渠道機械化襯砌設備系統及其優化

牟連營，葛保森

（1.河北省水利科學研究院，石家莊 050057；2.河北省南水北調工程建設管理局，石家莊 050035）

渠道機械化襯砌設備系統及其優化

牟連營1，葛保森2

（1.河北省水利科學研究院，石家莊 050057；2.河北省南水北調工程建設管理局，石家莊 050035）

該文分析了國內外大型渠道襯砌機研究及應用現狀、發展趨勢及存在的主要問題，重點列舉了兩種典型襯砌機（振動滾筒、滑模式）結構功能、適用條件，提出了適應南水北調工程大型渠道襯砌設備選型原則和方法，同時也提出了今后襯砌機改進優化研制的方向。

機械化襯砌；設備選型；結構改進；系統優化

南水北調工程是我國興建的大型跨流域調水工程，是實現我國水資源優化配置的戰略基礎性設施。隨著這一工程的大規模展開，工程建設會涉及到許多新技術、新裝備、新工藝，大型渠道混凝土機械化襯砌成型技術與裝備就是其中課題之一。

本文依托南水北調中線一期工程京石段應急供水工程渠道項目某標段施工建設，同時對其他渠道施工標段進行調研，分析國內外大型渠道襯砌機應用現狀及發展趨勢，提出了南水北調渠道斜坡襯砌的成套混凝土機械襯砌施工裝備的升級改造方向、選型原則及方法，以期為下階段工程的開展提供指導性建議。

1 國內外渠道襯砌機的發展及現狀

1.1 國外渠道襯砌機研究應用現狀

國外大型機械化襯砌成套設備已有幾十年的發展史，已經從簡易、半機械化的施工工具發展成為電腦程序控制的自動化施工設備。國外渠道襯砌機生產公司主要有美國高馬克（Gomaco）公司、意大利瑪森薩（Massenza）公司、美國G&Z公司、美國拉克·漢斯（Racho.Hasson）公司和德國維特根（Wirtgen）公司，這些公司的產品大都采用燃油機為動力，集機械、液壓和自動化于一體，其中以美國高馬克和意大利瑪森薩公司的產品最具代表性。

1.2 國內渠道襯砌機研究應用現狀

我國大型渠道襯砌設備的研究和機械化襯砌技術首先在南水北調東線一期工程實施，機械化襯砌技術及設備使用尚處于初級階段。南水北調中線干線一期京石段渠道工程實施后，大型渠道襯砌機械化施工得到進一步應用，設備及機械化襯砌施工技術處于發展階段。

1.2.1 國家立項研制階段

2003年,國家南水北調重大技術裝備項目——大型渠道襯砌設備的研制立項。該項目由陜西建設機械股份有限公司聯合機械科學研究院、武漢長江工程技術公司及長江勘察規劃設計院研制和生產出國內首套大型渠道襯砌成套裝備——QTH200Q渠道襯砌機，要求針對南水北調中線工程渠道襯砌結構，自主完成大型渠道襯砌設備的研制。在2005年2月完成了大型渠道襯砌設備的設計，2005年年底完成了樣機試制工作。其設計方案為：布料機采用皮帶輸送形式，襯砌機成型方式為振動滾筒式，布料機和襯砌機行走均采用導軌式。

1.2.2 引進國外大型渠道襯砌技術、進口使用階段

1982年，河北省根治海河指揮部為援外項目，從美國購買渠道削坡、混凝土襯砌機成套設備，用于突尼斯共和國“麥崩水渠”工程。集渠道削坡、噴除草劑、噴乳化瀝青，混凝土澆筑，振動滑膜襯砌、切縫，噴養護劑一條龍施工，效果良好。

1988年，山東省水利廳進口美國高馬克公司一套C—450渠道襯砌機用于“引黃濟青”工程。通過試驗為我國大型渠道襯砌技術的應用和研制積累了寶貴經驗。

2003年8月，山東省南水北調工程建設指揮部組織山東省水利設計院、山東省水科院、山東省水利總公司、山東省水利工程局等6家單位完成了對意大利瑪森薩（MASSENZA）公司和美國GOMACO、G&Z、RACHO·HASSION等5家單位對大型滑模攤鋪機的考察。山東省水利水電承包公司、山東省水利總公司、山東省水利工程局、山東省巖土公司聯合投資1800萬元購買了2套意大利瑪森薩生產的MCP9000—4滑模襯砌機。2004年4月，始用于濟平干渠混凝土成型施工。在吸收國外先進技術、總結經驗的基礎上，結合南水北調山東段濟平干渠工程建設，由山東省南水北調工程建設指揮部，聯合山東省水利勘測設計院、山東省水利水電工程承包公司、山東省水利工程局于2003年3～8月完成了對GOMACO—C450振動碾壓成型機的技術改造，并在濟平干渠試驗段完成了近1 km的4種混凝土襯砌結構的成型試驗。

1.2.3 自主研制、消化吸收階段

2004年9月，水利部“引進國外大型渠道襯砌先進技術”科技引進項目（“948”項目）立項。該項目由山東省南水北調工程建設指揮部聯合山東省水利勘測設計院共同實施，引進意大利瑪森薩公司的CP9000—4滑模襯砌機的關鍵技術和關鍵設備的同時，采用消化、吸收方式，研制開發適合我國國情的大型渠道襯砌設備。自項目啟動以來，先后研制了CCFM系列振動碾壓襯砌設備、SCFM系列振動滑模成套設備、CCFM05—I、SCFM05—I系列成型機、CCFM05—Ⅱ、SCFM05—Ⅱ系列成型機等。

1.2.4 自主創新、使用階段

綜合國內襯砌機研制及發展水平，結合南水北調中、東線工程的使用情況，大型渠道襯砌機機型主要分為振動滾筒、振動滑模兩大類。目前，南水北調中線以振動滾筒型襯砌機為主力渠道機械化混凝土襯砌設備，實現了振動系統創新。

經過近幾年的發展，國內機械化襯砌技術不僅在技術上達到國際領先水平，且價格僅為進口設備的1/5～1/10?，F今，大型渠道襯砌機已經廣泛應用于南水北調中線工程中，渠道機械化襯砌技術與設備日趨完善和成熟，機械化襯砌技術得到廣泛應用。

1.3 國內外渠道機械化襯砌機研制及應用

國外渠道機械化襯砌設備研制及應用存在的主要問題見表1。

表1 國外渠道機械化襯砌設備研制及應用

國內大型渠道機械化襯砌設備研制以山東調水技術中心研制的襯砌設備為代表，其設備在研制及使用中存在的主要問題如表2所示。

1.4 襯砌機發展趨勢及前景

1.4.1 總體發展趨勢

無論是滑模襯砌設備還是滾筒襯砌設備，均朝著機械、電子、液壓一體化和智能化、模塊化、人性化方向發展。結合南水北調中線應用發展前景，結合襯砌機發展趨勢主要為適應南水北調中線工程大跨度、大型化、自動化程度高、效率高等要求，改變其裝配形式可滿足不同坡長和坡度的渠道襯砌及平面混凝土的襯砌要求。

1.4.2 應用前景

縱觀國內外大型水利工程建設中的渠道施工，隨著渠道襯砌機械化襯砌程度的提高和大型渠道襯砌機設備技術成熟，大型渠道襯砌機在國內外，特別是中國南水北調中線工程應用會更加充分，可使工程質量、工程進度、效率大大提高，同時使機械化成本得到進一步減少。

2 典型渠道襯砌機的類型、結構功能和適用條件

2.1 渠道襯砌機分類

渠道襯砌機可以按照襯砌成型技術、設備行走方式、斷面方式、襯砌部位分為以下幾類，見表3。

表3 渠道襯砌機分類

2.2 振動滾筒、滑模襯砌機應用介紹

2.2.1 振動滾筒式

2.2.1.1 代表機型

山東調水工程技術中心研制的CDM07型渠道混凝土振動滾筒襯砌機。

2.2.1.2 應用典型標段

南水北調中線干線一期工程渠道項目某標段。

2.2.1.3 結構特點

（1）行走裝置。由主動車輪組和從動車輪組組成，主動車輪上安裝有變頻調速電機、傳動機構帶動從動車輪在導軌上行走。

（2）升降裝置。采用螺旋升降機構，通過高強螺栓連接支撐主框架，用以調節襯砌厚度，彌補導軌高程差及渠床誤差引起的襯砌厚度誤差。

（3）襯砌小車。本設備安裝有兩個襯砌小車，一個安裝在機架底部，另一個安裝在機架中間，襯砌小車主要由電動振動滾筒、小車行走裝置和彈性連接器組成，行走裝置在機架的軌道上行走，同時，電動振動滾筒旋轉、振動，實現混凝土提漿、密實。

（4）機架。由上框架、下框架、變角框架和中間框架組成，框架上鋪設有鏈軌，襯砌小車沿著鏈軌行走。

2.2.1.4 適用條件

振動滾筒襯砌機可以適用于長距離、大斷面、大跨度、坡長6～35 m，襯砌厚度厚、渠道交叉建筑物較多，轉移頻繁的渠道斜坡的襯砌施工。

2.2.2 滑模式

2.2.2.1 代表機型

山東省調水工程技術研究中心研制開發的振動滑模襯砌機（SCFM型）。

2.2.2.2 結構特點

（1）混凝土皮帶布料系統。設置在設備的上端，沿軌道行駛，布料系統由2條分輸送帶和1條主輸送帶組成，分輸送帶把混凝土從罐車出料口輸送至主輸送帶，主輸送帶上有滑動刮板式分料器，可將混凝土從渠道頂部均勻地輸送到渠底坡角、渠坡和渠肩處。

（2）振搗系統。采用8套CP4T—4型優噪音插入式振動棒用變頻機組。每套機組可帶動4臺高頻自振式振搗棒。料倉內設有24套12000 Hz插入式高頻振動棒，該設備具有振搗效果好、可靠性強等優點。

（3）襯砌機行走系統。采用軌道行走方式，在軌道旁用鋼鉸線（或尼龍繩）設基準線，基準線縱向設置長度一般為200～300m，定位樁的間距為6m，彎道段適當加密。

（4）自動抹平系統。自動抹平裝置有利于消除來不及從混凝土中排出來的小氣泡及滑模板與混凝土拖動帶來的微小缺陷。

（5）自動找正系統。在渠底機架外側部位設置基準導線，每隔一定距離設置導向樁，基準導線與渠道中心平行，高度為距渠道底面標準高度，角位移編碼器連桿與基準導線相接觸，當由于導軌高度變化造成設備高度變化時，角位移編碼器連桿角度發生變化，角度變化值輸入設備可編程控制器PLC，PLC經過數據分析，發出指令開啟設備下部液壓支腿油缸電磁閥，液壓支腿根據PLC指令收縮或伸出，從而調整設備下部高度符合施工要求。

（6）自動平衡系統。可增設自動檢測系統，具有較高的配置和使用功能，適用于長斜坡混凝土襯砌。

（7）防粘結及清洗系統。為防止混凝土粘結在料倉內，在設備出廠前對與混凝土接觸的料倉、振搗棒等部件進行防混凝土粘結漆噴涂，同時配備清洗系統。

2.2.2.3 適用條件

振搗滑模襯砌機可以適用于長斜坡、幅寬可根據橫向分縫距離確定，襯砌厚度較厚、渠道內交叉建筑物較少，移機不頻繁的渠道斜坡的襯砌施工。

3 選型原則與方法

3.1 選型原則

根據南水北調中線工程工期緊、任務重的特點，考慮到國內機械化襯砌機相比較國外設備的價格優勢及南水北調東線濟平干渠工程、南水北調中線京石段機械化襯砌技術的成功經驗，同時結合南水北調中線京石段應急供水工程渠道項目某標段的項目，初步選定從國內具有成熟經驗的廠家中選擇。

襯砌機械化施工設備選型原則：機械性能可靠，工作穩定高效，操作簡便適用，性價比高，售后服務好，故障率低，符合市場準入要求（見表4）。

3.2 選型結論

結合南水北調中線京石段應急供水工程渠道項目某標段實際情況，以上述選型原則為標準，研究目前國內主要廠家生產的機械化襯砌設備技術特點，得出結論：山東調水工程技術中心開發的CDM07型渠道混凝土振動滾筒襯砌機可以適用于南水北調工程長距離、大斷面、大跨度、坡長6～35m，渠道交叉建筑物較多，轉移頻繁的渠道斜坡的襯砌施工。

表4 南水北調大型渠道襯砌機選擇

4 機械化襯砌設備系統改造

4.1 設備改造

目前，大型渠道機械化襯砌設備經過技術引進、自主吸收、消化，以及產品的結構優化升級，形成了自主的知識產權，但是經過南水北調東線、南水北調中線一期工程的實踐，設備的結構、機電系統等對于適應我國南水北調工程大型渠道襯砌還需要進一步提高和改進。山東原有的導軌式滾筒襯砌設備經改進，單滾筒為雙滾筒表面振動提漿，底部深沉振搗采用橫向排拒振搗器，實現了混凝土雙重振搗施工工藝，保證了混凝土外部和底部混凝土密實度，及混凝土質量。

4.2 結構改進

（1）滾筒襯砌設備：襯砌機的襯砌小車行走由鏈傳動牽引改為自行機構。

（2）滑模式襯砌設備：振搗、輸送布料部分的動力采用電驅動，行走、升降采用液壓傳動。

（3）皮帶機布料需要人工輔助攤鋪均勻才能滿足襯砌機的襯砌要求：皮帶機傳送帶送料過程中，有漏料現象，在傳送帶最末端懸掛一接料斗，漏料可再回收利用。振動滾筒襯砌機不能襯砌渠肩和坡腳：需要配備移動發電機組；減少人工作業強度。

（4）濕切縫結構裝置系統需要進一步改進。

（5）襯砌機坡腳與渠底連接反弧結構改造。

4.3 機電系統改造

（1）渠道襯砌機的動力傳動方式改造：配備液壓和電力驅動兩套動力傳動系統，將是今后探討的方向。

（2）襯砌設備需人工鋪設導軌，勞動量大，且精度不易控制，自動化程度不高。導向定位和控制系統精度還待進一步改進。

（3）布料自動化、均勻化，以及布料粗平，將大大節省人力、物力，直接影響工程成本。因此，布料系統的自動化、均勻化將是襯砌機值得改進和研究的方向。

4.4 智能升級

無論是滑模襯砌設備還是滾筒襯砌設備均朝著自動化、智能化和模塊化方向發展。改變其裝配形式可滿足不同坡長和坡度的渠道襯砌及平面混凝土的襯砌要求。目前正朝著機械、電子、碾壓一體化和智能化一體化的方向發展。如切縫裝置的精確定位，襯砌厚度、平整度、坡面高程位置等精確控制等。

5 結語

分析了國內外大型渠道襯砌設備研究進應用現狀，結合國內大型渠道襯砌研制研發生產情況，以及南水北調中線一期工程京石段工程，以國內外技術現狀調研為基礎，對渠道襯砌設備進行研究，得到了以下主要成果:

（1）分析了國內外大型渠道襯砌設備現狀及存在的問題及渠道襯砌發展及應用前景。

（2）介紹了國內外現有襯砌機的分類。

（3）研究了適應南水北調中線工程特點的大型渠道機械化混凝土襯砌設備選型方法和原則，根據該原則，介紹了南水北調中線京石段應急供水工程渠道項目某標段的項目渠道襯砌機的選型實例。

（4）研究并提出了大型渠道襯砌機的設備改造和智能升級方向。

［1］瞿瀟.渠道混凝土機械化襯砌技術研究［D］.南京：河海大學，2006.

［2］霍兵，梅梅.大型渠道施工成套設備研制抓緊進行［N］.中國水利報,2003.

［3］霍兵.渠道機械化襯砌設備及應用前景［J］.中國機電工業，2004（1）.

［4］韓其華,祝鳳山,朱琳.南水北調工程渠道機械化襯砌技術研制概況［J］.水利水電科技進展，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

牟連營（1969—），男（漢族），河北故城人，高級工程師，主要從事水利工程技術咨詢工作，（Tel）13831117078。