U型渠道土方掘进衬砌一体机的工程施工及应用

石自堂，孙春光，朱雨平

(1.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072；2.湖北楚峰水电工程有限公司，湖北 荆州 434020)

1 混凝土U型渠的施工方法

混凝土U型渠自20世纪70年代投运以来，由于其水力条件和受力条件较优[1]，在国内外得到了迅速推广。目前，混凝土U型渠已经成为我国农田灌溉末级渠系(斗、农渠)优先选择的渠型。

混凝土U型渠的广泛应用催生了多种施工方法，且这些方法在不断向高效率的机械化方向发展。尽管施工步骤在不断简化，但总体可以归纳为土方渠道碾压密实，断面开挖成型，混凝土衬砌这三步，其中混凝土衬砌又有现浇衬砌及预制混凝土槽衬砌两种方法[2]。下面简要介绍这两种混凝土衬砌方法。

1.1 现浇衬砌

U型渠现浇衬砌方法是先将土方渠道碾压密实，再开挖U断面，利用模具边浇筑、边机械振动、边挤压成型。渠道开挖成型是根据渠道开口宽度、深度、形状等特性设计模具对开挖基本成型的土渠进行夯实、挤压成型，形成通常所说的土模(也称底模)；还要做一套内模，其材料是钢材，内外模具配套使用，以保证混凝土浇筑厚度均匀一致。混凝土现浇施工时，多采用U型开挖机进行土模开槽，混凝土衬砌机套用内模进行浇筑，振动与挤压均由衬砌机完成。目前在我国现浇衬砌多为半人工半机械。

1.2 预制混凝土槽施工

预制混凝土槽衬砌需在专用的混凝土构件制作场地预制混凝土U型槽。由于混凝土的重度较大，限制于上装、搬运、下卸等运输及施工条件，故U型槽不能很厚、每节不能很长。在预制混凝土施工时，薄壳形状的构件导致混凝土水灰比、制模、振捣等难以控制，尤其是水灰比不稳定、振捣不密实，直接影响预制成品的抗渗性能和耐久性。通常U型槽构件的长度控制在50 cm，构件之间多用砂浆勾缝[3]，其砂浆强度低且勾缝的宽度和深度很难达到设计要求，渠槽接缝的接头或勾缝往往会成为该渠槽的薄弱点，经常在渠道完工或运用后不久就出现裂缝、错缝或沉降，造成衬砌的渠道生长杂草，不仅不能很好发挥U型渠的防渗、过水等功能，而且还影响观感。由于此类方法速度慢且质量难以保证，不宜连续机械化施工。

2 混凝土U型渠施工环节与施工难点

2.1 混凝土U型渠的施工环节

在混凝土U型渠的施工过程中，每步的施工质量好坏将对U型渠的质量产生很大影响，甚至直接决定混凝土U型渠的使用寿命，下面就涉及的施工环节如土方渠道碾压、U断面开挖、混凝土现浇衬砌等进行论述。

2.2 土方渠道碾压

土方渠道碾压之前先要对土方渠道进行标准断面加工，即对低洼处进行土方回填、高处开挖，初步形成标准断面；再对不密实的土体进行碾压，特别是对回填土的碾压要求更高。碾压过程中要控制土方厚度、土料含水量、碾压遍数等，最终控制指标为密实度。

土方碾压对混凝土质量的影响主要体现在混凝土防渗层的厚薄和沉降变形上。由于碾压后的土方是混凝土衬砌的外模基础，在土方制备外模的过程当中，不密实土层容易发生变形，造成外模不标准，内、外模之间的间距不一致，导致U渠混凝土厚薄不一致，易使混凝土产生裂缝，降低混凝土强度和承载能力。同时，不密实土层容易在渠道后续运行中发生沉降变形，导致混凝土渠槽局部发生脱层现象，在渠道内水压力的作用下，使渠槽底部产生集中的拉应力，易形成贯穿裂缝，造成渠道渗漏[4]。

2.3 U断面开挖

目前开挖的工作方式主要是机械粗挖与人工精修结合，其中机械粗挖是借助挖掘机或开沟机等机械沿一条放线粗挖渠道[5]。人工精修工作则是依靠人力，借助外模模板来对粗挖后的渠道进行修饰和整平，最后做成一个较为完整的U型渠槽毛断面。

渠道粗挖前，需要用经纬仪复核渠道的中心控制线，校核渠线的方向，要求两次测角误差不超过30″。若方向存在偏差，致使衬砌形成的混凝土渠道不顺直，后续感观效果很差。

2.4 混凝土现浇衬砌

混凝土现浇衬砌既是工程施工的难点，也是工程的关键点。

(1)难点在于现浇衬砌时的要防止未凝固的混凝土塌落。在几乎铅直、较密实的U型土渠外壁上现浇混凝土衬砌，要保证未凝固的混凝土立住、站稳，其难度很大，这个问题是现浇混凝土施工中普遍存在的，以往的现浇施工中，采用的解决办法通常是：①延长模具定型时间，充分约束混凝土拌和物，等其终凝后再拆模；②采用一定手段降低混凝土的流动性，包括降低水灰比、选择碎石作为粗骨料等；③掺用混凝土速凝剂。

(2)重点在于确保混凝土现浇衬砌的质量。现浇衬砌时，要防止未凝固的混凝土塌落只是一个方面，更重要的是保证衬砌混凝土的强度、厚度等质量要求。影响混凝土质量的因素很多，如：混凝土骨料级配、水灰比、振捣等。在目前的混凝土U型渠现浇施工中，混凝土宜采用细骨料级配、控制合适的坍落度与水灰比；机械振捣器带动混凝土振动，降低混凝土本身的黏着程度，使骨料下沉，减少水泥缝隙，增强结构密实程度和硬化速度。

3 混凝土U型渠施工机械

湖北楚峰水电工程有限公司于2006年就承接了U型渠的施工项目，由于没有施工机械，只能采用传统的人工施工方法，不仅做出的渠道质量不好、外观差，不能盈利不说，而且还有合同额5%的亏损。从2007年初开始探索研制用于此类施工的机械，如小型压土机、挖掘机、衬砌机等，施工进度和质量都有很大提高，当年就有小盈利。此后相继研制了第一代、第二代U型沟渠土方掘进衬砌机。截止到2010年，第三代U型沟渠土方掘进衬砌一体机出现了，该一体机长度8 300 mm(掘进机部分4 300 mm、衬砌机部分3 200 mm、连接部分800 mm，根据需要可连接或脱开)、宽度1 835 mm，能独立完成开沟、碾压、立模、衬砌等一体式工作，每分钟能生产2 m U型渠道，该机生产的混凝土U型渠质量好，寿命长，外观感好。由于该机机械化程度较高，施工节省了大量的人力，根据最近5年施工渠道的财务统计分析，生产U50以上的渠道，每公里可盈利1.5 万元以上。

3.1 U型一体机构造与工作原理

该机称为U型沟渠土方掘进衬砌一体机，以柴油机为主体动力，以履带式拖拉机结构为驱动装置。履带式拖拉机和其上的机组室、驾驶室组成机械主体，主机的前置部分是一个U形槽掘进部件用以开沟，后置部分为混凝土衬砌部件用于衬砌。柴油机经通过皮带与三个液压泵并联，三个液压泵产生的液压能传递给各个做功点的液压马达，提供行进、掘土、排土所需的能量。掘进部件采用开沟叶片，螺旋输送机，倾斜、水平传送带相结合将基础开挖成U型并将残土输送至沟渠一侧，同时U型机碾压土体，进一步压实土料。衬砌部件为一台衬砌机，通过钢丝绳悬挂在掘进机后部，完成混凝土摊铺、振捣、收光。该机械自带动力，能独立完成U型渠的开挖与衬砌工作[5]。该机整体结构见图1所示。

图1 U型渠土方掘进衬砌一体机简图Fig.1 Brief introduction to U-shape excavating-and-lining machine 1-掘进叶片；2-切土盘；3-U型掘进筒；4-倾斜传送带；5-履带；6-水平传送带；7-减速器；8-导向滑模；9-成型U型滑模；10-震动器；11-压边板；12-翼板；13-分型板；14-液压装置；15-机组室；16-提升液压缸

3.2 U型一体机施工过程

3.2.1 开挖前的施工准备工作

采用U型一体机建造混凝土U型渠时，其开挖前施工步骤与传统施工较为一致，都是按照施工放线、基础清淤、土方填筑碾压、布设控制线这四个步骤来进行。在这几个步骤后，得到一个能使用U型一体机进行开挖衬砌的施工作业面。

3.2.2 U型断面开挖及加固

掘进机开启后，主机前方悬挂的U型掘进部件在提升液压缸的控制下插入基础土层中。固定在掘进部件主轴前端的掘进叶片，在主轴带动下向前掘进，悬着切割如图2所示A部分土壤，该部分土壤在掘进叶片的推动下进入U型筒内。随后焊接在U型筒壁前端的两片切土盘随着车体整体前移，将剩余土壤(B部分)切下，掉落到U型筒内，与A部分土壤一同向后输送，接着由焊接在U型筒壁后侧的螺旋输送机输送到传送带上，最后被排出沟渠，即完成了U型沟渠的初步成型，得到一个粗糙U型断面。

图2 U型一体机切土截面示意图Fig.2 Sectional drawing of U-shape excavating-and-lining machine

在初步成型后是整形阶段，掘进叶片和切土盘后是一个U型筒，该U型筒与提升液压缸相连接，并在提升液压缸的压力下紧压地面。在U型一体机的行进过程中，该U型筒充当了压板作用，能铲凸补凹，连续修整U型断面。同时，在掘进过程中，U型一体机能利用自身重量再次碾压沟渠基础，在U型筒的约束作用下，不仅不会破坏U型渠断面的完整性，还能进一步提高沟渠土密实度。

3.2.3 混凝土现浇衬砌

U型渠断面开挖完成后，由U型一体机的后置部分(即衬砌机)进行U型槽混凝土衬砌。衬砌机通过一条粗钢丝绳连接在主机后端，由主机为其提供前进动力。

衬砌机前端是一个与U型沟渠截面形状一致的导向滑模，该滑摸能紧密贴合在U型沟渠截面上，其主要作用是为衬砌定向，也可以支撑整个衬砌机。在导向滑模的定向作用下，衬砌机沿着渠槽运动。导向滑模后方是成型滑模，成型滑模的尺寸比导向滑模小40～50 mm，充当衬砌内模的作用。在成型滑模中还集成有振动器，其处于成型滑模和土模之间，呈45°角斜插状态，可充分振捣要浇注混凝土的每个角落。成型滑模上方是混凝土料斗，混凝土由料斗底部的分料板分配到进料口的两侧，进入到成型滑模与U型沟渠之间的间隙中均匀摊铺。此外，成型滑模两侧设置有压边板，可以对U型沟渠及锁口中的混凝土进行整形。

4 不同施工方法做出的U渠质量对比

该U型一体机自2010年投入使用以来，先后在湖北省沙洋、荆州、武汉等地进行了大量的U型渠道施工，承建U型渠道长度达320 km。为了验证用该机施工的混凝土U型渠质量，特聘请了有检测资质的单位对渠道质量进行了检测。检测对象分别为用该机施工的混凝土U型渠和用传统现浇方法施工的混凝土U型渠，样本为荆州市内的U型一体机施工渠道(3组样本)与附近传统现浇渠道(也为3组样本)，6组样本的渠道地理位置、建成时间、建筑材料相近，可以在一定程度上说明是否使用机械施工的优劣。检测项目分别为渠道的外观完整性、顺直性、横断面尺寸标准性、衬砌层厚度合格率、填土密实度达标率和渠道渗漏量等。

对检测后记录下的数据进行整理分析，其成果见表1。

5 U型一体机施工优势

与传统的施工方法比，用U型沟渠土方掘进衬砌一体机做成混凝土U型渠无论是外在的感观、横断面尺寸标准度，还是渠基填土密实度、渠道渗漏量等方面都较优，根据多年的反复研究，U型一体机施工主要优势为：

(1)选择了合适的U型断面。该断面的形式如图3。其断面属于直线圆弧相切型，其控制混凝土拌和物塌落的机理是：直线部分并非铅直面，而是与铅直面形成一定的角度，该角度有利于混凝土拌和物贴合在渠槽土表面，且不大幅增加占地费用和施工成本[6]，在衬砌厚度为60 mm时，该角度通过论证确定在14°。

图3 混凝土U型渠断面Fig.3 Section of concrete U-shaped channel

(2)为保证混凝土U型渠施工质量，重视和掌握土方渠道碾压、U断面开挖、混凝土现浇衬砌等环节的施工方法；混凝土采用细骨料级配、控制合适的坍落度与水灰比；机械振捣器带动混凝土振动，降低混凝土本身的黏着程度，使骨料下沉，减少水泥缝隙，增强结构密实程度和硬化速度。

(3)锁口与渠身同时浇筑，见图4。锁口部分的混凝土在地基土的约束下保持一定形状，同时其与渠身混凝土相连接，给渠身混凝土提供相应的黏聚力，以克服在重力作用下向下的运动趋势，使渠身混凝土拌和物在初凝之前可以保持一定的形状，不发生过大的变形，事实证明该改进措施起到了极大作用。

表1 两种施工渠道质量检测对照表Tab.1 Comparison of quality inspection of two construction channels

注：传统现浇法施工是指采用机械、配合人工碾压、开挖成型，现场立模，人工现浇、振捣混凝土的方法。

图4 渠身锁口示意图Fig.4 Schematic of canal body and fore shaft

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[1] 邹文坤.混凝土U型渠道衬砌施工技术[J].水利水电科技进展，1997,(4):62-63.

[2] 吕祖云,伍春平,蔡卫东.小型灌溉渠道U型槽衬砌断面规格选定[J].中国农村水利水电，2011,(1):100-101.

[3] 赵国兵.混凝土U型渠道断面选择及施工技术[J].中国农村水利水电，2001,(5):85-86.

[4] 侯菊平.U型衬砌技术在灌区的应用[J].水土保持研究，2007,(4):304-305.

[5] 孙春光,刘昌元,郭其华,等.一种自走式U型沟渠土方掘进衬砌一体机[P].中国专利:CN201794102U,2011-04-13.

[6] 顾爱军,陈平.混凝土U型渠道衬砌厚度的力学计算[J].灌溉排水学报，2007,(8):25-26.