机械化渠坡衬砌施工工艺试验分析

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  【摘 要】 随着我国跨流域调水工程的大规模的实施,机械化生产将是完成施工任务的必然趋势。为了检验衬砌机械化施工的机械性能和生产能力,检验与实际生产能力相匹配的配套机械性能,以及确定衬砌机的各种工作参数等,对机械化衬砌工作各工序进行了试验。此次试验给后续机械化衬砌施工提供了宝贵的技术支持。
  【关键词】 机械化;衬砌;试验;混凝土
  1、工程概况
  本工程为南水北调工程的一部分,位于河北省境内,渠道总长6611.416m,其中土渠段长5654m。渠道设计流量125m3/s,设计纵坡1/20000~1/25000,设计底宽18.5~22.5m,设计水深4.5m,边坡系数为0.7~2.0。渠道过水断面型式为梯形。土渠段过水断面混凝土衬砌厚度边坡10cm,渠底8cm,特殊部位适当加厚。纵向约4m分缝(渠坡纵向缝为半缝),横向4m分缝,通缝宽2cm,半缝缝宽1cm,缝内上部为2cm厚明渠专用聚硫密封胶止水,下部为聚乙烯闭孔泡沫塑料板隔缝。
  本次衬砌混凝土施工现场工艺试验场地选择在桩号144+962.4~145+106.4段渠右边坡,长度100m,试验时间自7月4日~7月14日完成。
  2、工艺试验的目的
  本次现场工艺试验的目的:
  1、检验衬砌机械化施工系统的机械性能和生产能力,检验与实际生产能力相匹配的配套机械性能;
  2、确定衬砌机的工作参数:包括衬砌机的行走速度、振捣时间、抹面压光的适宜时间和遍数以及切缝时间;
  3、确定辅助机械、机具的种类和数量,使用各种机械、机具的劳动力数量和定岗、定员等,确定人员编制;
  4、检验新拌混凝土坍落度、泌水量、水胶比等适应衬砌机械化施工的情况;
  5、确定施工产量和进度,完善施工进度。
  3、试验依据
  1、《渠道混凝土衬砌机械化施工技术规程》;
  2、《渠道工程施工技术要求》;
  3、合同文件、施工图纸及设计修改通知;
  4、现行的规范、规程、标准及相关各种配套文件。
  4、工艺试验施工组织
  4.1试验场地
  土渠衬砌混凝土施工现场工艺试验场地布置为144+962.4~145+062.4渠右进行试验。该段渠道设计渠底宽18.5m,渠坡坡比1:2.0,坡长14.536m。渠右坡混凝土衬砌厚度为10cm,聚苯乙烯保温板铺设厚度为6cm。此次试验衬砌混凝土155m3,铺设保温板1310m2。
  4.2入仓道路布置
  拌和站至白堡东公路桥辅道采用现有的施工便道,然后从白堡东公路桥辅道至渠右一级马道,至试验段端点下完料后再前行至白莲峪公路桥辅道,然后返回拌和站。
  4.3水、电布置
  施工用水采用洒水车运送,在马道上布置塑料桶装水,采用软管从塑料桶处接至各施工用水面。
  各施工用电机具采用在现场配置75KW发电机,施工设备及照明均用电缆线连接至发电机。
  4.4设备配置
  主要施工设备及检验仪器设备见下表。
  序号 设备名称 规格及型号 数量 备注
  1 拌和站 60m3/h 1座
  2 渠道衬砌机 PMCQ650型 1台
  3 混凝土搅拌运输车 6m3 2台
  4 钻芯取样钻机 100型 1台
  5 抹光机 0.5kw 2台
  6 切缝机 EX-100 2台
  7 平板振捣器 1.5kw 2台
  8 插入式振捣器 φ25,1.1kw 2台
  9 发电机组 75kw 1台
  10 试验仪器 1套
  11 全站仪 1台
  衬砌机采用PMCQ650型多功能衬砌机,其生产能力为10~30m2/h,大车行走速度0~10m/min,摊铺小车速度2~30m/min,布料小车速度2~30m/min,每次摊铺宽度0.2~0.4m,摊铺厚度10~30cm。
  4.5人员安排
  为了保证衬砌试验的顺利进行,每班配备2名管理人员,1名技术人员,1名机械操作人员,保温板铺设人员2人,轨道安装人员2人,模板安装人员2人,抹面人员4人,混凝土下料配合人员2人,辅助振捣人员2人,切缝人员2人,养护人员1人,实际施工操作人员为18人。边坡修整由另外的施工队伍提前100m左右修整好。
  5、渠道衬砌工艺试验施工方法
  衬砌试验从7月4日开始,7月15日结束,共计进行了6次,每次衬砌长度分别为12m、12m、24m、24m、24m、12m。现将主要施工过程总结如下:
  5.1施工放样
  在修坡前由测量队根据设计图纸放出建基面的开口桩及高程,在衬砌混凝土前再放出轨道高程、位置及衬砌混凝土的模板位置、高程。同时,在有横向排水管的部位放出位置,并留设一个宽1m,高度在排水管底部10cm的槽,以便施工横向排水管。
  5.2保温板的铺设
  保温板铺设从上往下进行,对局部不平整部位采用石粉进行铺平,在放置保温板前用2m靠尺刮平,保温板放好后再用铁钉将其钉紧在基面上。由于保温板铺设时局部空隙较大,因此,为避免在此处形成薄弱环节,由铺设人员根据空隙宽度另外裁剪宽度合适的保温板进行填充,并保证密实。保温板铺设完毕后,尽量减少人员在其上行走,如必须行走,也需在保温板上铺上木板或梯子后才能行走。
  5.3混凝土衬砌
  5.3.1模板安装
  在第一次浇筑混凝土时,先将模板按设计边坡线安装好,然后四周用砂袋将模板周边的支架压住,每6m模板支架上压3个砂袋,砂袋高度應低于模板的高度,以免影响衬砌机入仓及出仓。经过试验,拆模后检查,证明此种办法能够保证模板的稳定,可以今后施工中采用。   5.3.2混凝土拌和、运输
  混凝土拌和前,由实验室测定砂、石含水率,根据含水率确定施工配合比,然后交拌和站进行混凝土的拌和。在实验过程中,按6cm的坍落度进行配制,但在经过20min搅拌车到达现场没坍落度后,坍落度为4cm,下料过程中混凝土料无法成堆,容易向下滑。经分析原因,主要是因为此段边坡过陡,且保温板表面比较光滑,如混凝土坍落度不合适,将无法下料。分析原因后,及时调整了混凝土的坍落度,出机口坍落度按3.5~4.5cm控制,实际出机口坍落度2.9~4.8cm,经过15~20min到达现场后,经测定入仓坍落度为1.2~3.2cm。下料过程中除个别因坍落度过小下料慢外均能正常入仓。经过试验,拟在下一步的施工中出机口坍落度控制在3.5~4.5cm。试验阶段混凝土坍落度检测值见下表:
  5.4.3边坡混凝土衬砌
  浇筑前衬砌机操作人员应先调整衬砌机机架的坡比及高程,校核无误后进行混凝土的浇筑,避免在浇筑过程中因坡比及高程与设计不一致时再去调整,从而耽误时间,也影响混凝土的下料。混凝土由混凝土搅拌运输车运至布料机进料口,考虑混凝土坍落度很小,因此,派专人在进料口处进行喂料。混凝土下至布料机后,再由铺料小车将混凝土均匀摊铺在衬砌仓面上。摊铺时应注意使摊铺料高出平料螺旋机1~2cm,以便平料螺旋机能将混凝土进行初步整平。在整平过程中混凝土下料及平仓人员应时刻注意观察,发现混凝土料低于螺旋布料机时应及时添料,高于螺旋布料机时应及时铲走,以免堆得过高影响到平板振捣器的振捣及轧光辊的整平提浆及压光。
  混凝土在铺至仓面上后,由棒式振捣器从下向上行走,边行走边振动。行走过程中振捣器应全部开启,以保证混凝土能振捣密实。行走速度控制在5m/min、10m/min分别进行试验,以检验不同的行走速度对混凝土密实性的影响,取得在满足密实性的前提下振捣器的最大行走速度。经过取芯检查,混凝土密实性均较好,在下一步的施工中可按10m/min进行控制。
  在衬砌机平移至一定距离,轧光辊全部进入仓内后,即开动轧光辊进行精平、压实及提浆。在施工过程中,由于混凝土面比轧光辊高,因此,轧光辊在向上行走平整压实时,带出部分浆液留在已滚好的仓面上,在轧光辊再从上向下平整压实时如不能及时将多余的浆液铲走,则又将浆液压在已平整好的仓面条带上,导致因混凝土料过多而仓面不平。针对此种情况,要求在施工中混凝土下料人员注意观察,发现浆液留在已平整好的仓面上时及时铲走,如不能及时铲走则可将轧光辊暂时停下,待仓面上多余的混凝土清走后再将轧光辊从上向下压实整平一次。在试验过程中,为了验证轧光辊的运行速度对混凝土的密实性、提浆效果、仓面平整的影响,分别采取了运行速度为5m/min、10m/min、15m/min进行了试验,根据试验情况,轧光辊的运行速度在10m/min中时混凝土压实效果、提浆效果及仓面平整度均较好,能达到设计的要求。
  混凝土在浇筑过程中,衬砌机对有些部位无法振捣密实,主要是模板的四周及下部齿槽部位,因此,浇筑混凝土时安排专人用φ25插入式振捣器进行振捣,振捣时要求振捣器离模板边5cm左右,并不得漏振,以确保模板周边混凝土的密实。
  5.4.4混凝土的收光
  在混凝土浇完4h左右时,即混凝土快达到初凝时,此时用手扶式抹光机进行抹面提浆。前期由于抹光机抹面时间较早,导致磨光机在仓面上运行时局部部位下陷,影响到混凝土的平整度。在发现此种情况后,及时调整抹光机抹面的时间,要求磨光机及人员上仓面后混凝土基本不下陷为准,此时用磨光机进行抹面。在磨光机提出浆后,再人工分三遍进行收光,收光时间分别为20min、30min、20min。
  5.5混凝土的养护
  混凝土浇筑完成的养护是一项非常关键的工作。为此,在试验进行之前即充分考虑采取不同的养护措施。对混凝土达到终凝后切缝前的养护,采取洒水、覆盖养生棉并洒水湿润的办法进行养护,在切缝过程中,则经常洒水养护,切完缝后采取涂刷养护剂并覆盖薄膜的办法进行养护。在实际养护过程中,发现涂刷养护剂并覆盖薄膜的办法在本工程上应用不是很好,主要原因是由于薄膜很轻,边坡较陡,在风力较大时薄膜很容易被吹破,如不能及时重新覆盖则很难达到养护要求。因此,在工程实施中拟采用在仓面上覆盖养生棉然后晒水保持仓面湿润的办法来进行混凝土的养护。
  5.6切缝
  在混凝土达到强度要求后,即用人工有坡面上将横缝及纵缝用墨线弹好,切缝均用手扶式切缝机进行切缝,切缝时按先横后纵、先通缝后半缝的原则进行。
  本次试验段分别为12~36m,12m范围内横缝(半缝)的长度为14.91m,计2条,纵缝长度为12m,计3条;36m范围内横缝(半缝)的长度为14.91m,计6条,横缝(通缝)的长度为14.91m,计2条,纵缝长度为36m,计3条。试验过程中根据混凝土的强度检验,在12h内混凝土强度即达1.2MPa。因此,在浇完混凝土12h后即安排进行切缝。在实际切缝过程中,经过观察,一台切割机每小时可切割15m长的横缝,每小时可切割纵缝16m。根据要求,所有切缝均应在24h内切完,因此,浇筑36m长的衬砌混凝土时一台切缝机切横缝所需时间为8h,切纵缝所需时间为6.75h。按此计算,一台切缝机可满足目前的进度要求。
  6、试验成果分析
  6.1衬砌混凝土厚度及密实度检测
  试验结束后,我部对已完成的衬砌混凝土进行了取芯检查。检查结果附下:
  桩号 芯样长(cm) 设计厚度(cm) 外观质量
  144+975 16 10 表面光滑、密实
  145+004 12 10 表面光滑、密实
  145+032 14 10 表面光滑、密實
  145+042 13 10 表面光滑、密实   145+056.5 11.9 10 表面光滑、稍有孔
  145+067 11 10 表面光滑、稍有孔
  从检查结果看,所有芯样均比原设计要厚,这说明边坡削坡均有超挖现象,在下一步施工中应引起特别的重视,减少边坡削坡的超挖量。从密实情况来看,除二个芯样下部有局部蜂窝外,其余均能达到密实要求,说明目前所采用的衬砌机及施工方法、操作程序可以满足设计要求。二个稍有孔的芯样厚度均比另外芯样短,分析原因主要是因为在铺料时比较薄,棒式振捣器难以振捣到位所致。
  6.2外观检测
  混凝土表面无麻面、裂缝,混凝土表面平整度除个别部位大于1cm外其余均能满足设计要求。
  6.3渠道基面实测项目
  试验完成后,对渠道基面进行了测量,主要对渠基顶面轴距、高程,底部轴距、高程进行了检测。共计检测了66点,其中合格点数60点,合格率为91%。
  7、试验结果分析
  1、从本次试验结果来看,所采用的PMCQ650型衬砌机能保证混凝土的密实性及平整度。虽然在试验阶段其生产能力达到3m3/h,但这并不是此种机型的最大生产能力。在试验阶段只能达到3m3/h,主要是因为混凝土下料速度较慢,棒式振捣器及轧光辊的工作效率只达到50%左右。因此,在下一步施工中如能解决搅拌车下料慢的问题,预计单班生产能力(12h)可达到70m3。
  2、本次试验的目的之一是确定衬砌机的行走速度、振捣时间、抹面压光的适宜时间和遍数以及切缝时间;从试验情况来看,衬砌机的行走速度为2m/h,棒式振捣器行驶速度为10m/min,平板振动器及轧光辊行驶速度为10m/min可满足混凝土的密实要求。混凝土在轧光辊压光后经过4h左右上手动圆盘磨光机抹面比较合适。在磨光机抹面后由人工抹面三次,间隔时间分别为20min、30min、20min。混凝土在浇完后12h后强度即大于1MPa,因此,在12h后即应马上组织切缝,并在24h内切完。
  3、混凝土坍落度的控制,目前拌和站至浇筑现场运距约为1.3km。根据规范要求混凝土出机口坍落度为4~6cm,但从试验情况来看,如采取4~6cm的坍落度则混凝土到达现场后无法铺料,因此,根据实际情况,混凝土出机口坍落度控制在3.5~4.5cm,混凝土入仓坍落度为2.5~3.5cm(坍落度损失值为0.5~1cm)时能顺利铺料。
  8、存在的问题分析
  1、目前光面均采用人工直接在坡面上进行,由于坡面较陡,人员光面很容易向下滑,给施工造成很大的不便。为此,需订制施工桁架,在下一步施工时即可进场使用。
  2、由于在试验阶段未采取分仓浇筑,而是连续浇筑,因此,对在通缝处采取的是预埋聚乙烯闭孔泡沫塑料板来设置横缝。在施工过程中发现由于此处是浇完混凝土后再将混凝土掏开,在埋好泡沫板后再用混凝土回填振实。这样导致此处平整度很差,且通缝难以在一条直线上,导致切缝后宽度很宽,有时未正好切在泡沫板上。因此,下一步施工中我部拟只在齿槽处将闭孔泡沫板埋好,边坡上的通缝在混凝土浇筑完后再用切缝机进行切缝。在切缝时先切通缝,再切半缝,再后切纵缝。
  3、经过现场观察,在铺料时混凝土料应比螺旋布料机高出1~2cm,在平移衬砌机时,平移长度应小于螺旋布料机宽度5~10cm,以免中间出现漏空现象,同时,在平板振捣器及轧光辊上行时,应组织人员及时将下部多余的料铲除,不够的部位及时补料,避免因混凝土料过多从而无法压平压光。
  参考文献:
  1、作者:吴安良,水利工程施工,中国水利水电出版社,2004年
  2、作者:梅孝威,水利工程技术管理,中国水利水电出版社,2000年
  3、作者:R.PARK,钢筋混凝土板,同济大学出版社,1991年
  4、作者:王時龙,机械设备安全学,中国电力出版社,2008年
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