螺旋布料器的转向和速度均可以独立控制。螺旋布料器的安装高度通过路面的设计厚度确定，一般要求螺旋叶片的底部高出路面设计高度50～100mm，以减少螺旋布料器的阻力并保证足够的预振实度。在布料时以松铺高度正好接触螺旋布料器底部或在底部稍有堆积为宜。未到达这个指标时应及时补料或使用螺旋布料器及时分料。

1．2 后方混凝土产能

为了保证滑模摊铺机在前场工作时的行进速度均匀，要求后场供料速度与摊铺机对混凝土料的吞吐量相匹配。当后场供料速度大于前场混凝土的消耗速度时，摊铺机前会有多辆混凝土运输车等待卸料。由于水泥初凝可能使积压的混凝土坍落度损失，出现发干、变硬、和易性变差等现象，也造成运输车卸料困难。这种状态的混凝土在后期施工中难以出浆或出浆量少，极易出现麻面现象［7－8］。当前场混凝土料的消耗量大于后场供料量时，会出现滑模摊铺机停机等料的现象。经实践证明，滑模摊铺机停机在混凝土面造成的压痕对水泥混凝土路面滑模施工平整度影响最大。由于摊铺机质量大，人工很难修复压痕或者几乎不可能修复到平整状态，因此务必避免停机等料现象出现。后场供料和前场消耗之间的关系可以通过式（1）和式（2）来进行估算。

式中：Q1为混凝土后场拌合楼产量；m1为每台拌合楼每小时的产量；n1为拌合楼的数量；Q2为前场混凝土消耗量；L为摊铺宽度；h为摊铺厚度；v为摊铺速度。

本文采用4台山东建友水泥混凝土拌合楼供料，产能为201．6m3·h－1。滑模摊铺机摊铺时的行走速度控制在1．0m·min－1左右，施工厚度为0．3m，摊铺宽度为11m［9］。后场供料稍大于前场消耗量，基本可以保证前场正常、连续施工。

2 布料控制指标

2．1 混凝土性质要求

保证混凝土性质稳定是整个道路铺筑成功的关键和前提。混凝土在运输过程中会有坍落度损失，但应控制在合理的范围之内［10］。具体可以从2个方面进行控制：第一，合理安排出料拌合楼位置，使混凝土的运距保持在1h的车程内；第二，运距合理的前提下做好前期准备工作，选定符合规范要求的混凝土配合比［11］，并使用含有高品质缓凝剂的减水剂，以保证混凝土坍落度损失不太大。具有良好工作性的混凝土（图2（a））到场时坍落度在20～30mm范围内（图2（b）），其最大的特点是和易性好，容易倾卸。这样就节省了用钩机在运输车上挖料的时间，并且在滑模摊铺机摊铺时混凝土良好的工作性也能保证行进速度均匀，铺筑的路面平整度好，不会出现麻面（麻面对混凝土路面平整度的影响为2～3mm）［12］。

为了得到性能优良的混凝土，首先对混凝土的材料提出更高要求，其次是配合比设计务必符合规范要求。在拌合站供料稳定后，工作人员应继续严格按照施工标准进行操作，防止因材料含水率变化造成混凝土状态出现过大波动［13］。另外，对混凝土产能及运输的控制同样很极其重要，如在施工过程中就曾因为混凝土运输车在隧道内发生爆胎事故，造成混凝土运输车不能及时到达摊铺现场，使大量混凝土积压，后期施工时混凝土基本干硬，失去工作性，导致修筑的路面麻面现象严重，最后只能作为复合路段的基层使用。

图2 状态优良的混凝土

2．2 混凝土松铺高度控制

隧道滑模水泥混凝土施工一般是等混凝土到场倾卸后用钩机对混凝土进行布料（即松铺）。钩机布料的方式有2种，即堆状松铺（图3（a））和找平式松铺（图3（b））。堆状松铺时使用钩机挖料堆积，呈现出不规则小堆状表面。找平式松铺是在堆状松铺后再使用钩机铲背部较平的面或爪对小堆进行找平，使整个松铺面大致在一个平面上。在实际工程中，堆状松铺系数在1．17～1．50cm范围内（图4（a）），虽然在钩机布料时相对找平式布料速度有所增加，但大多数还要依靠后期滑模摊铺机的螺旋布料器进行二次旋转布料，因此使摊铺速度下降。找平式布料由于在找平时已经对混凝土料有一些预压，因此松铺系数在1．27cm左右（图4（b）），虽然前期多一道找平的工序，但后期基本不用摊铺机螺旋布料器二次布料。这样可以保证摊铺机正常工作时混凝土既能充分振实，又不会因虚方控制板集料太多而需要钩机二次找平。

图3 松铺效果

经过对现场施工的观察和测量，松散布料高度控制在路面条带（即路面设计标高）以上10～20cm范围内。现场可以在钩机布料完成后通过拉线测量布料效果，不满足要求时钩机手可及时进行调整，保证施工顺利进行。

图4 适宜松铺高度

2．3 混凝土松铺宽度控制

根据混凝土的状态来定松铺的宽度，在混凝土到场坍落度较大时，松铺宽度距边缘条带约20cm即可（图5），因为在摊铺机振棒作用下流动性较好的混凝土会自动填充与边缘的空隙。当到场坍落度较小时，应立即用钩机松铺布料，必要的时候使用摊铺机上的高压水枪对较干的混凝土雾化洒水，并且使布料宽度贴近条带边缘，从而保证整幅路面的密实度均匀。

图5 松铺后距边条带的空隙

2．4 混凝土松铺长度控制

根据水分蒸发与比表面积之间的关系，混凝土堆积时的水分散失速度远小于松铺后［14］。因此，混凝土到场倾卸堆积后，如果不能在一定的时间内进入铺筑工序，会因水分散失造成坍落度损失过大，不宜进行松铺。

为了保证滑模摊铺机连续施工，应对混凝土的松铺长度提出要求。由于摊铺机的前2个履带轮可能会与正在进行布料的钩机相互干扰，同时考虑到水分蒸发造成的坍落度损失过快，结合现场测量，要求混凝土松铺最小长度为摊铺机虚方控制板后4～5m，因摊铺机履带长度为3m，摊铺机行走速度约为1m·min－1，故摊铺机虚方控制板距松铺边缘4m（图6（a））时摊铺机必须停机等待布料。鉴于所使用的卡特320c型挖掘机最大挖掘半径为9．7m，为了方便钩机及时对挡板前料的松铺高度进行调整，故建议现场最长布料长度为8～9m（图6（b））。

图6 松铺最小长度和最大长度控制

2．5 到场混凝土堆积间距控制

混凝土到场后如果堆积间距不合理或堆积间距不均匀，会导致钩机布料时布料厚度不均匀。堆积间距太远（图7（a）），会因为钩机布料时找料造成布料速度下降，对施工进度产生不利影响；堆积间距太近（图7（b）），钩机活动空间受到“挤压”，造成布料困难，出现钩机碾压混凝土料的现象。根据后场出料时每一车混凝土料的总量（设定为15方）以及路面摊铺宽度（11m）和厚度（30cm），建议混凝土到场后堆积间距控制在4m左右。

图7 混凝土到场堆积不合理导致布料困难

3 布料对混凝土路面平整度的影响

通过近百公里的滑模施工试验研究和施工经验总结发现，影响平整度的因素存在于施工的各个环节和非施工的协调环节［15］。总结来说可以分为人为因素、混凝土因素、施工环境因素和机械因素4种［16］。布料对混凝土路面平整度的影响也同样受以上4种影响因素的综合作用。为了定性研究布料对混凝土平整度的影响，现场分别记录了一次未按照本文所提指标施工、摊铺机多次停机等料的施工平整度结果，和一次基本按照本文所提指标进行布料、施工的平整度结果，并对比分析造成平整度差异的原因。

图8 两次施工平整度合格率对比

通过图8的2次平整度检查对比可以看出，按照本文的相关指标进行布料作业，路面平整度可以得到很大提高，合格率由68%提升到93%。分析原因为：首先，摊铺机停机等料造成路面平整度变差；其次，由于没有指导性的布料准则，加上布料机手经验不足，现场松铺面很难保证均匀，在摊铺机工作行进过程中不均匀的松铺面在振捣和挤压时使混凝土密实程度出现差异甚至产生局部离析现象，在后期硬化过程中由于表面不均匀收缩造成表面平整度差异；再次，布料缺乏标准，工作进行不顺畅，对钩机手、滑模摊铺机手、收面工人等的心理均产生一定程度的影响，焦急的情绪下使员工对待工作往往草草了事，施工结果也就随之不尽如人意；最后，对公路工程项目施工一味地靠以往的经验和现场摸索，而没有积极总结分析各步骤的重要指标数据，很难达到良好的施工结果。因此，只有按照合理的指导准则进行施工作业，每个步骤都有章可循，最终的结果才不会太差，这也是现行施工技术细则存在的意义。