□杜軍民 □王 源

（河南省南水北調(diào)中線工程建設(shè)管理局安陽段建管處）

南水北調(diào)中線一期工程總干渠安陽段渠道設(shè)計(jì)中首次采用5cm厚粗砂墊層結(jié)構(gòu)，特別是在1∶2坡比的坡面上要求其相對密度不低于0.7，不但國內(nèi)以前沒有先例，就是已成功建設(shè)完成的南水北調(diào)中線307.5km京石段應(yīng)急供水渠道也沒有嘗試過，東線工程中也沒有使用。如何解決此問題，不僅影響著工程進(jìn)度，更影響著渠道襯砌整體質(zhì)量。我們依托中國水利水電第十一工程局承建的第五施工標(biāo)段最先進(jìn)行渠道襯砌的工程實(shí)體，一步一步研究探索，并最終解決了此難題。

一、工程概況

安陽段是南水北調(diào)中線一期工程總干渠Ⅳ渠段（黃河北～漳河南段）的組成部分，位于該渠段的末端，是中線工程河南段除穿黃工程外的首開工程。全渠段總長40.262km，其中渠道長度39.299km。渠線穿越大小河流19條，沿線共布置各類交叉建筑物76座。其中，V標(biāo)渠段長5428.1m，位于洪河安陽河工程地質(zhì)段內(nèi)，粘性土均一結(jié)構(gòu)。渠道采用明渠設(shè)計(jì)，梯形斷面，型式為上口寬 52.6～54.1m，底寬 17～18.5m，邊坡 1∶2，渠深 8.9m，坡面長20m。正常水深7m，加大水深7.384m。渠道結(jié)構(gòu)型式自下而上為：基面削坡、5cm粗砂墊層、2cm厚的保溫板、防滲復(fù)合土工膜、8cm、10cm厚混凝土面層。

二、渠道襯砌粗砂墊層（5cm厚）的技術(shù)難點(diǎn)

粗砂墊層（5cm厚）在渠道襯砌結(jié)構(gòu)中承擔(dān)著土基土壤滲水的反濾、保溫板材料的承壓基面找平和保護(hù)功能，同時(shí)具有典型的超薄特征。在工序施工上，又是渠道襯砌結(jié)構(gòu)層的第一道工序。由于5cm厚粗砂墊層渠道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在安陽段是第一次采用，沒有經(jīng)驗(yàn)可供借鑒，沒有成熟的機(jī)械設(shè)備可供選擇，施工方法及工藝更需要摸索。

主要的技術(shù)難點(diǎn)可以歸納為：如何實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求的平整度、坡比和厚度；如何達(dá)到設(shè)計(jì)要求的0.7相對密度指標(biāo)；什么樣的施工方法和工藝可以保證工程質(zhì)量，并適合于推廣使用。

三、渠道襯砌機(jī)械應(yīng)用現(xiàn)狀及分析

目前市場上主要的大型渠道襯砌機(jī)械有：振動(dòng)滑模式襯砌機(jī)，振動(dòng)碾壓式襯砌機(jī)。其中：

振動(dòng)滑模式襯砌機(jī)由行走裝置、升降裝置、布料系統(tǒng)、振動(dòng)裝置、滑模成型裝置、電控系統(tǒng)、框架結(jié)構(gòu)等部分組成，核心設(shè)備是落料倉內(nèi)均勻布置著高頻低幅振搗棒和料倉后部的滑模裝置。布料系統(tǒng)可以完成砂墊層布料，滑模裝置可以完成平整度、厚度及坡比控制，但由于砂墊層只有5cm厚，高頻低幅振搗棒難以滿足壓實(shí)要求。

振動(dòng)碾壓式襯砌機(jī)由自動(dòng)行走系統(tǒng)、框架結(jié)構(gòu)、自動(dòng)布料系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、升降系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)和振搗系統(tǒng)等組成，關(guān)鍵設(shè)備攤鋪小車擁有螺旋攤鋪機(jī)、深層插入振動(dòng)棒、震動(dòng)壓光輥。按功能分析，自動(dòng)布料系統(tǒng)可完成砂墊層布料，螺旋攤鋪機(jī)可完成均勻攤鋪，震動(dòng)壓光輥可嘗試壓實(shí)砂墊層。

四、解決思路及方案比選

從目前現(xiàn)有機(jī)械設(shè)備情況看，問題的核心是如何達(dá)到設(shè)計(jì)要求的0.7相對密度指標(biāo)。以此為出發(fā)點(diǎn)，查找相關(guān)技術(shù)資料和類似施工經(jīng)驗(yàn)，做以下方案進(jìn)行比選。

（一）單獨(dú)運(yùn)用振動(dòng)碾壓式襯砌機(jī)直接施工

結(jié)合已有的渠道混凝土襯砌方法，用自卸汽車把粗砂堆于一級(jí)馬道上，人工上料，通過自動(dòng)布料系統(tǒng)完成砂墊層布料。轉(zhuǎn)動(dòng)螺旋完成整平和多余料的轉(zhuǎn)移，振動(dòng)壓光輥完成壓實(shí)和收光作業(yè)。本文稱為方案一。

（二）運(yùn)用振動(dòng)碾壓式襯砌機(jī)和配置自行設(shè)計(jì)生產(chǎn)的平板振動(dòng)器施工

考慮振動(dòng)壓光輥有可能達(dá)不到壓實(shí)指標(biāo)，自行研制一套壓實(shí)裝置，懸掛于主襯砌機(jī)的桁架結(jié)構(gòu)上，替代完成壓實(shí)作業(yè)。本文稱為方案二。

（三）人工攤鋪粗砂墊層，振動(dòng)碾壓式襯砌機(jī)精平和預(yù)壓，懸掛壓實(shí)裝置實(shí)現(xiàn)終壓

為考慮成本控制，提高襯砌機(jī)械使用效率，用人工直接把粗砂攤鋪于基面上并初平，替代襯砌機(jī)布料；用轉(zhuǎn)動(dòng)螺旋完成整平和多余料的轉(zhuǎn)移，振動(dòng)壓光輥初壓；懸掛的壓實(shí)裝置實(shí)現(xiàn)終壓。本文稱為方案三。

（四）人工攤鋪粗砂墊層，懸掛壓實(shí)裝置實(shí)現(xiàn)壓實(shí)

綜合成本因素、效率因素、工程質(zhì)量因素等，采用人工直接把粗砂攤鋪于基面上并精平，替代振動(dòng)滑模式襯砌機(jī)布料作業(yè)；單獨(dú)加工一套壓實(shí)設(shè)備，主要包括行走裝置、自動(dòng)控制裝置、框架結(jié)構(gòu)、壓實(shí)裝置、傳動(dòng)系統(tǒng)等，完成5cm厚粗砂壓實(shí)、平整度、坡比控制等作業(yè)。本文稱為方案四。

五、工程實(shí)體試驗(yàn)

在經(jīng)過充分準(zhǔn)備，原材料、襯砌機(jī)械安裝調(diào)試、人員培訓(xùn)、方案討論細(xì)化等完成后，于2007年10月25日至11月20日進(jìn)行工程實(shí)體試驗(yàn)。

（一）實(shí)施方案一

根據(jù)計(jì)算，試驗(yàn)過程粗砂墊層的虛鋪系數(shù)采用1.30，對應(yīng)的虛鋪厚度為6.5cm?，F(xiàn)場試驗(yàn)攤鋪按6.5～6.6cm控制，通過調(diào)整襯砌機(jī)4根支腿的高度實(shí)現(xiàn)。粗砂（機(jī)制砂）的含水率以3%、3.5%、4%、4.5%、5%、5.5%、6%、7%等指標(biāo)進(jìn)行對比試驗(yàn)。在坡面試驗(yàn)區(qū)段50m范圍內(nèi)劃分多個(gè)小區(qū)間，階梯板隔開，人工對不同試驗(yàn)含水率用背負(fù)式農(nóng)用噴霧器精細(xì)補(bǔ)水，塑料薄膜覆蓋方式保水。

利用振動(dòng)碾壓式襯砌機(jī)的布料系統(tǒng)，人工喂料完成粗砂墊層的均勻攤鋪；螺旋裝置和振動(dòng)壓光輥完成精平和初壓；人工精細(xì)控制試驗(yàn)區(qū)段的含水率；振動(dòng)壓光輥壓實(shí)。

1.試驗(yàn)結(jié)果

從碾壓第1遍到第7遍實(shí)測數(shù)據(jù)，不管碾壓輥是從上而下或從下而上，各組數(shù)據(jù)均不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求的0.7相對密度指標(biāo)，第4遍達(dá)到峰值；實(shí)測平整度、厚度、坡比均能達(dá)到規(guī)程要求，外觀平整，部分試驗(yàn)區(qū)段有鱗片狀波紋。

2.結(jié)果分析

由于5cm厚粗砂墊層太薄，壓光輥和粗砂墊層接觸面小，半徑不夠大、砂墊層較薄，振動(dòng)碾壓時(shí)，砂子會(huì)向輥?zhàn)拥膬蓚?cè)壅起，最終達(dá)不到預(yù)期效果。由此，增大接觸面的壓實(shí)設(shè)備思路產(chǎn)生。

（二）實(shí)施方案二

此方案重點(diǎn)解決壓實(shí)設(shè)備問題。通過模擬和試驗(yàn)改裝，采用0.75kW、1.5kW兩種標(biāo)準(zhǔn)平板振動(dòng)器（托盤尺寸：43cm寬、71cm長、4mm厚）進(jìn)行工程實(shí)體試驗(yàn)。

試驗(yàn)過程中，第一步采取不在坡面行走方式，結(jié)果顯示，兩種壓實(shí)設(shè)備的壓實(shí)效果基本相同，均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。第二步采取在坡面行走方式，結(jié)果顯示，0.75kW平板的效果優(yōu)于1.5kW平板，但均達(dá)不到設(shè)計(jì)壓實(shí)度指標(biāo)。初步原因分析：1.5kW的平板振動(dòng)器行走時(shí)，在坡面上跳動(dòng)比較大，平板邊對壓實(shí)后的砂擾動(dòng)大，致使其效果低于0.75kW的平板振動(dòng)器。

以尋求合理的振幅及擊振力為出發(fā)點(diǎn)，對標(biāo)準(zhǔn)平板振動(dòng)器進(jìn)行改造，進(jìn)一步利用1.2kW、1.5kW、2.0kW3種平板振動(dòng)電機(jī)與不同面積及不同重量的自制面板（60cm寬×100cm長×面板厚度 3mm、60cm寬×100cm長×面板厚度 4mm、60cm寬×100cm長×面板厚度5mm）進(jìn)行組合，共組合出9種不同型式的平板振動(dòng)器進(jìn)行碾壓試驗(yàn)。結(jié)果顯示：以1.2kW振動(dòng)電機(jī)、以60cm寬、100cm長、面板厚度3mm的加筋板效果最佳，其次，是1.5kW振動(dòng)電機(jī)、以60cm寬、100cm長、托盤面板厚度5mm的加筋板，能達(dá)到預(yù)期目的。

按方案一的布局方式，以這兩種壓實(shí)設(shè)備進(jìn)一步試驗(yàn)，按壓實(shí)設(shè)備順坡面往返1次為1遍，壓痕重疊按一半控制。第1遍時(shí)，含水率為4.5%時(shí)，1.5kW振動(dòng)電機(jī)效果最好；第2遍時(shí)，含水率為4.2%時(shí)，1.2kW振動(dòng)電機(jī)效果最好。為提高工效，確定以1.5kW振動(dòng)電機(jī)模式開展施工。

（三）實(shí)施方案三

從試驗(yàn)實(shí)施過程來看，用襯砌機(jī)的布料系統(tǒng)完成施工，占用大部分的襯砌機(jī)械時(shí)間，效率低，工程成本較高，不利于大面積作業(yè)。在方案三中，采用了裝載機(jī)鏟料到坡面上，人工直接攤鋪并初平方式。

試驗(yàn)段長度采用不低于100m，同時(shí)配合渠道襯砌其他工序一道進(jìn)行方式。按確定的技術(shù)參數(shù)：虛鋪系數(shù)采用1.30，對應(yīng)的虛鋪厚度為6.5cm，現(xiàn)場試驗(yàn)攤鋪按6.5～6.6cm控制；碾壓含水率按4%～5%控制；碾壓遍數(shù)按1遍到2遍控制。2007年10月20日到11月2日，施工完成的5cm厚粗砂墊層檢驗(yàn)數(shù)據(jù)全部超過設(shè)計(jì)要求的0.7相對密度指標(biāo)，平整度、厚度、坡比等指標(biāo)均滿足規(guī)程要求。

（四）實(shí)施方案四

工程正式實(shí)施后，為加快施工進(jìn)度，新引進(jìn)了1臺(tái)振動(dòng)滑模式襯砌機(jī)，同時(shí)嘗試使用天然河沙（粗砂）。由于在此機(jī)械上掛置壓實(shí)裝置較難，且襯砌機(jī)械較重，工程使用成本較高，單獨(dú)加工了一套能行走的壓實(shí)設(shè)備，主要包括行走裝置、自動(dòng)控制裝置、框架結(jié)構(gòu)、壓實(shí)裝置、傳動(dòng)系統(tǒng)等，獨(dú)立完成5cm厚粗砂壓實(shí)、平整度、坡比控制等作業(yè)。

按照方案一布局方式，以壓實(shí)設(shè)備順坡面往返1次為1遍，壓痕重疊按10cm控制。試驗(yàn)過程粗砂（天然河沙）的虛鋪系數(shù)為1.25，其對應(yīng)虛鋪厚度為6.26cm，現(xiàn)場試驗(yàn)攤鋪按6.0～6.4cm控制。含水率以4%、5%、6%、7%、8%、9%、10%、11%等指標(biāo)進(jìn)行對比試驗(yàn)。用裝載機(jī)鏟料到坡面上，人工直接攤鋪并初平，用2m靠尺，專人全斷面進(jìn)行檢測，不平的地方做好記號(hào)，其他人員以精細(xì)修平方式完成攤鋪。第一遍，當(dāng)含水率為9.1%時(shí)，干密度達(dá)到1.78g/cm3，相對密度≥0.7的要求。其余含水率均不能滿足相對密度按0.7控制的要求；第二遍時(shí)，干密度值較第一遍上升幅度較大。數(shù)據(jù)顯示，含水率在7.4%～11.8%時(shí)，干密度值均≥1.77g/cm3，相對密度≥0.7，可滿足相對密度按0.7控制的要求；第三遍時(shí)，干密度值有所下降。數(shù)據(jù)顯示，含水率在8.4%～10.4%時(shí)，干密度值均≥1.77g/cm3，相對密度≥0.7，可滿足相對密度0.7控制的要求。依此確定碾壓遍數(shù)為2遍。檢測平整度、厚度、坡比等均滿足規(guī)程要求，但相比第3種方案，外觀略顯差一些。

六、能適用的機(jī)械設(shè)備型式及組合

根據(jù)工程實(shí)體現(xiàn)場反復(fù)試驗(yàn)、修改完善，最終確定能適用的機(jī)械設(shè)備型式及組合。

（一）“A”型壓實(shí)設(shè)備組合

人工攤鋪粗砂層，振動(dòng)碾壓式攤鋪機(jī)精平和預(yù)壓，懸掛壓實(shí)裝置終壓的組合方式。振動(dòng)碾壓式攤鋪機(jī)型號(hào)如中國水利水電第十一工程局生產(chǎn)的“銀河”牌或QDCQ650系列多功能襯砌機(jī)；自行研制生產(chǎn)的壓實(shí)裝置：1.5kW振動(dòng)器，振動(dòng)頻率48Hz，平板托盤，60cm寬、100cm長、5mm厚普通鋼板。本文稱為“A”型壓實(shí)設(shè)備。

（二）“B”型壓實(shí)設(shè)備組合

人工攤鋪粗砂層，自動(dòng)行走壓實(shí)裝置壓實(shí)組合方式。自行研制生產(chǎn)的桁架式框架結(jié)構(gòu)，包括行走裝置、自動(dòng)控制裝置、框架結(jié)構(gòu)、壓實(shí)裝置、傳動(dòng)系統(tǒng)等，其中的壓實(shí)裝置為：1.5kW振動(dòng)器，振動(dòng)頻率48Hz，平板托盤，60cm寬、100cm長、5mm厚普通鋼板；或同時(shí)懸掛兩臺(tái)稱為改進(jìn)型。本文稱為“B”型壓實(shí)設(shè)備。

七、新壓實(shí)設(shè)備的使用方法及施工工藝

（一）使用方法

1.“A”型壓實(shí)設(shè)備組合

“A”型壓實(shí)設(shè)備由于是在振動(dòng)碾壓式襯砌機(jī)桁架結(jié)構(gòu)上增加壓實(shí)裝置，只介紹壓實(shí)裝置的使用方法。要經(jīng)常檢查電路系統(tǒng)，確保用電安全；使用前檢查電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況，防止帶病作業(yè)；定期檢查固定裝置，防止變形引起坡比等不一致，影響壓實(shí)效果；每次使用完注意保養(yǎng)，并防止振動(dòng)電機(jī)受潮和淋雨；使用時(shí)，人工搖動(dòng)控制裝置，把平板振動(dòng)器放下，成自然松動(dòng)狀態(tài)置于粗砂面層上，但垂直繩長不要超過3cm。壓實(shí)方式均采用由下而上和由上而下結(jié)合方式。使用后，人工把平板振動(dòng)器提高固定；當(dāng)鋼板不夠厚時(shí)，注意更換托盤。

2.“B”型壓實(shí)設(shè)備組合

“B”型壓實(shí)設(shè)備自動(dòng)行走壓實(shí)裝置類似渠道襯砌機(jī)，在此只做簡單介紹。要經(jīng)常檢查電路系統(tǒng)，確保用電安全；使用前檢查電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況，防止帶病作業(yè)；定期檢查桁架結(jié)構(gòu)，防止變形引起坡比等不一致，影響壓實(shí)效果；每次使用完注意保養(yǎng)，并防止振動(dòng)電機(jī)受潮和淋雨；使用前，調(diào)節(jié)好上下軌道位置的升降系統(tǒng)，確保桁架結(jié)構(gòu)上壓實(shí)裝置的行車橫梁坡比和渠道坡比一致，同時(shí)保證固定平板振動(dòng)器成自然松動(dòng)狀態(tài)置于粗砂面層上，但聯(lián)接垂直繩長不要超過3cm。壓實(shí)方式均采用由下而上方式。使用后，通過升降裝置把平板振動(dòng)器提升到一定高度；當(dāng)鋼板不夠厚時(shí)，注意更換托盤。

（二）施工工藝

1.“A”型壓實(shí)設(shè)備組合

（1）粗砂補(bǔ)水和運(yùn)輸。5cm厚粗砂墊層施工前，檢驗(yàn)料場粗砂的含水率，如果不到最佳壓實(shí)含水率，適當(dāng)補(bǔ)水，并用自卸汽車把砂運(yùn)輸?shù)绞┕c(diǎn)的一級(jí)馬道上堆放。

（2）人工攤鋪。施工現(xiàn)場，用裝載機(jī)把粗砂鏟到坡面上，人工配合，按施工總結(jié)確定的虛鋪厚度，均勻地?cái)備佊谄旅?；若是施工渠道底板，為防止機(jī)械破壞土基面，可以利用施工渠道底板混凝土的配套機(jī)械，運(yùn)送到底板或采用小型運(yùn)輸車輛直接運(yùn)送到渠道地面。

（3）表面補(bǔ)水。攤鋪完成后，檢驗(yàn)粗砂含水率，不到預(yù)定的最佳含水率時(shí)，用噴管設(shè)備霧化形式適量補(bǔ)水，以達(dá)到最佳含水率。

（4）機(jī)械精平和初步碾壓。啟動(dòng)振動(dòng)碾壓式攤鋪機(jī)，打開螺旋和振動(dòng)壓光輥，進(jìn)行一遍精平和初步碾壓。

（5）平板振動(dòng)器壓實(shí)。關(guān)閉振動(dòng)壓光輥電源，打開平板振動(dòng)裝置，按10cm壓痕重疊進(jìn)行1遍壓實(shí)，如果效果不好，再進(jìn)行第2遍壓實(shí)，施工經(jīng)驗(yàn)證明，不能進(jìn)行第3遍壓實(shí)，會(huì)降低壓實(shí)效果。

2.“B”型壓實(shí)設(shè)備組合

（1）粗砂補(bǔ)水和運(yùn)輸。具體方法同于“A”型壓實(shí)設(shè)備組合，不重復(fù)講述。

（2）人工攤鋪。具體方法同于“A”型壓實(shí)設(shè)備組合，不重復(fù)講述。

（3）人工精平。用2m靠尺，專人全斷面進(jìn)行檢測，不平的地方做好記號(hào)，另外的人員進(jìn)行精細(xì)修平；或增加滑模式襯砌機(jī)精平。

（4）表面補(bǔ)水。具體方法同于“A”型壓實(shí)設(shè)備組合，不重復(fù)講述。

（5）平板振動(dòng)器壓實(shí)。啟動(dòng)自動(dòng)行走壓實(shí)裝置，打開平板振動(dòng)裝置，按10cm壓痕重疊進(jìn)行2遍壓實(shí)，施工經(jīng)驗(yàn)證明，同樣不能進(jìn)行第3遍壓實(shí)，會(huì)降低壓實(shí)效果；若用改進(jìn)型產(chǎn)品，雙平板振動(dòng)器，1遍即可完成壓實(shí)。

八、結(jié)束語

通過渠道襯砌粗砂墊層（5cm厚）壓實(shí)機(jī)械的研制與生產(chǎn)檢驗(yàn)，得到了可靠的渠道粗砂墊層施工機(jī)械組合，解決了如何實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求的平整度、坡比和厚度方法。施工完成的成品工程，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求的0.7相對密度指標(biāo)。

此大型機(jī)械化渠道襯砌粗砂墊層（5cm厚）壓實(shí)關(guān)鍵技術(shù)在第五標(biāo)段研制成功，并通過第三標(biāo)段、第四標(biāo)段推廣檢驗(yàn)，成熟穩(wěn)定，完成的工程質(zhì)量經(jīng)各級(jí)部門評(píng)定，優(yōu)良率達(dá)到95%以上。目前，此項(xiàng)實(shí)用技術(shù)已在安陽段工程全面推廣應(yīng)用。

[1]閻海濤.大型渠道襯砌機(jī)系統(tǒng)載荷分析及其關(guān)鍵構(gòu)件的有限元分析[D].西安理工大學(xué)，2002

[2]李繼業(yè)，等.新編道路工程施工手冊[K].化學(xué)工業(yè)出版社，2006

[3]王志剛.環(huán)境友好型渠道襯砌材料的研究[D].西北農(nóng)林科技大學(xué)，2007