南水北调渠道砂垫层压实技术

□宋维侠 □陈学才 □张全才 □李永强

（中国水利水电第十一工程局有限公司）

1.前言

南水北调中线一期工程总干渠安阳段渠道衬砌中，采用了5 cm厚粗砂垫层结构，在1：2坡比的坡面上要求其相对密度不低于0.7，目前国内尚无先例。但如果不能很好解决此问题，不仅影响工程进度，更影响渠道衬砌整体质量。安阳段第五施工标段为最先进行渠道衬砌的工程实体，经过反复研究和实践，最终较好的解决了此难题。

2.工程概况

安阳段V标渠段长5428.1 m，渠道采用明渠设计，梯形断面，上口宽 52.6～54.1 m，底宽 17～18.5 m，边坡 1：2，渠深 8.9 m，坡面长20 m。正常水深7 m，加大水深7.384 m。渠道结构型式自下而上为：基面削坡、5 cm粗砂垫层、2 cm厚的保温板、防渗复合土工膜、8 cm、10 cm厚混凝土面层。渠道设计典型断面见图1。

图1 渠道设计典型断面示意图

3.渠道砂垫层（5 cm厚）的技术难点

由于5 cm厚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：实现设计要求的平整度、坡比和厚度；达到设计要求的0.7相对密度指标；保证施工质量的施工方法和工艺。

4.渠道衬砌机械应用现状

目前市场上主要的大型渠道衬砌机械为振动滑模式衬砌机和振动碾压式衬砌机。

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完成压实要求。

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。

5.试验过程

实验目的：根据现有的衬砌设备，压实度达到0.7相对密度指标。

首先进行了试验性施工，虚铺系数采用1.30，对应的虚铺厚度为6.5 cm；碾压含水率按4%～5%控制；碾压遍数按1～2遍控制。

5.1 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，用自卸汽车将粗砂堆存于施工段的一级马道上，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作业。压实后的相对密度见表1。

表1 压实后的相对密度表

从碾压第一遍到第七遍实测数据，均不能达到0.7相对密度指标，第四遍达到峰值；实测平整度、厚度、坡比均能达到设计要求，外观平整，但部分试验区段出现鳞片状波纹。

原因：压光辊和粗砂垫层接触面小，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。为解决此问题，在此基础上增设了自制平板振动器方案。

5.2 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

为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；安装的压实装置实现终压。此方案重点解决压实设备问题。以寻求合理的振幅及击振力为出发点，利用1.2 kW、1.5 kW、2.0 kW 3种平板振动电机与不同面积及不同重量的自制面板进行组合，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1.2 kW振动电机配以60 cm宽、100 cm长、厚3 mm的加筋板效果最佳;其次是1.5 kW振动电机配以60 cm宽、100 cm长、厚5 mm的加筋板，也能达到预期目的。

压实自下而上进行，压痕重叠按10 cm控制。试验过程中粗砂（天然河沙）的虚铺系数为1.252，其对应虚铺厚度为6.26 cm，现场试验摊铺按6.0～6.4 cm控制。试验结果如表2、图2。

表2 粗砂垫层不同含水率和压实遍数的相对密度统计表

图2 不同含水率和压实遍数的相对密度曲线图

数据显示：第一遍，当含水率为9.1%时，干密度达到1.78 g/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%～10.8%时，干密度值均≥1.77 g/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≥1.77 g/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。

5.3 砂垫层压实质量

采用人工摊铺粗砂层，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为中水十一局有限公司生产的“银河”牌或QDCQ650系列多功能衬砌机。自行研制生产的压实装置：1.5 kW振动器，振动频率48 Hz，平板托盘，60 cm宽、100 cm长、5 mm厚普通钢板。施工时粗砂含水率控制在9%～11%之间，压实两遍，施工后检测相对密度、平整度、厚度、坡比等指标，均满足设计要求。

6.结语

通过5 cm厚砂垫层压实机械的研制与施工实践，取得了可靠的渠道砂垫层施工机械组合，解决了设计要求的砂垫层的平整度、坡比和厚度方法。经对施工完成后的砂垫层成品工程检测，达到了设计要求的0.7相对密度指标，并总结出了一套砂垫层的施工方法和施工工艺，在南水北调安阳段得到推广运用。