高填渠堤无筋薄壁纤维混凝土机械化衬砌施工技术

殷本林

(中国水利水电第七工程局有限公司,成都 611730)

1 工程概况

1.1 工程简述

南水北调中线工程焦作段施工三标位于河南省焦作市区,全长3.4 km,明渠为高填方渠堤。断面为梯形,底宽21 m[1],内坡边坡系数1∶2,外坡边坡系数1∶1.5～1∶2,渠道纵坡1/29 000。渠道设计过水流量265～320 m3/s。渠道衬砌混凝土设计为C20W6F150纤维混凝土,渠底厚10 cm,边坡厚12 cm,全断面衬砌,衬砌至堤顶高度,高填方渠堤薄壁纤维混凝土衬砌断面见图1。

图1 高填方渠堤薄壁纤维混凝土衬砌断面

1.2 工程特点和难题

(1)工程渠坡长达3 km,填方最高20 m以上,渠道衬砌面板厚12 cm,薄壁且无筋。滑模和拼装模板等常规施工方法进行渠道衬砌浇筑面板施工效率低,质量缺陷多。

(2)大型渠道采用薄壁衬砌,因面板较薄,过水流量较大,试通水后面板拉裂情况比较常见。需研究混凝土的抗裂性,采用纤维混凝土等方式,保证薄壁混凝土衬砌的抗裂性和抗渗性要求。

(3)在渠道混凝土衬砌厚度、表面平整度、密实度及光洁度等设计指标要求高的前提下,应用大型渠道机械化衬砌在国内较少,衬砌设备使用技术比较匮乏,设备选型及使用技术等掌控难度大。

2 无筋薄壁纤维混凝土研究及应用

通过开展理论研究,表明:纤维增强体对混凝土材料具有阻裂、增强、增韧、防渗作用,能保证薄壁混凝土衬砌的抗裂性和抗渗性要求。选择不同类型的纤维增强材料,进行组合试验,确定满足工程设计指标要求的纤维混凝土配合比。

2.1 纤维混凝土试验研究

2.1.1 配合比设计要求

在纤维增强材料的种类和工作机理研究的基础上,借鉴纤维工程在水利工程中的应用实例,进行配合比设计试验,配制符合表1设计指标要求并适应工程的纤维混凝土材料。选择3种不同厂家生产的纤维材料与其他原材料进行交叉配合试验,确定出最优的材料配合方案。

表1 纤维混凝土主要设计指标

2.1.2 试验原材料

试验所需要的原材料包括:水泥、细骨料、粗骨料、粉煤灰、减水剂、引气剂、拌合水和特种纤维等。各类材料既要满足表征自身特性的技术条件,还要考虑水工混凝土施工的规范要求。待选用的纤维材料有3种。

2.1.3 配合比试验

(1)试验研究思路

根据配合比设计要求,通过经验公式计算或合理范围判定,确定满足主要指标的普通混凝土的配合比。

在此基础上,分别掺入3种纤维制成4类试件,得到4类混凝土试件的力学参数汇总表,见表2。混凝土掺入不同的纤维材料后,试件力学性能(抗压强度和劈拉强度)都有所提高。

表2 混凝土试件力学性能汇总

通过试验结果(见表3、表4),得出掺入不同纤维材料后,混凝土的防渗、抗裂、弹模等耐久性要求有明显的降低,试件干缩湿胀性能有提高,干缩情况也得到改善[1]。

表3 混凝土试件耐久性能汇总

表4 混凝土试件干缩湿胀性能试验结果

(2)试验研究结果

根据普通混凝土和杜列纤维混凝土的试验结果对比分析,得出:加入纤维增强材料后,表征混凝土抗裂性和防渗性的指标有了显著改善。如“轴心抗拉强度”提高了15.5%,“极限拉伸指标”提高了43.7%,“干缩湿胀指标”降低了13.5%,说明掺入纤维后,有效增强了对混凝土抗裂、抗渗性能提高的贡献[2]。通过综合比选,选定表4最后一种纤维材料作为混凝土增强纤维。

2.2 纤维混凝土性能数值模拟

采用三维有限元对渠道边坡的普通混凝土和纤维混凝土的受力特性进行了分析,考虑对称性,分析计算模型取其一半。纤维混凝土和普通混凝土的力学参数参考配合比的试验取值见表5。施工期混凝土面板温度取常温18℃,通水后取水温4℃,线膨胀系数为12×10-6/℃。计算内容包括:地应力平衡,渠道边坡的填筑,衬砌面板的浇筑,通水之后衬砌面板降温引起的温度荷载。

表5 仿真计算材料参数取值

通过计算,纤维混凝土施工的衬砌面板在通水后最大主应力为2.78 MPa,小于抗拉强度3.15 MPa,说明采用纤维混凝土后,保证了降温荷载不会引起衬砌开裂。而采用普通素混凝土计算的最大拉应力达到3.17 MPa,超过自身的抗拉强度2.88 MPa。仿真计算结果表明:高填方渠道选用纤维混凝土衬砌的方案是合理的,配合比试验获得纤维混凝土提高了抗拉和防渗性能。

3 渠道衬砌机设计改造

3.1 渠道衬砌机

渠道堤身混凝土衬砌机主要采用滑模式,衬砌机动力是由外部电力系统提供,行走系统为轨道自行式。使用的混凝土衬砌机为PHB23000C型混凝土衬砌机,主要技术参数适应本工程渠道坡面混凝土衬砌的要求,该型衬砌机经过在南水北调其他标段施工应用验证,综合性能完全满足施工要求。

3.2 渠道衬砌机设备改造

在设备选型的基础上,开展现场生产试验,对设备进行改装,在料箱内安装混凝土高频振捣棒,振捣棒采用φ30振捣棒,振捣棒距离为40 cm,布置两排,焊接在斜向皮带布料机下方桁架上。在开动螺旋输料器把混凝土均匀地摊铺后,高频振捣棒振捣。

3.3 渠道衬砌机机械化施工工艺

结合大型渠道混凝土施工情况,在纤维混凝土的配合试验完成以后,通过研究总结出渠道衬砌机混凝土施工工艺流程如图2所示。

图2 渠道衬砌机械化施工工艺流程

4 渠道衬砌机械化施工

4.1 施工辅助与准备

4.1.1 渠床整理

渠床整理主要是采用削坡机铺设轨道削坡或者采用挖掘机粗削后人工精削的方式。

首先,用削坡机进行大面削坡,测量放线后,按设计坡比和预留保护层厚度,确定削坡机进刀深度和削坡次数,确保削坡质量。

然后,用挖掘机粗削人工精削,开挖或填筑成型后,测量检查和复核轮廓尺寸。

4.1.2 保温板铺设

保温板铺设自下而上,沿渠道轴线方向有序错缝铺设。铺设中,随时使用敲打法检查保温板与建基面是否紧贴密实,并检测块间接缝是否紧密顺直,大面是否平整。

每一块铺设完毕后,及时使用长度适宜的U型钢钉及时固定,U型钢钉顶部应略低于保温面板2 mm左右。每块保温板不少于3个钉固定,呈梅花状布置,以保温板稳固不翘起为准。

4.1.3 土工膜铺设焊接

土工膜铺设由坡肩滚铺至坡脚,渠坡和渠底结合部以及和下段待铺的复合土工膜部位要预留规范和设计要求的搭接长度。

复合土工膜铺设完成一段距离后,及时实施连接施工。每班焊接施工前须进行工艺试验,确定施工参数。

4.2 机械化衬砌

上述衬砌辅助项目施工完成后进行机械化衬砌。机械化衬砌包括衬砌机安装调试、纤维混凝土试配、混凝土布料振捣、抹面收光等。

4.2.1 衬砌机安装调试

在衬砌机生产厂家技术人员的指导下进行安装调试,调试应遵循“先分动,后联动;先空载,后负荷;先慢速,后快速”的原则[3]。

4.2.2 混凝土铺料振捣

采用螺旋布料器和皮带输送机布料,混凝土至布料机接料口,进入集料箱,启动螺旋输料器均匀布置。布料宽度达到成型机宽度后,开动成型机,开始二次振捣、提浆和整平。

4.2.3 混凝土抹光收面

混凝土布料振捣完成后,适时进行混凝土的抹面提浆作业。混凝土的磨盘自下向上进行抹面作业。磨盘的压痕约为磨盘直径的1/3。机械抹面遍数一般控制在2遍以内[4]。采用靠尺检测平整度。人工收面压光应在混凝土初凝前完成,人工收面压光工具采用钢抹子,遍数控制在2遍以内,第1遍对混凝土进行初步找平,第2遍对混凝土进行压光处理。抹面施工时严禁洒水、撒水泥浆。

4.3 面板伸缩缝施工

发明《一种沟渠衬砌切缝定位装置》实用新型专利用于人工切缝时更加高效地对齐切缝,使所切缝更加平整。人工切缝,切割时通过手柄连杆机构,转动手轮进行切割深度的调节。切缝施工宜在衬砌混凝土达到初凝抗压强度后施工,切割缝采用A、B两组份密封胶填充。

5 结论

高填渠堤无筋薄壁纤维混凝土机械化衬砌施工技术,通过工艺试验,采用纤维混凝土对无筋薄壁渠堤起到阻裂、增强、增韧、防渗的作用,有效控制渠道衬砌混凝土早龄期的塑性收缩裂缝,阻止硬化混凝土的温度和收缩裂缝。对现有衬砌机进行创新改造,一次性完成混凝土布料、振捣、提浆和挤压成型等工作,自动完成渠堤的衬砌。主要形成结论为:

(1)针对薄壁衬砌冲水易开裂的问题,提出了高填方渠道纤维混凝土衬砌施工方案。通过配合比试验,获得高填方渠道薄壁混凝土衬砌的配合比参数,为衬砌机械化施工提供了材料的质量保证。通过配合比试验的分析对比,表征纤维混凝土抗裂性和防渗性的指标有了显著改善。并采用数值分析方法,对试验参数进行了对比计算,说明普通素混凝土容易发生开裂,无法满足施工要求;模拟纤维混凝土衬砌面板通水后,衬砌面板没有开裂。说明纤维混凝土由于变形模量的降低和抗拉强度的提高,保证面板不会开裂,解决了高填方渠段薄壁衬砌施工材料的难题。

(2)针对大型渠道衬砌设备应用少,施工技术匮乏的难题,通过工程类比和装置改进探索,研究了适合高填方渠段薄壁纤维混凝土机械化衬砌施工的机械设备。在设备选型的基础上,开展现场生产性试验,确定最终的施工技术参数。在南水北调焦作段三标工程的运用结果显示,机械设备通过改进,提高了适用性和灵活性,施工技术参数也保证了机械化施工高效率、高质量完成。

(3)针对工程量大、施工工序多的特点,在施工前进行了系统研究,结合现场生产性试验,总结出合理的施工工序,保证施工有条不紊地进行,提高机械化施工效率,并对特殊施工条件,做好应急准备方案。在混凝土切缝注胶密封施工中,针对“传统胶枪”或“人工填塞胶液”的不足,研制出了《一种渠道衬砌聚硫密封胶灌胶机》,避免传统施工方法导致胶液损耗量大的问题,降低了成本,提高了工作效率,容易控制密封质量。

(4)发明了《一种沟渠衬砌切缝定位装置》实用新型专利,用于人工切缝时更加高效地对齐切缝,使所切缝更加平整,高效地提升切缝效率,减少薄壁混凝土沟渠的混凝土开裂风险。