孫春光+++石自堂++朱雨平

【摘 要】混凝土U型渠擁有占地少、水力特性佳、結(jié)構(gòu)受力條件好、防滲效果優(yōu)等特點(diǎn)，是我國(guó)農(nóng)村灌溉農(nóng)渠的首選，但受農(nóng)村道路、地形地質(zhì)等多種條件限制，當(dāng)前混凝土預(yù)制U型渠施工中多為半人工半機(jī)械的簡(jiǎn)單方法，不僅施工效率低而且質(zhì)量差。本文介紹和推薦一種自走式U型溝渠土方掘進(jìn)襯砌一體機(jī)，能夠有效解決目前U型渠施工中存在的問(wèn)題。

【關(guān)鍵詞】U型渠 施工機(jī)械 土方掘進(jìn)襯砌一體機(jī) 混凝土

混凝土U型渠是一種薄殼反拱結(jié)構(gòu)，適用于施工要求較高的平原、丘陵灌區(qū)工程，與土渠、石渠、梯形渠等比較，其斷面結(jié)構(gòu)合理，又便于一次性成型施工，具有輸水能力強(qiáng)、水力條件好、便于管理養(yǎng)護(hù)、占地少、防滲效果好等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。[1]

隨著國(guó)家對(duì)農(nóng)業(yè)綜合開(kāi)發(fā)和基礎(chǔ)農(nóng)田水利項(xiàng)目的投入增大，U型渠在農(nóng)村田間輸水中得到越來(lái)越廣泛的使用。[2]受農(nóng)村道路條件、經(jīng)濟(jì)條件及投資控制方面的限制，大型施工團(tuán)隊(duì)不愿接手農(nóng)村輸水灌溉渠道的施工，目前農(nóng)業(yè)綜合開(kāi)發(fā)和農(nóng)田水利項(xiàng)目中的U型渠施工多為資質(zhì)較低的當(dāng)?shù)厥┕り?duì)，一般多采用預(yù)制U型槽進(jìn)行施工，也有部分項(xiàng)目采用混凝土現(xiàn)場(chǎng)澆筑的方式。就目前所掌握施工條件和施工機(jī)械而言，這兩種施工方法都存在施工質(zhì)量差、效率低的普遍問(wèn)題。為此，迫切需要一款操作簡(jiǎn)單、功能全面、成本較低、能夠一體化完成高質(zhì)量混凝土U型渠施工的機(jī)械。

1 當(dāng)前農(nóng)村混凝土U型渠常用的施工方法

目前農(nóng)村混凝土U型渠施工時(shí)，普遍采用機(jī)械粗挖渠槽，人工修整斷面，安裝預(yù)制混凝土U型槽或現(xiàn)場(chǎng)澆筑混凝土U型槽三步走施工方法。

（1）開(kāi)挖修整斷面。混凝土U型渠施工時(shí)一般采用挖掘機(jī)沿一條放線粗挖渠道，而后沿兩條放線人工修整，最后做成一個(gè)較為完整的U型渠槽毛斷面。由于施工機(jī)械精度和人力勞動(dòng)強(qiáng)度的限制，或多或少地在開(kāi)挖修整斷面的過(guò)程中出現(xiàn)一些問(wèn)題，比如在機(jī)械粗挖時(shí)易造成渠道超挖，在人工修整時(shí)存在欠挖，使渠道斷面無(wú)法均勻一致，影響后續(xù)的襯砌施工速度和感觀。后續(xù)工作還需要人工進(jìn)行填土夯實(shí)，由于U型渠斷面的厚度較薄，經(jīng)常會(huì)有夯實(shí)不敢發(fā)力，使后續(xù)安裝的預(yù)制混凝土與周圍的土體不能結(jié)合緊密，嚴(yán)重的會(huì)影響渠道穩(wěn)定。

（2）預(yù)制U型渠槽施工?；炷罸型槽構(gòu)件是在工地之外的預(yù)制場(chǎng)制成并進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，之后再運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安裝，安裝過(guò)程中根據(jù)構(gòu)件尺寸微調(diào)整理U型渠槽毛斷面，或填或挖，達(dá)到U型構(gòu)件外壁與渠槽吻合為止，該方法或工藝能夠最大限度地降低施工對(duì)場(chǎng)地的依賴，適用于交通不便的農(nóng)村地區(qū)。但是在預(yù)制U型槽施工中，U型槽的預(yù)制受人工搬運(yùn)的影響，不可能做得很厚很重，鑒于目前人力費(fèi)用昂貴，該施工方法效率較低；此外，預(yù)制混凝土U槽由于厚度較薄，施工時(shí)混凝土水灰比、制模、振搗密實(shí)等質(zhì)量難以控制，尤其是水灰比不穩(wěn)定，直接影響成品板抗?jié)B性能和耐久性。

（3）安裝預(yù)制混凝土U型槽或現(xiàn)澆混凝土U型渠槽施工。在安裝預(yù)制混凝土U型槽時(shí)，渠槽接縫的接頭或勾縫往往會(huì)成為該渠槽的薄弱點(diǎn)，一是每一節(jié)U型槽構(gòu)件短，大多數(shù)為每節(jié)50cm，造成接頭多；二是接頭處用的砂漿勾縫，其強(qiáng)度低且勾縫的寬度和深度很難達(dá)到設(shè)計(jì)要求，再加上U型槽構(gòu)件斷面不夠標(biāo)準(zhǔn)、混凝土強(qiáng)度達(dá)不到要求等質(zhì)量問(wèn)題，經(jīng)常在渠道完工后不久就出現(xiàn)裂縫或沉降，還會(huì)在裂縫中生長(zhǎng)雜草，不僅不能發(fā)揮U型渠的防滲、穩(wěn)固過(guò)水等優(yōu)勢(shì)，而且一旦破壞或耐久性差讓人感覺(jué)是“豆腐渣”工程。

現(xiàn)澆混凝土U型渠槽施工需要根據(jù)渠道開(kāi)口、深度、形狀設(shè)計(jì)模具，U型渠施工常采用兩套模具，一套是土模，一套是混凝土模，兩套模具配套使用。使用現(xiàn)澆方法施工速度快、節(jié)省人力、成本相對(duì)較低。但是在實(shí)際施工過(guò)程中，經(jīng)常出現(xiàn)由于模具制作不合格造成的U型渠厚薄不均、高低不勻，混凝土擠壓不密實(shí)等問(wèn)題。同樣也存在制作混凝土的水灰比不穩(wěn)定、振搗不密實(shí)等質(zhì)量控制問(wèn)題。

2 自走式U型溝渠土方掘進(jìn)襯砌一體機(jī)的設(shè)計(jì)原理

2.1 自走式U型溝渠土方掘進(jìn)襯砌一體機(jī)簡(jiǎn)述

自走式U型溝渠土方掘進(jìn)襯砌一體機(jī)（以下簡(jiǎn)稱U型一體機(jī)）是一種能夠解決目前混凝土U型防滲渠在施工過(guò)程中存在的多項(xiàng)問(wèn)題的農(nóng)業(yè)水利機(jī)械。

U型機(jī)以柴油機(jī)為主體動(dòng)力，借用履帶式拖拉機(jī)結(jié)構(gòu)，行走履帶的上方通過(guò)機(jī)架設(shè)置有機(jī)組室，機(jī)組室一側(cè)設(shè)置有駕駛室。在主機(jī)的前方懸掛U形槽掘進(jìn)機(jī)械，后端牽引混凝土襯砌機(jī)。柴油機(jī)經(jīng)通過(guò)皮帶與三個(gè)液壓泵并聯(lián)，三個(gè)液壓泵產(chǎn)生的液壓能傳遞給各個(gè)做功點(diǎn)的液壓馬達(dá)，提供行進(jìn)、掘土、排土所需的能量。采用開(kāi)溝葉片，螺旋輸送機(jī)，傾斜、水平傳送帶相結(jié)合將土壤輸送至溝渠一側(cè)，同時(shí)U型機(jī)碾壓土體，進(jìn)一步壓實(shí)土料。襯砌機(jī)通過(guò)鋼絲繩懸掛在掘進(jìn)機(jī)后部，完成混凝土攤鋪襯砌。該機(jī)械自帶動(dòng)力，能獨(dú)立完成U型渠的開(kāi)挖與襯砌工作。U型機(jī)整體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1所示。

2.2 工作原理

柴油機(jī)通過(guò)皮帶與三個(gè)液壓泵并聯(lián)，三個(gè)液壓泵將能量以液壓能傳遞到履帶，傾斜、水平傳送帶，開(kāi)溝葉片的液壓馬達(dá)。整機(jī)開(kāi)始正常工作。

首先完成U型槽土方掘進(jìn)。掘進(jìn)機(jī)開(kāi)啟后，固定在主軸前端的掘進(jìn)葉片，在高速旋轉(zhuǎn)的主軸帶動(dòng)下向前掘進(jìn)，挖掉如圖2所示A部分土壤。然后焊接在U型筒壁前端的兩片切土刀具會(huì)隨著車體整體前移，將剩余土壤（B部分）成片切下，掉落到U型筒內(nèi)。切土刀片切下的土壤呈塊狀，被高速轉(zhuǎn)動(dòng)的開(kāi)溝葉片打碎，且向后輸送，接著由焊接在U型筒壁后側(cè)的螺旋輸送機(jī)輸送，由輸出口掉落到傳送帶上，最后被輸送到溝渠一側(cè)，即完成了U型溝渠的初步成型。在初步成型過(guò)程中支撐板緊貼地面，提升油缸壓著U型筒，使機(jī)體在行進(jìn)的過(guò)程中既能鏟平凸起，又能填補(bǔ)凹坑，U型溝渠成型完成。在掘進(jìn)過(guò)程中，一體機(jī)能利用自身重量進(jìn)一步壓實(shí)溝渠，提高溝渠土密實(shí)度。

然后完成U型槽混凝土襯砌。掘進(jìn)機(jī)后端通過(guò)鋼絲繩連接著攤鋪裝置，與掘進(jìn)機(jī)同步運(yùn)動(dòng)。導(dǎo)向滑模截面形狀與U型溝渠形狀一樣，兩者緊密配合。導(dǎo)向滑模起到為襯砌定向以及支撐整個(gè)襯砌機(jī)的作用。

成型滑模的尺寸比導(dǎo)向滑模小40-50mm，混凝土由料斗底部的分料板分配到進(jìn)料口的兩側(cè)，進(jìn)入到成型滑模與U型溝渠之間的間隙中均勻攤鋪。成型滑模中的震動(dòng)器在電機(jī)的帶動(dòng)下前后振動(dòng)，使攤鋪的混凝土平整壓實(shí)。成型滑模兩側(cè)設(shè)置有壓邊板，對(duì)U型溝渠及鎖口進(jìn)行整形。

2.3 施工程序

首先在施工區(qū)域放樣，滿足設(shè)計(jì)渠道的占地面積和施工必須具備的混凝土運(yùn)輸機(jī)械臨時(shí)施工通行道路，在規(guī)定的范圍之內(nèi)進(jìn)行表土剝離，剝離的土方堆放在剝離線兩邊待完工后反回開(kāi)挖區(qū)以保證地力，土方開(kāi)挖深度控制在6cm以內(nèi)，避免造成凸凹不平影響耕種，填筑渠道土方要分層壓實(shí)，每層不超過(guò)20cm，然后對(duì)填筑的渠道堤面釆用機(jī)械按設(shè)計(jì)高程平整，之后將掘進(jìn)機(jī)及攤鋪機(jī)開(kāi)上作業(yè)面沿石灰標(biāo)線開(kāi)始施工。

攤鋪的混凝土強(qiáng)度要求達(dá)到C20，釆用0.5—2cm的石料參入適量中粗砂，拌制好的混凝土，用專用運(yùn)輸車輛運(yùn)至攤鋪現(xiàn)場(chǎng)裝進(jìn)料倉(cāng)，開(kāi)動(dòng)掘進(jìn)機(jī)和振動(dòng)器，開(kāi)始實(shí)施攤鋪?；炷撂涠茸詈每刂圃?0-90mm之間。

混凝土在攤鋪過(guò)程中，用人工進(jìn)行混凝土表面及鎖口壓平摸光，并為了防止伸縮不均產(chǎn)生不規(guī)則裂縫，每隔10m左右分縫，用機(jī)械切縫，切縫深度為混凝土厚度的2/3，寬度1cm，縫口用泥青砂漿填滿。

混凝土澆注工序結(jié)束以后，要加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)工作，養(yǎng)護(hù)期滿，將施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行清理：一是將剝離的表層土返回渠堤待成型，清除各種不利農(nóng)耕的所有廢棄物；二是對(duì)渠堤重新放樣復(fù)核，整理成設(shè)計(jì)規(guī)定的斷面，然后工程進(jìn)入試用待交期。

注意事項(xiàng)：（1）丘陵地區(qū)渠道施工最小轉(zhuǎn)彎半徑不得小于25m；（2）混凝土坍落度不可大于規(guī)定值，否則U型墻壁混凝土無(wú)法依附；（3）混凝土運(yùn)輸最好使用混凝土運(yùn)輸專用車，以保證混凝土活易性；（4）施工人員每臺(tái)機(jī)械配20人以內(nèi)，每天約完成800—1000m。

3 U型一體機(jī)施工的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)

U型一體機(jī)在施工時(shí)相比傳統(tǒng)施工方式擁有多處改進(jìn)或優(yōu)勢(shì)，在很大程度上彌補(bǔ)現(xiàn)有施工方式的缺陷，不僅簡(jiǎn)化了施工，而且制作的混凝土U型防滲渠，在質(zhì)量上優(yōu)于傳統(tǒng)施工制作的渠道，能充分發(fā)揮U型渠的優(yōu)勢(shì)。

（1）采用U型一體機(jī)施工，能在最大限度上用機(jī)械替代人力。渠道開(kāi)挖和渠道襯砌均由機(jī)械一體化完成，人力只作為機(jī)械操作的管理人員參與施工，負(fù)責(zé)控制機(jī)械和施工進(jìn)度。在傳統(tǒng)施工方式中，人力作為主要的勞務(wù)輸出主體，不僅費(fèi)用高，而且經(jīng)常存在由于施工不熟練或主觀思想不積極導(dǎo)致的偷工減料，進(jìn)一步影響了施工質(zhì)量。采用機(jī)械化作業(yè)，能在一定程度上杜絕此現(xiàn)象的發(fā)生，而且利用U型一體機(jī)開(kāi)挖，其開(kāi)挖效率是人工開(kāi)挖的20倍，把人從繁重的體力勞動(dòng)解放出來(lái)，將其投入更重要的質(zhì)量管理等工作中。

（2）U型一體機(jī)開(kāi)挖的斷面質(zhì)量遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)施工方式。該機(jī)開(kāi)挖采用切土與旋轉(zhuǎn)掘進(jìn)共同作業(yè)的方式進(jìn)行。在掘進(jìn)過(guò)程中，掘進(jìn)筒前有導(dǎo)向板為掘進(jìn)導(dǎo)向，使開(kāi)挖能沿著設(shè)定的路線進(jìn)行。切土刀片和掘進(jìn)刀片粗挖后，U型筒隨機(jī)體行進(jìn)，既能鏟平粗挖渠槽中的凸起，又能填補(bǔ)凹坑，使渠道平整。而傳統(tǒng)施工中一般采用人工先立外模，再依據(jù)外模修整渠道，經(jīng)常會(huì)有渠道斷面前后不一致，耗時(shí)費(fèi)工的問(wèn)題。該機(jī)開(kāi)挖后的渠道修整統(tǒng)一以U型筒為模板，U型筒隨機(jī)體行進(jìn)，修整出的斷面前后一致。同時(shí)，在開(kāi)挖過(guò)程中，該機(jī)體和U型筒以自生重量對(duì)土層進(jìn)行一次同時(shí)從內(nèi)外施壓的壓實(shí)作業(yè)，密實(shí)了U型槽斷面的土體，限制了施工后的變形。

（3）U型一體機(jī)襯砌施工過(guò)程和質(zhì)量均優(yōu)于傳統(tǒng)施工方式。U型襯砌機(jī)以傳動(dòng)皮帶帶動(dòng)多級(jí)振動(dòng)器工作，振動(dòng)器與內(nèi)模組合形成震動(dòng)模，震動(dòng)模震動(dòng)吃料，全方位振搗達(dá)到混凝土密實(shí)，同時(shí)由于內(nèi)模為一體模，混凝土不出現(xiàn)漏漿，再經(jīng)拖模收漿，穩(wěn)定拉光定型，形成U型混凝土渠道，U型機(jī)過(guò)后，由人工對(duì)渠道表面進(jìn)行3次以上人工壓光收面。U型機(jī)能將混凝土一次澆筑成型，振動(dòng)密實(shí)，連續(xù)工作，制作出的混凝土表面平整、光滑，不出現(xiàn)少漿、蜂窩、麻面，施工接縫遠(yuǎn)少于預(yù)制施工，糙率小于0.015，襯砌效率是人工襯砌的12倍。此外，對(duì)于不同的地質(zhì)條件，能通過(guò)調(diào)整一體機(jī)的U型渠內(nèi)外模改變澆注混凝土（襯砌渠道）厚度，靈活性強(qiáng)，有效保證渠道襯砌的防滲和穩(wěn)固渠道斷面的質(zhì)量。

（4）U型一體機(jī)襯砌施工最小行走半徑為25m，可以廣泛在平原、丘陵地區(qū)應(yīng)用。

4 應(yīng)用與效益

4.1 工程建設(shè)應(yīng)用

自從U型機(jī)問(wèn)世以來(lái)，該機(jī)械被經(jīng)濟(jì)投入到實(shí)際應(yīng)用中，承接了大量的類似工程，先后在沙洋、荊州、荊門、江北、襄凡、武漢等地區(qū)進(jìn)行混凝土U型防滲渠的施工，共承建U型渠道項(xiàng)目28個(gè)320公里，總價(jià)值約2億多元，創(chuàng)造出良好的經(jīng)濟(jì)效益，給這些受益區(qū)域提供了良好工程服務(wù)，得到了受益區(qū)域的一致好評(píng)。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益

使用自走式U型溝渠土方掘進(jìn)襯砌一體機(jī)可節(jié)約大量的勞動(dòng)力，其開(kāi)挖工效相當(dāng)于人力的20倍，襯砌工效相當(dāng)于人力的12倍，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益。平均每生產(chǎn)一公里U型渠較現(xiàn)有生產(chǎn)方式降低造價(jià)1.36萬(wàn)元左右。

5 結(jié)語(yǔ)

自走式U型溝渠土方掘進(jìn)一體機(jī)是在混凝土U型渠施工中研制和發(fā)明的。自2011年U型機(jī)投入運(yùn)用以來(lái)完成了320km的渠道施工，工程實(shí)踐證明，U型一體機(jī)不僅能解決U型渠施工中的質(zhì)量不佳、耐久性差、投入費(fèi)用大等問(wèn)題，而且大大加快了施工進(jìn)度，可以縮短工期，降低工程造價(jià)?？梢灶A(yù)料，該機(jī)的大量應(yīng)用，將徹底改變?nèi)藗儗?duì)混凝土U型渠的施工質(zhì)量看法。

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