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        自走式U型溝渠土方掘進(jìn)襯砌一體機(jī)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

        2017-05-27 12:09:27孫春光石自堂朱雨平
        中國(guó)科技縱橫 2016年22期
        關(guān)鍵詞:混凝土

        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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