自走式U型溝渠土方掘進襯砌一體機設(shè)計與應(yīng)用

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，是我國農(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，當前混凝土預(yù)制U型渠施工中多為半人工半機械的簡單方法，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型溝渠土方掘進襯砌一體機，能夠有效解決目前U型渠施工中存在的問題。

【關(guān)鍵詞】U型渠 施工機械 土方掘進襯砌一體機 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、水力條件好、便于管理養(yǎng)護、占地少、防滲效果好等多項優(yōu)點。[1]

隨著國家對農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)和基礎(chǔ)農(nóng)田水利項目的投入增大，U型渠在農(nóng)村田間輸水中得到越來越廣泛的使用。[2]受農(nóng)村道路條件、經(jīng)濟條件及投資控制方面的限制，大型施工團隊不愿接手農(nóng)村輸水灌溉渠道的施工，目前農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)和農(nóng)田水利項目中的U型渠施工多為資質(zhì)較低的當?shù)厥┕り牐话愣嗖捎妙A(yù)制U型槽進行施工，也有部分項目采用混凝土現(xiàn)場澆筑的方式。就目前所掌握施工條件和施工機械而言，這兩種施工方法都存在施工質(zhì)量差、效率低的普遍問題。為此，迫切需要一款操作簡單、功能全面、成本較低、能夠一體化完成高質(zhì)量混凝土U型渠施工的機械。

1 當前農(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，普遍采用機械粗挖渠槽，人工修整斷面，安裝預(yù)制混凝土U型槽或現(xiàn)場澆筑混凝土U型槽三步走施工方法。

（1）開挖修整斷面?；炷罸型渠施工時一般采用挖掘機沿一條放線粗挖渠道，而后沿兩條放線人工修整，最后做成一個較為完整的U型渠槽毛斷面。由于施工機械精度和人力勞動強度的限制，或多或少地在開挖修整斷面的過程中出現(xiàn)一些問題，比如在機械粗挖時易造成渠道超挖，在人工修整時存在欠挖，使渠道斷面無法均勻一致，影響后續(xù)的襯砌施工速度和感觀。后續(xù)工作還需要人工進行填土夯實，由于U型渠斷面的厚度較薄，經(jīng)常會有夯實不敢發(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，嚴重的會影響渠道穩(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)制場制成并進行養(yǎng)護，之后再運輸?shù)浆F(xiàn)場進行安裝，安裝過程中根據(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場地的依賴，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)制受人工搬運的影響，不可能做得很厚很重，鑒于目前人力費用昂貴，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，施工時混凝土水灰比、制模、振搗密實等質(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，渠槽接縫的接頭或勾縫往往會成為該渠槽的薄弱點，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，其強度低且勾縫的寬度和深度很難達到設(shè)計要求，再加上U型槽構(gòu)件斷面不夠標準、混凝土強度達不到要求等質(zhì)量問題，經(jīng)常在渠道完工后不久就出現(xiàn)裂縫或沉降，還會在裂縫中生長雜草，不僅不能發(fā)揮U型渠的防滲、穩(wěn)固過水等優(yōu)勢，而且一旦破壞或耐久性差讓人感覺是“豆腐渣”工程。

現(xiàn)澆混凝土U型渠槽施工需要根據(jù)渠道開口、深度、形狀設(shè)計模具，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、成本相對較低。但是在實際施工過程中，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，混凝土擠壓不密實等問題。同樣也存在制作混凝土的水灰比不穩(wěn)定、振搗不密實等質(zhì)量控制問題。

2 自走式U型溝渠土方掘進襯砌一體機的設(shè)計原理

2.1 自走式U型溝渠土方掘進襯砌一體機簡述

自走式U型溝渠土方掘進襯砌一體機（以下簡稱U型一體機）是一種能夠解決目前混凝土U型防滲渠在施工過程中存在的多項問題的農(nóng)業(yè)水利機械。

U型機以柴油機為主體動力，借用履帶式拖拉機結(jié)構(gòu)，行走履帶的上方通過機架設(shè)置有機組室，機組室一側(cè)設(shè)置有駕駛室。在主機的前方懸掛U形槽掘進機械，后端牽引混凝土襯砌機。柴油機經(jīng)通過皮帶與三個液壓泵并聯(lián)，三個液壓泵產(chǎn)生的液壓能傳遞給各個做功點的液壓馬達，提供行進、掘土、排土所需的能量。采用開溝葉片，螺旋輸送機，傾斜、水平傳送帶相結(jié)合將土壤輸送至溝渠一側(cè)，同時U型機碾壓土體，進一步壓實土料。襯砌機通過鋼絲繩懸掛在掘進機后部，完成混凝土攤鋪襯砌。該機械自帶動力，能獨立完成U型渠的開挖與襯砌工作。U型機整體結(jié)構(gòu)見圖1所示。

2.2 工作原理

柴油機通過皮帶與三個液壓泵并聯(lián)，三個液壓泵將能量以液壓能傳遞到履帶，傾斜、水平傳送帶，開溝葉片的液壓馬達。整機開始正常工作。

首先完成U型槽土方掘進。掘進機開啟后，固定在主軸前端的掘進葉片，在高速旋轉(zhuǎn)的主軸帶動下向前掘進，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)動的開溝葉片打碎，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。在初步成型過程中支撐板緊貼地面，提升油缸壓著U型筒，使機體在行進的過程中既能鏟平凸起，又能填補凹坑，U型溝渠成型完成。在掘進過程中，一體機能利用自身重量進一步壓實溝渠，提高溝渠土密實度。

然后完成U型槽混凝土襯砌。掘進機后端通過鋼絲繩連接著攤鋪裝置，與掘進機同步運動。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襯砌機的作用。

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料口的兩側(cè)，進入到成型滑模與U型溝渠之間的間隙中均勻攤鋪。成型滑模中的震動器在電機的帶動下前后振動，使攤鋪的混凝土平整壓實。成型滑模兩側(cè)設(shè)置有壓邊板，對U型溝渠及鎖口進行整形。

2.3 施工程序

首先在施工區(qū)域放樣，滿足設(shè)計渠道的占地面積和施工必須具備的混凝土運輸機械臨時施工通行道路，在規(guī)定的范圍之內(nèi)進行表土剝離，剝離的土方堆放在剝離線兩邊待完工后反回開挖區(qū)以保證地力，土方開挖深度控制在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，每層不超過20cm，然后對填筑的渠道堤面釆用機械按設(shè)計高程平整，之后將掘進機及攤鋪機開上作業(yè)面沿石灰標線開始施工。

攤鋪的混凝土強度要求達到C20，釆用0.5—2cm的石料參入適量中粗砂，拌制好的混凝土，用專用運輸車輛運至攤鋪現(xiàn)場裝進料倉，開動掘進機和振動器，開始實施攤鋪?；炷撂涠茸詈每刂圃?0-90mm之間。

混凝土在攤鋪過程中，用人工進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，要加強養(yǎng)護工作，養(yǎng)護期滿，將施工現(xiàn)場進行清理：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；二是對渠堤重新放樣復(fù)核，整理成設(shè)計規(guī)定的斷面，然后工程進入試用待交期。

注意事項：（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型墻壁混凝土無法依附；（3）混凝土運輸最好使用混凝土運輸專用車，以保證混凝土活易性；（4）施工人員每臺機械配20人以內(nèi)，每天約完成800—1000m。

3 U型一體機施工的優(yōu)勢特點

U型一體機在施工時相比傳統(tǒng)施工方式擁有多處改進或優(yōu)勢，在很大程度上彌補現(xiàn)有施工方式的缺陷，不僅簡化了施工，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。

（1）采用U型一體機施工，能在最大限度上用機械替代人力。渠道開挖和渠道襯砌均由機械一體化完成，人力只作為機械操作的管理人員參與施工，負責控制機械和施工進度。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，進一步影響了施工質(zhì)量。采用機械化作業(yè)，能在一定程度上杜絕此現(xiàn)象的發(fā)生，而且利用U型一體機開挖，其開挖效率是人工開挖的20倍，把人從繁重的體力勞動解放出來，將其投入更重要的質(zhì)量管理等工作中。

（2）U型一體機開挖的斷面質(zhì)量遠高于傳統(tǒng)施工方式。該機開挖采用切土與旋轉(zhuǎn)掘進共同作業(yè)的方式進行。在掘進過程中，掘進筒前有導(dǎo)向板為掘進導(dǎo)向，使開挖能沿著設(shè)定的路線進行。切土刀片和掘進刀片粗挖后，U型筒隨機體行進，既能鏟平粗挖渠槽中的凸起，又能填補凹坑，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)常會有渠道斷面前后不一致，耗時費工的問題。該機開挖后的渠道修整統(tǒng)一以U型筒為模板，U型筒隨機體行進，修整出的斷面前后一致。同時，在開挖過程中，該機體和U型筒以自生重量對土層進行一次同時從內(nèi)外施壓的壓實作業(yè)，密實了U型槽斷面的土體，限制了施工后的變形。

（3）U型一體機襯砌施工過程和質(zhì)量均優(yōu)于傳統(tǒng)施工方式。U型襯砌機以傳動皮帶帶動多級振動器工作，振動器與內(nèi)模組合形成震動模，震動模震動吃料，全方位振搗達到混凝土密實，同時由于內(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型機過后，由人工對渠道表面進行3次以上人工壓光收面。U型機能將混凝土一次澆筑成型，振動密實，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，對于不同的地質(zhì)條件，能通過調(diào)整一體機的U型渠內(nèi)外模改變澆注混凝土（襯砌渠道）厚度，靈活性強，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型機問世以來，該機械被經(jīng)濟投入到實際應(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)進行混凝土U型防滲渠的施工，共承建U型渠道項目28個320公里，總價值約2億多元，創(chuàng)造出良好的經(jīng)濟效益，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。

4.2 經(jīng)濟效益

使用自走式U型溝渠土方掘進襯砌一體機可節(jié)約大量的勞動力，其開挖工效相當于人力的20倍，襯砌工效相當于人力的12倍，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)經(jīng)濟效益。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1.36萬元左右。

5 結(jié)語

自走式U型溝渠土方掘進一體機是在混凝土U型渠施工中研制和發(fā)明的。自2011年U型機投入運用以來完成了320km的渠道施工，工程實踐證明，U型一體機不僅能解決U型渠施工中的質(zhì)量不佳、耐久性差、投入費用大等問題，而且大大加快了施工進度，可以縮短工期，降低工程造價?？梢灶A(yù)料，該機的大量應(yīng)用，將徹底改變?nèi)藗儗炷罸型渠的施工質(zhì)量看法。

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