渠道砂垫层（5cm 厚）压实方案的探索

□杜军民 □王 源

（河南省南水北调中线工程建设管理局安阳段建管处）

南水北调中线一期工程总干渠安阳段渠道设计中首次采用5cm厚粗砂垫层结构，特别是在1∶2坡比的坡面上要求其相对密度不低于0.7，不但国内以前没有先例，就是已成功建设完成的南水北调中线307.5km京石段应急供水渠道也没有尝试过，东线工程中也没有使用。如何解决此问题，不仅影响着工程进度，更影响着渠道衬砌整体质量。我们依托中国水利水电第十一工程局承建的第五施工标段最先进行渠道衬砌的工程实体，一步一步研究探索，并最终解决了此难题。

一、工程概况

安阳段是南水北调中线一期工程总干渠Ⅳ渠段（黄河北～漳河南段）的组成部分，位于该渠段的末端，是中线工程河南段除穿黄工程外的首开工程。全渠段总长40.262km，其中渠道长度39.299km。渠线穿越大小河流19条，沿线共布置各类交叉建筑物76座。其中，V标渠段长5428.1m，位于洪河安阳河工程地质段内，粘性土均一结构。渠道采用明渠设计，梯形断面，型式为上口宽 52.6～54.1m，底宽 17～18.5m，边坡 1∶2，渠深 8.9m，坡面长20m。正常水深7m，加大水深7.384m。渠道结构型式自下而上为：基面削坡、5cm粗砂垫层、2cm厚的保温板、防渗复合土工膜、8cm、10cm厚混凝土面层。

二、渠道衬砌粗砂垫层（5cm厚）的技术难点

粗砂垫层（5cm厚）在渠道衬砌结构中承担着土基土壤渗水的反滤、保温板材料的承压基面找平和保护功能，同时具有典型的超薄特征。在工序施工上，又是渠道衬砌结构层的第一道工序。由于5cm厚粗砂垫层渠道结构设计在安阳段是第一次采用，没有经验可供借鉴，没有成熟的机械设备可供选择，施工方法及工艺更需要摸索。

主要的技术难点可以归纳为：如何实现设计要求的平整度、坡比和厚度；如何达到设计要求的0.7相对密度指标；什么样的施工方法和工艺可以保证工程质量，并适合于推广使用。

三、渠道衬砌机械应用现状及分析

目前市场上主要的大型渠道衬砌机械有：振动滑模式衬砌机，振动碾压式衬砌机。其中：

振动滑模式衬砌机由行走装置、升降装置、布料系统、振动装置、滑模成型装置、电控系统、框架结构等部分组成，核心设备是落料仓内均匀布置着高频低幅振捣棒和料仓后部的滑模装置。布料系统可以完成砂垫层布料，滑模装置可以完成平整度、厚度及坡比控制，但由于砂垫层只有5cm厚，高频低幅振捣棒难以满足压实要求。

振动碾压式衬砌机由自动行走系统、框架结构、自动布料系统、自动控制系统、升降系统、传动系统和振捣系统等组成，关键设备摊铺小车拥有螺旋摊铺机、深层插入振动棒、震动压光辊。按功能分析，自动布料系统可完成砂垫层布料，螺旋摊铺机可完成均匀摊铺，震动压光辊可尝试压实砂垫层。

四、解决思路及方案比选

从目前现有机械设备情况看，问题的核心是如何达到设计要求的0.7相对密度指标。以此为出发点，查找相关技术资料和类似施工经验，做以下方案进行比选。

（一）单独运用振动碾压式衬砌机直接施工

结合已有的渠道混凝土衬砌方法，用自卸汽车把粗砂堆于一级马道上，人工上料，通过自动布料系统完成砂垫层布料。转动螺旋完成整平和多余料的转移，振动压光辊完成压实和收光作业。本文称为方案一。

（二）运用振动碾压式衬砌机和配置自行设计生产的平板振动器施工

考虑振动压光辊有可能达不到压实指标，自行研制一套压实装置，悬挂于主衬砌机的桁架结构上，替代完成压实作业。本文称为方案二。

（三）人工摊铺粗砂垫层，振动碾压式衬砌机精平和预压，悬挂压实装置实现终压

为考虑成本控制，提高衬砌机械使用效率，用人工直接把粗砂摊铺于基面上并初平，替代衬砌机布料；用转动螺旋完成整平和多余料的转移，振动压光辊初压；悬挂的压实装置实现终压。本文称为方案三。

（四）人工摊铺粗砂垫层，悬挂压实装置实现压实

综合成本因素、效率因素、工程质量因素等，采用人工直接把粗砂摊铺于基面上并精平，替代振动滑模式衬砌机布料作业；单独加工一套压实设备，主要包括行走装置、自动控制装置、框架结构、压实装置、传动系统等，完成5cm厚粗砂压实、平整度、坡比控制等作业。本文称为方案四。

五、工程实体试验

在经过充分准备，原材料、衬砌机械安装调试、人员培训、方案讨论细化等完成后，于2007年10月25日至11月20日进行工程实体试验。

（一）实施方案一

根据计算，试验过程粗砂垫层的虚铺系数采用1.30，对应的虚铺厚度为6.5cm。现场试验摊铺按6.5～6.6cm控制，通过调整衬砌机4根支腿的高度实现。粗砂（机制砂）的含水率以3%、3.5%、4%、4.5%、5%、5.5%、6%、7%等指标进行对比试验。在坡面试验区段50m范围内划分多个小区间，阶梯板隔开，人工对不同试验含水率用背负式农用喷雾器精细补水，塑料薄膜覆盖方式保水。

利用振动碾压式衬砌机的布料系统，人工喂料完成粗砂垫层的均匀摊铺；螺旋装置和振动压光辊完成精平和初压；人工精细控制试验区段的含水率；振动压光辊压实。

1.试验结果

从碾压第1遍到第7遍实测数据，不管碾压辊是从上而下或从下而上，各组数据均不能达到设计要求的0.7相对密度指标，第4遍达到峰值；实测平整度、厚度、坡比均能达到规程要求，外观平整，部分试验区段有鳞片状波纹。

2.结果分析

由于5cm厚粗砂垫层太薄，压光辊和粗砂垫层接触面小，半径不够大、砂垫层较薄，振动碾压时，砂子会向辊子的两侧壅起，最终达不到预期效果。由此，增大接触面的压实设备思路产生。

（二）实施方案二

此方案重点解决压实设备问题。通过模拟和试验改装，采用0.75kW、1.5kW两种标准平板振动器（托盘尺寸：43cm宽、71cm长、4mm厚）进行工程实体试验。

试验过程中，第一步采取不在坡面行走方式，结果显示，两种压实设备的压实效果基本相同，均能达到设计要求。第二步采取在坡面行走方式，结果显示，0.75kW平板的效果优于1.5kW平板，但均达不到设计压实度指标。初步原因分析：1.5kW的平板振动器行走时，在坡面上跳动比较大，平板边对压实后的砂扰动大，致使其效果低于0.75kW的平板振动器。

以寻求合理的振幅及击振力为出发点，对标准平板振动器进行改造，进一步利用1.2kW、1.5kW、2.0kW3种平板振动电机与不同面积及不同重量的自制面板（60cm宽×100cm长×面板厚度 3mm、60cm宽×100cm长×面板厚度 4mm、60cm宽×100cm长×面板厚度5mm）进行组合，共组合出9种不同型式的平板振动器进行碾压试验。结果显示：以1.2kW振动电机、以60cm宽、100cm长、面板厚度3mm的加筋板效果最佳，其次，是1.5kW振动电机、以60cm宽、100cm长、托盘面板厚度5mm的加筋板，能达到预期目的。

按方案一的布局方式，以这两种压实设备进一步试验，按压实设备顺坡面往返1次为1遍，压痕重叠按一半控制。第1遍时，含水率为4.5%时，1.5kW振动电机效果最好；第2遍时，含水率为4.2%时，1.2kW振动电机效果最好。为提高工效，确定以1.5kW振动电机模式开展施工。

（三）实施方案三

从试验实施过程来看，用衬砌机的布料系统完成施工，占用大部分的衬砌机械时间，效率低，工程成本较高，不利于大面积作业。在方案三中，采用了装载机铲料到坡面上，人工直接摊铺并初平方式。

试验段长度采用不低于100m，同时配合渠道衬砌其他工序一道进行方式。按确定的技术参数：虚铺系数采用1.30，对应的虚铺厚度为6.5cm，现场试验摊铺按6.5～6.6cm控制；碾压含水率按4%～5%控制；碾压遍数按1遍到2遍控制。2007年10月20日到11月2日，施工完成的5cm厚粗砂垫层检验数据全部超过设计要求的0.7相对密度指标，平整度、厚度、坡比等指标均满足规程要求。

（四）实施方案四

工程正式实施后，为加快施工进度，新引进了1台振动滑模式衬砌机，同时尝试使用天然河沙（粗砂）。由于在此机械上挂置压实装置较难，且衬砌机械较重，工程使用成本较高，单独加工了一套能行走的压实设备，主要包括行走装置、自动控制装置、框架结构、压实装置、传动系统等，独立完成5cm厚粗砂压实、平整度、坡比控制等作业。

按照方案一布局方式，以压实设备顺坡面往返1次为1遍，压痕重叠按10cm控制。试验过程粗砂（天然河沙）的虚铺系数为1.25，其对应虚铺厚度为6.26cm，现场试验摊铺按6.0～6.4cm控制。含水率以4%、5%、6%、7%、8%、9%、10%、11%等指标进行对比试验。用装载机铲料到坡面上，人工直接摊铺并初平，用2m靠尺，专人全断面进行检测，不平的地方做好记号，其他人员以精细修平方式完成摊铺。第一遍，当含水率为9.1%时，干密度达到1.78g/cm3，相对密度≥0.7的要求。其余含水率均不能满足相对密度按0.7控制的要求；第二遍时，干密度值较第一遍上升幅度较大。数据显示，含水率在7.4%～11.8%时，干密度值均≥1.77g/cm3，相对密度≥0.7，可满足相对密度按0.7控制的要求；第三遍时，干密度值有所下降。数据显示，含水率在8.4%～10.4%时，干密度值均≥1.77g/cm3，相对密度≥0.7，可满足相对密度0.7控制的要求。依此确定碾压遍数为2遍。检测平整度、厚度、坡比等均满足规程要求，但相比第3种方案，外观略显差一些。

六、能适用的机械设备型式及组合

根据工程实体现场反复试验、修改完善，最终确定能适用的机械设备型式及组合。

（一）“A”型压实设备组合

人工摊铺粗砂层，振动碾压式摊铺机精平和预压，悬挂压实装置终压的组合方式。振动碾压式摊铺机型号如中国水利水电第十一工程局生产的“银河”牌或QDCQ650系列多功能衬砌机；自行研制生产的压实装置：1.5kW振动器，振动频率48Hz，平板托盘，60cm宽、100cm长、5mm厚普通钢板。本文称为“A”型压实设备。

（二）“B”型压实设备组合

人工摊铺粗砂层，自动行走压实装置压实组合方式。自行研制生产的桁架式框架结构，包括行走装置、自动控制装置、框架结构、压实装置、传动系统等，其中的压实装置为：1.5kW振动器，振动频率48Hz，平板托盘，60cm宽、100cm长、5mm厚普通钢板；或同时悬挂两台称为改进型。本文称为“B”型压实设备。

七、新压实设备的使用方法及施工工艺

（一）使用方法

1.“A”型压实设备组合

“A”型压实设备由于是在振动碾压式衬砌机桁架结构上增加压实装置，只介绍压实装置的使用方法。要经常检查电路系统，确保用电安全；使用前检查电机运转情况，防止带病作业；定期检查固定装置，防止变形引起坡比等不一致，影响压实效果；每次使用完注意保养，并防止振动电机受潮和淋雨；使用时，人工摇动控制装置，把平板振动器放下，成自然松动状态置于粗砂面层上，但垂直绳长不要超过3cm。压实方式均采用由下而上和由上而下结合方式。使用后，人工把平板振动器提高固定；当钢板不够厚时，注意更换托盘。

2.“B”型压实设备组合

“B”型压实设备自动行走压实装置类似渠道衬砌机，在此只做简单介绍。要经常检查电路系统，确保用电安全；使用前检查电机运转情况，防止带病作业；定期检查桁架结构，防止变形引起坡比等不一致，影响压实效果；每次使用完注意保养，并防止振动电机受潮和淋雨；使用前，调节好上下轨道位置的升降系统，确保桁架结构上压实装置的行车横梁坡比和渠道坡比一致，同时保证固定平板振动器成自然松动状态置于粗砂面层上，但联接垂直绳长不要超过3cm。压实方式均采用由下而上方式。使用后，通过升降装置把平板振动器提升到一定高度；当钢板不够厚时，注意更换托盘。

（二）施工工艺

1.“A”型压实设备组合

（1）粗砂补水和运输。5cm厚粗砂垫层施工前，检验料场粗砂的含水率，如果不到最佳压实含水率，适当补水，并用自卸汽车把砂运输到施工点的一级马道上堆放。

（2）人工摊铺。施工现场，用装载机把粗砂铲到坡面上，人工配合，按施工总结确定的虚铺厚度，均匀地摊铺于坡面；若是施工渠道底板，为防止机械破坏土基面，可以利用施工渠道底板混凝土的配套机械，运送到底板或采用小型运输车辆直接运送到渠道地面。

（3）表面补水。摊铺完成后，检验粗砂含水率，不到预定的最佳含水率时，用喷管设备雾化形式适量补水，以达到最佳含水率。

（4）机械精平和初步碾压。启动振动碾压式摊铺机，打开螺旋和振动压光辊，进行一遍精平和初步碾压。

（5）平板振动器压实。关闭振动压光辊电源，打开平板振动装置，按10cm压痕重叠进行1遍压实，如果效果不好，再进行第2遍压实，施工经验证明，不能进行第3遍压实，会降低压实效果。

2.“B”型压实设备组合

（1）粗砂补水和运输。具体方法同于“A”型压实设备组合，不重复讲述。

（2）人工摊铺。具体方法同于“A”型压实设备组合，不重复讲述。

（3）人工精平。用2m靠尺，专人全断面进行检测，不平的地方做好记号，另外的人员进行精细修平；或增加滑模式衬砌机精平。

（4）表面补水。具体方法同于“A”型压实设备组合，不重复讲述。

（5）平板振动器压实。启动自动行走压实装置，打开平板振动装置，按10cm压痕重叠进行2遍压实，施工经验证明，同样不能进行第3遍压实，会降低压实效果；若用改进型产品，双平板振动器，1遍即可完成压实。

八、结束语

通过渠道衬砌粗砂垫层（5cm厚）压实机械的研制与生产检验，得到了可靠的渠道粗砂垫层施工机械组合，解决了如何实现设计要求的平整度、坡比和厚度方法。施工完成的成品工程，达到了设计要求的0.7相对密度指标。

此大型机械化渠道衬砌粗砂垫层（5cm厚）压实关键技术在第五标段研制成功，并通过第三标段、第四标段推广检验，成熟稳定，完成的工程质量经各级部门评定，优良率达到95%以上。目前，此项实用技术已在安阳段工程全面推广应用。

[1]阎海涛.大型渠道衬砌机系统载荷分析及其关键构件的有限元分析[D].西安理工大学，2002

[2]李继业，等.新编道路工程施工手册[K].化学工业出版社，2006

[3]王志刚.环境友好型渠道衬砌材料的研究[D].西北农林科技大学，2007