渠道机械化衬砌设备系统及其优化

牟连营，葛保森

（1.河北省水利科学研究院，石家庄 050057；2.河北省南水北调工程建设管理局，石家庄 050035）

渠道机械化衬砌设备系统及其优化

牟连营1，葛保森2

（1.河北省水利科学研究院，石家庄 050057；2.河北省南水北调工程建设管理局，石家庄 050035）

该文分析了国内外大型渠道衬砌机研究及应用现状、发展趋势及存在的主要问题，重点列举了两种典型衬砌机（振动滚筒、滑模式）结构功能、适用条件，提出了适应南水北调工程大型渠道衬砌设备选型原则和方法，同时也提出了今后衬砌机改进优化研制的方向。

机械化衬砌；设备选型；结构改进；系统优化

南水北调工程是我国兴建的大型跨流域调水工程，是实现我国水资源优化配置的战略基础性设施。随着这一工程的大规模展开，工程建设会涉及到许多新技术、新装备、新工艺，大型渠道混凝土机械化衬砌成型技术与装备就是其中课题之一。

本文依托南水北调中线一期工程京石段应急供水工程渠道项目某标段施工建设，同时对其他渠道施工标段进行调研，分析国内外大型渠道衬砌机应用现状及发展趋势，提出了南水北调渠道斜坡衬砌的成套混凝土机械衬砌施工装备的升级改造方向、选型原则及方法，以期为下阶段工程的开展提供指导性建议。

1 国内外渠道衬砌机的发展及现状

1.1 国外渠道衬砌机研究应用现状

国外大型机械化衬砌成套设备已有几十年的发展史，已经从简易、半机械化的施工工具发展成为电脑程序控制的自动化施工设备。国外渠道衬砌机生产公司主要有美国高马克（Gomaco）公司、意大利玛森萨（Massenza）公司、美国G&Z公司、美国拉克·汉斯（Racho.Hasson）公司和德国维特根（Wirtgen）公司，这些公司的产品大都采用燃油机为动力，集机械、液压和自动化于一体，其中以美国高马克和意大利玛森萨公司的产品最具代表性。

1.2 国内渠道衬砌机研究应用现状

我国大型渠道衬砌设备的研究和机械化衬砌技术首先在南水北调东线一期工程实施，机械化衬砌技术及设备使用尚处于初级阶段。南水北调中线干线一期京石段渠道工程实施后，大型渠道衬砌机械化施工得到进一步应用，设备及机械化衬砌施工技术处于发展阶段。

1.2.1 国家立项研制阶段

2003年,国家南水北调重大技术装备项目——大型渠道衬砌设备的研制立项。该项目由陕西建设机械股份有限公司联合机械科学研究院、武汉长江工程技术公司及长江勘察规划设计院研制和生产出国内首套大型渠道衬砌成套装备——QTH200Q渠道衬砌机，要求针对南水北调中线工程渠道衬砌结构，自主完成大型渠道衬砌设备的研制。在2005年2月完成了大型渠道衬砌设备的设计，2005年年底完成了样机试制工作。其设计方案为：布料机采用皮带输送形式，衬砌机成型方式为振动滚筒式，布料机和衬砌机行走均采用导轨式。

1.2.2 引进国外大型渠道衬砌技术、进口使用阶段

1982年，河北省根治海河指挥部为援外项目，从美国购买渠道削坡、混凝土衬砌机成套设备，用于突尼斯共和国“麦崩水渠”工程。集渠道削坡、喷除草剂、喷乳化沥青，混凝土浇筑，振动滑膜衬砌、切缝，喷养护剂一条龙施工，效果良好。

1988年，山东省水利厅进口美国高马克公司一套C—450渠道衬砌机用于“引黄济青”工程。通过试验为我国大型渠道衬砌技术的应用和研制积累了宝贵经验。

2003年8月，山东省南水北调工程建设指挥部组织山东省水利设计院、山东省水科院、山东省水利总公司、山东省水利工程局等6家单位完成了对意大利玛森萨（MASSENZA）公司和美国GOMACO、G&Z、RACHO·HASSION等5家单位对大型滑模摊铺机的考察。山东省水利水电承包公司、山东省水利总公司、山东省水利工程局、山东省岩土公司联合投资1800万元购买了2套意大利玛森萨生产的MCP9000—4滑模衬砌机。2004年4月，始用于济平干渠混凝土成型施工。在吸收国外先进技术、总结经验的基础上，结合南水北调山东段济平干渠工程建设，由山东省南水北调工程建设指挥部，联合山东省水利勘测设计院、山东省水利水电工程承包公司、山东省水利工程局于2003年3～8月完成了对GOMACO—C450振动碾压成型机的技术改造，并在济平干渠试验段完成了近1 km的4种混凝土衬砌结构的成型试验。

1.2.3 自主研制、消化吸收阶段

2004年9月，水利部“引进国外大型渠道衬砌先进技术”科技引进项目（“948”项目）立项。该项目由山东省南水北调工程建设指挥部联合山东省水利勘测设计院共同实施，引进意大利玛森萨公司的CP9000—4滑模衬砌机的关键技术和关键设备的同时，采用消化、吸收方式，研制开发适合我国国情的大型渠道衬砌设备。自项目启动以来，先后研制了CCFM系列振动碾压衬砌设备、SCFM系列振动滑模成套设备、CCFM05—I、SCFM05—I系列成型机、CCFM05—Ⅱ、SCFM05—Ⅱ系列成型机等。

1.2.4 自主创新、使用阶段

综合国内衬砌机研制及发展水平，结合南水北调中、东线工程的使用情况，大型渠道衬砌机机型主要分为振动滚筒、振动滑模两大类。目前，南水北调中线以振动滚筒型衬砌机为主力渠道机械化混凝土衬砌设备，实现了振动系统创新。

经过近几年的发展，国内机械化衬砌技术不仅在技术上达到国际领先水平，且价格仅为进口设备的1/5～1/10。现今，大型渠道衬砌机已经广泛应用于南水北调中线工程中，渠道机械化衬砌技术与设备日趋完善和成熟，机械化衬砌技术得到广泛应用。

1.3 国内外渠道机械化衬砌机研制及应用

国外渠道机械化衬砌设备研制及应用存在的主要问题见表1。

表1 国外渠道机械化衬砌设备研制及应用

国内大型渠道机械化衬砌设备研制以山东调水技术中心研制的衬砌设备为代表，其设备在研制及使用中存在的主要问题如表2所示。

1.4 衬砌机发展趋势及前景

1.4.1 总体发展趋势

无论是滑模衬砌设备还是滚筒衬砌设备，均朝着机械、电子、液压一体化和智能化、模块化、人性化方向发展。结合南水北调中线应用发展前景，结合衬砌机发展趋势主要为适应南水北调中线工程大跨度、大型化、自动化程度高、效率高等要求，改变其装配形式可满足不同坡长和坡度的渠道衬砌及平面混凝土的衬砌要求。

1.4.2 应用前景

纵观国内外大型水利工程建设中的渠道施工，随着渠道衬砌机械化衬砌程度的提高和大型渠道衬砌机设备技术成熟，大型渠道衬砌机在国内外，特别是中国南水北调中线工程应用会更加充分，可使工程质量、工程进度、效率大大提高，同时使机械化成本得到进一步减少。

2 典型渠道衬砌机的类型、结构功能和适用条件

2.1 渠道衬砌机分类

渠道衬砌机可以按照衬砌成型技术、设备行走方式、断面方式、衬砌部位分为以下几类，见表3。

表3 渠道衬砌机分类

2.2 振动滚筒、滑模衬砌机应用介绍

2.2.1 振动滚筒式

2.2.1.1 代表机型

山东调水工程技术中心研制的CDM07型渠道混凝土振动滚筒衬砌机。

2.2.1.2 应用典型标段

南水北调中线干线一期工程渠道项目某标段。

2.2.1.3 结构特点

（1）行走装置。由主动车轮组和从动车轮组组成，主动车轮上安装有变频调速电机、传动机构带动从动车轮在导轨上行走。

（2）升降装置。采用螺旋升降机构，通过高强螺栓连接支撑主框架，用以调节衬砌厚度，弥补导轨高程差及渠床误差引起的衬砌厚度误差。

（3）衬砌小车。本设备安装有两个衬砌小车，一个安装在机架底部，另一个安装在机架中间，衬砌小车主要由电动振动滚筒、小车行走装置和弹性连接器组成，行走装置在机架的轨道上行走，同时，电动振动滚筒旋转、振动，实现混凝土提浆、密实。

（4）机架。由上框架、下框架、变角框架和中间框架组成，框架上铺设有链轨，衬砌小车沿着链轨行走。

2.2.1.4 适用条件

振动滚筒衬砌机可以适用于长距离、大断面、大跨度、坡长6～35 m，衬砌厚度厚、渠道交叉建筑物较多，转移频繁的渠道斜坡的衬砌施工。

2.2.2 滑模式

2.2.2.1 代表机型

山东省调水工程技术研究中心研制开发的振动滑模衬砌机（SCFM型）。

2.2.2.2 结构特点

（1）混凝土皮带布料系统。设置在设备的上端，沿轨道行驶，布料系统由2条分输送带和1条主输送带组成，分输送带把混凝土从罐车出料口输送至主输送带，主输送带上有滑动刮板式分料器，可将混凝土从渠道顶部均匀地输送到渠底坡角、渠坡和渠肩处。

（2）振捣系统。采用8套CP4T—4型优噪音插入式振动棒用变频机组。每套机组可带动4台高频自振式振捣棒。料仓内设有24套12000 Hz插入式高频振动棒，该设备具有振捣效果好、可靠性强等优点。

（3）衬砌机行走系统。采用轨道行走方式，在轨道旁用钢铰线（或尼龙绳）设基准线，基准线纵向设置长度一般为200～300m，定位桩的间距为6m，弯道段适当加密。

（4）自动抹平系统。自动抹平装置有利于消除来不及从混凝土中排出来的小气泡及滑模板与混凝土拖动带来的微小缺陷。

（5）自动找正系统。在渠底机架外侧部位设置基准导线，每隔一定距离设置导向桩，基准导线与渠道中心平行，高度为距渠道底面标准高度，角位移编码器连杆与基准导线相接触，当由于导轨高度变化造成设备高度变化时，角位移编码器连杆角度发生变化，角度变化值输入设备可编程控制器PLC，PLC经过数据分析，发出指令开启设备下部液压支腿油缸电磁阀，液压支腿根据PLC指令收缩或伸出，从而调整设备下部高度符合施工要求。

（6）自动平衡系统。可增设自动检测系统，具有较高的配置和使用功能，适用于长斜坡混凝土衬砌。

（7）防粘结及清洗系统。为防止混凝土粘结在料仓内，在设备出厂前对与混凝土接触的料仓、振捣棒等部件进行防混凝土粘结漆喷涂，同时配备清洗系统。

2.2.2.3 适用条件

振捣滑模衬砌机可以适用于长斜坡、幅宽可根据横向分缝距离确定，衬砌厚度较厚、渠道内交叉建筑物较少，移机不频繁的渠道斜坡的衬砌施工。

3 选型原则与方法

3.1 选型原则

根据南水北调中线工程工期紧、任务重的特点，考虑到国内机械化衬砌机相比较国外设备的价格优势及南水北调东线济平干渠工程、南水北调中线京石段机械化衬砌技术的成功经验，同时结合南水北调中线京石段应急供水工程渠道项目某标段的项目，初步选定从国内具有成熟经验的厂家中选择。

衬砌机械化施工设备选型原则：机械性能可靠，工作稳定高效，操作简便适用，性价比高，售后服务好，故障率低，符合市场准入要求（见表4）。

3.2 选型结论

结合南水北调中线京石段应急供水工程渠道项目某标段实际情况，以上述选型原则为标准，研究目前国内主要厂家生产的机械化衬砌设备技术特点，得出结论：山东调水工程技术中心开发的CDM07型渠道混凝土振动滚筒衬砌机可以适用于南水北调工程长距离、大断面、大跨度、坡长6～35m，渠道交叉建筑物较多，转移频繁的渠道斜坡的衬砌施工。

表4 南水北调大型渠道衬砌机选择

4 机械化衬砌设备系统改造

4.1 设备改造

目前，大型渠道机械化衬砌设备经过技术引进、自主吸收、消化，以及产品的结构优化升级，形成了自主的知识产权，但是经过南水北调东线、南水北调中线一期工程的实践，设备的结构、机电系统等对于适应我国南水北调工程大型渠道衬砌还需要进一步提高和改进。山东原有的导轨式滚筒衬砌设备经改进，单滚筒为双滚筒表面振动提浆，底部深沉振捣采用横向排拒振捣器，实现了混凝土双重振捣施工工艺，保证了混凝土外部和底部混凝土密实度，及混凝土质量。

4.2 结构改进

（1）滚筒衬砌设备：衬砌机的衬砌小车行走由链传动牵引改为自行机构。

（2）滑模式衬砌设备：振捣、输送布料部分的动力采用电驱动，行走、升降采用液压传动。

（3）皮带机布料需要人工辅助摊铺均匀才能满足衬砌机的衬砌要求：皮带机传送带送料过程中，有漏料现象，在传送带最末端悬挂一接料斗，漏料可再回收利用。振动滚筒衬砌机不能衬砌渠肩和坡脚：需要配备移动发电机组；减少人工作业强度。

（4）湿切缝结构装置系统需要进一步改进。

（5）衬砌机坡脚与渠底连接反弧结构改造。

4.3 机电系统改造

（1）渠道衬砌机的动力传动方式改造：配备液压和电力驱动两套动力传动系统，将是今后探讨的方向。

（2）衬砌设备需人工铺设导轨，劳动量大，且精度不易控制，自动化程度不高。导向定位和控制系统精度还待进一步改进。

（3）布料自动化、均匀化，以及布料粗平，将大大节省人力、物力，直接影响工程成本。因此，布料系统的自动化、均匀化将是衬砌机值得改进和研究的方向。

4.4 智能升级

无论是滑模衬砌设备还是滚筒衬砌设备均朝着自动化、智能化和模块化方向发展。改变其装配形式可满足不同坡长和坡度的渠道衬砌及平面混凝土的衬砌要求。目前正朝着机械、电子、碾压一体化和智能化一体化的方向发展。如切缝装置的精确定位，衬砌厚度、平整度、坡面高程位置等精确控制等。

5 结语

分析了国内外大型渠道衬砌设备研究进应用现状，结合国内大型渠道衬砌研制研发生产情况，以及南水北调中线一期工程京石段工程，以国内外技术现状调研为基础，对渠道衬砌设备进行研究，得到了以下主要成果:

（1）分析了国内外大型渠道衬砌设备现状及存在的问题及渠道衬砌发展及应用前景。

（2）介绍了国内外现有衬砌机的分类。

（3）研究了适应南水北调中线工程特点的大型渠道机械化混凝土衬砌设备选型方法和原则，根据该原则，介绍了南水北调中线京石段应急供水工程渠道项目某标段的项目渠道衬砌机的选型实例。

（4）研究并提出了大型渠道衬砌机的设备改造和智能升级方向。

［1］瞿潇.渠道混凝土机械化衬砌技术研究［D］.南京：河海大学，2006.

［2］霍兵，梅梅.大型渠道施工成套设备研制抓紧进行［N］.中国水利报,2003.

［3］霍兵.渠道机械化衬砌设备及应用前景［J］.中国机电工业，2004（1）.

［4］韩其华,祝凤山,朱琳.南水北调工程渠道机械化衬砌技术研制概况［J］.水利水电科技进展，2006（1）.

Channel Mechanization Lining Equipment System and Optimization

MU Lian-ying,GE Bao-sen
（1.Hebei Provincial of Water Resoures,Shijiazhuang 050057,China;2.TheConetruction Bureau for the South-to-North Water Transfer Project of Hebei Province,Shijiazhuang 050035,China）

Analysing the present situation of application,the trend of development and problems of the domestic and foreign large-scale channel lining machine.Two kinds of typical lining machines（vibration and roller,slip form type）were mentioned in the article,including their structures and the suitable condition.It also proposed shaping principles which adapt to large-scale channel lining equipment of South-to-North water diversion project and simultaneously gave development directions to the future improvement of lining machines.

mechanized lining;equipment selection;structure improvement;system optimization

TV53

A

1672-9900（2011）03-0092-04

2011-06-07

牟连营（1969—），男（汉族），河北故城人，高级工程师，主要从事水利工程技术咨询工作，（Tel）13831117078。