U型渠道土方掘進襯砌一體機的工程施工及應用

石自堂，孫春光，朱雨平

(1.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430072；2.湖北楚峰水電工程有限公司，湖北 荊州 434020)

1 混凝土U型渠的施工方法

混凝土U型渠自20世紀70年代投運以來，由于其水力條件和受力條件較優[1]，在國內外得到了迅速推廣。目前，混凝土U型渠已經成為我國農田灌溉末級渠系(斗、農渠)優先選擇的渠型。

混凝土U型渠的廣泛應用催生了多種施工方法，且這些方法在不斷向高效率的機械化方向發展。盡管施工步驟在不斷簡化，但總體可以歸納為土方渠道碾壓密實，斷面開挖成型，混凝土襯砌這三步，其中混凝土襯砌又有現澆襯砌及預制混凝土槽襯砌兩種方法[2]。下面簡要介紹這兩種混凝土襯砌方法。

1.1 現澆襯砌

U型渠現澆襯砌方法是先將土方渠道碾壓密實，再開挖U斷面，利用模具邊澆筑、邊機械振動、邊擠壓成型。渠道開挖成型是根據渠道開口寬度、深度、形狀等特性設計模具對開挖基本成型的土渠進行夯實、擠壓成型，形成通常所說的土模(也稱底模)；還要做一套內模，其材料是鋼材，內外模具配套使用，以保證混凝土澆筑厚度均勻一致。混凝土現澆施工時，多采用U型開挖機進行土模開槽，混凝土襯砌機套用內模進行澆筑，振動與擠壓均由襯砌機完成。目前在我國現澆襯砌多為半人工半機械。

1.2 預制混凝土槽施工

預制混凝土槽襯砌需在專用的混凝土構件制作場地預制混凝土U型槽。由于混凝土的重度較大，限制于上裝、搬運、下卸等運輸及施工條件，故U型槽不能很厚、每節不能很長。在預制混凝土施工時，薄殼形狀的構件導致混凝土水灰比、制模、振搗等難以控制，尤其是水灰比不穩定、振搗不密實，直接影響預制成品的抗滲性能和耐久性。通常U型槽構件的長度控制在50 cm，構件之間多用砂漿勾縫[3]，其砂漿強度低且勾縫的寬度和深度很難達到設計要求，渠槽接縫的接頭或勾縫往往會成為該渠槽的薄弱點，經常在渠道完工或運用后不久就出現裂縫、錯縫或沉降，造成襯砌的渠道生長雜草，不僅不能很好發揮U型渠的防滲、過水等功能，而且還影響觀感。由于此類方法速度慢且質量難以保證，不宜連續機械化施工。

2 混凝土U型渠施工環節與施工難點

2.1 混凝土U型渠的施工環節

在混凝土U型渠的施工過程中，每步的施工質量好壞將對U型渠的質量產生很大影響，甚至直接決定混凝土U型渠的使用壽命，下面就涉及的施工環節如土方渠道碾壓、U斷面開挖、混凝土現澆襯砌等進行論述。

2.2 土方渠道碾壓

土方渠道碾壓之前先要對土方渠道進行標準斷面加工，即對低洼處進行土方回填、高處開挖，初步形成標準斷面；再對不密實的土體進行碾壓，特別是對回填土的碾壓要求更高。碾壓過程中要控制土方厚度、土料含水量、碾壓遍數等，最終控制指標為密實度。

土方碾壓對混凝土質量的影響主要體現在混凝土防滲層的厚薄和沉降變形上。由于碾壓后的土方是混凝土襯砌的外模基礎，在土方制備外模的過程當中，不密實土層容易發生變形，造成外模不標準，內、外模之間的間距不一致，導致U渠混凝土厚薄不一致，易使混凝土產生裂縫，降低混凝土強度和承載能力。同時，不密實土層容易在渠道后續運行中發生沉降變形，導致混凝土渠槽局部發生脫層現象，在渠道內水壓力的作用下，使渠槽底部產生集中的拉應力，易形成貫穿裂縫，造成渠道滲漏[4]。

2.3 U斷面開挖

目前開挖的工作方式主要是機械粗挖與人工精修結合，其中機械粗挖是借助挖掘機或開溝機等機械沿一條放線粗挖渠道[5]。人工精修工作則是依靠人力，借助外模模板來對粗挖后的渠道進行修飾和整平，最后做成一個較為完整的U型渠槽毛斷面。

渠道粗挖前，需要用經緯儀復核渠道的中心控制線，校核渠線的方向，要求兩次測角誤差不超過30″。若方向存在偏差，致使襯砌形成的混凝土渠道不順直，后續感觀效果很差。

2.4 混凝土現澆襯砌

混凝土現澆襯砌既是工程施工的難點，也是工程的關鍵點。

(1)難點在于現澆襯砌時的要防止未凝固的混凝土塌落。在幾乎鉛直、較密實的U型土渠外壁上現澆混凝土襯砌，要保證未凝固的混凝土立住、站穩，其難度很大，這個問題是現澆混凝土施工中普遍存在的，以往的現澆施工中，采用的解決辦法通常是：①延長模具定型時間，充分約束混凝土拌和物，等其終凝后再拆模；②采用一定手段降低混凝土的流動性，包括降低水灰比、選擇碎石作為粗骨料等；③摻用混凝土速凝劑。

(2)重點在于確保混凝土現澆襯砌的質量。現澆襯砌時，要防止未凝固的混凝土塌落只是一個方面，更重要的是保證襯砌混凝土的強度、厚度等質量要求。影響混凝土質量的因素很多，如：混凝土骨料級配、水灰比、振搗等。在目前的混凝土U型渠現澆施工中，混凝土宜采用細骨料級配、控制合適的坍落度與水灰比；機械振搗器帶動混凝土振動，降低混凝土本身的黏著程度，使骨料下沉，減少水泥縫隙，增強結構密實程度和硬化速度。

3 混凝土U型渠施工機械

湖北楚峰水電工程有限公司于2006年就承接了U型渠的施工項目，由于沒有施工機械，只能采用傳統的人工施工方法，不僅做出的渠道質量不好、外觀差，不能盈利不說，而且還有合同額5%的虧損。從2007年初開始探索研制用于此類施工的機械，如小型壓土機、挖掘機、襯砌機等，施工進度和質量都有很大提高，當年就有小盈利。此后相繼研制了第一代、第二代U型溝渠土方掘進襯砌機。截止到2010年，第三代U型溝渠土方掘進襯砌一體機出現了，該一體機長度8 300 mm(掘進機部分4 300 mm、襯砌機部分3 200 mm、連接部分800 mm，根據需要可連接或脫開)、寬度1 835 mm，能獨立完成開溝、碾壓、立模、襯砌等一體式工作，每分鐘能生產2 m U型渠道，該機生產的混凝土U型渠質量好，壽命長，外觀感好。由于該機機械化程度較高，施工節省了大量的人力，根據最近5年施工渠道的財務統計分析，生產U50以上的渠道，每公里可盈利1.5 萬元以上。

3.1 U型一體機構造與工作原理

該機稱為U型溝渠土方掘進襯砌一體機，以柴油機為主體動力，以履帶式拖拉機結構為驅動裝置。履帶式拖拉機和其上的機組室、駕駛室組成機械主體，主機的前置部分是一個U形槽掘進部件用以開溝，后置部分為混凝土襯砌部件用于襯砌。柴油機經通過皮帶與三個液壓泵并聯，三個液壓泵產生的液壓能傳遞給各個做功點的液壓馬達，提供行進、掘土、排土所需的能量。掘進部件采用開溝葉片，螺旋輸送機，傾斜、水平傳送帶相結合將基礎開挖成U型并將殘土輸送至溝渠一側，同時U型機碾壓土體，進一步壓實土料。襯砌部件為一臺襯砌機，通過鋼絲繩懸掛在掘進機后部，完成混凝土攤鋪、振搗、收光。該機械自帶動力，能獨立完成U型渠的開挖與襯砌工作[5]。該機整體結構見圖1所示。

圖1 U型渠土方掘進襯砌一體機簡圖Fig.1 Brief introduction to U-shape excavating-and-lining machine 1-掘進葉片；2-切土盤；3-U型掘進筒；4-傾斜傳送帶；5-履帶；6-水平傳送帶；7-減速器；8-導向滑模；9-成型U型滑模；10-震動器；11-壓邊板；12-翼板；13-分型板；14-液壓裝置；15-機組室；16-提升液壓缸

3.2 U型一體機施工過程

3.2.1 開挖前的施工準備工作

采用U型一體機建造混凝土U型渠時，其開挖前施工步驟與傳統施工較為一致，都是按照施工放線、基礎清淤、土方填筑碾壓、布設控制線這四個步驟來進行。在這幾個步驟后，得到一個能使用U型一體機進行開挖襯砌的施工作業面。

3.2.2 U型斷面開挖及加固

掘進機開啟后，主機前方懸掛的U型掘進部件在提升液壓缸的控制下插入基礎土層中。固定在掘進部件主軸前端的掘進葉片，在主軸帶動下向前掘進，懸著切割如圖2所示A部分土壤，該部分土壤在掘進葉片的推動下進入U型筒內。隨后焊接在U型筒壁前端的兩片切土盤隨著車體整體前移，將剩余土壤(B部分)切下，掉落到U型筒內，與A部分土壤一同向后輸送，接著由焊接在U型筒壁后側的螺旋輸送機輸送到傳送帶上，最后被排出溝渠，即完成了U型溝渠的初步成型，得到一個粗糙U型斷面。

圖2 U型一體機切土截面示意圖Fig.2 Sectional drawing of U-shape excavating-and-lining machine

在初步成型后是整形階段，掘進葉片和切土盤后是一個U型筒，該U型筒與提升液壓缸相連接，并在提升液壓缸的壓力下緊壓地面。在U型一體機的行進過程中，該U型筒充當了壓板作用，能鏟凸補凹，連續修整U型斷面。同時，在掘進過程中，U型一體機能利用自身重量再次碾壓溝渠基礎，在U型筒的約束作用下，不僅不會破壞U型渠斷面的完整性，還能進一步提高溝渠土密實度。

3.2.3 混凝土現澆襯砌

U型渠斷面開挖完成后，由U型一體機的后置部分(即襯砌機)進行U型槽混凝土襯砌。襯砌機通過一條粗鋼絲繩連接在主機后端，由主機為其提供前進動力。

襯砌機前端是一個與U型溝渠截面形狀一致的導向滑模，該滑摸能緊密貼合在U型溝渠截面上，其主要作用是為襯砌定向，也可以支撐整個襯砌機。在導向滑模的定向作用下，襯砌機沿著渠槽運動。導向滑模后方是成型滑模，成型滑模的尺寸比導向滑模小40～50 mm，充當襯砌內模的作用。在成型滑模中還集成有振動器，其處于成型滑模和土模之間，呈45°角斜插狀態，可充分振搗要澆注混凝土的每個角落。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進料口的兩側，進入到成型滑模與U型溝渠之間的間隙中均勻攤鋪。此外，成型滑模兩側設置有壓邊板，可以對U型溝渠及鎖口中的混凝土進行整形。

4 不同施工方法做出的U渠質量對比

該U型一體機自2010年投入使用以來，先后在湖北省沙洋、荊州、武漢等地進行了大量的U型渠道施工，承建U型渠道長度達320 km。為了驗證用該機施工的混凝土U型渠質量，特聘請了有檢測資質的單位對渠道質量進行了檢測。檢測對象分別為用該機施工的混凝土U型渠和用傳統現澆方法施工的混凝土U型渠，樣本為荊州市內的U型一體機施工渠道(3組樣本)與附近傳統現澆渠道(也為3組樣本)，6組樣本的渠道地理位置、建成時間、建筑材料相近，可以在一定程度上說明是否使用機械施工的優劣。檢測項目分別為渠道的外觀完整性、順直性、橫斷面尺寸標準性、襯砌層厚度合格率、填土密實度達標率和渠道滲漏量等。

對檢測后記錄下的數據進行整理分析，其成果見表1。

5 U型一體機施工優勢

與傳統的施工方法比，用U型溝渠土方掘進襯砌一體機做成混凝土U型渠無論是外在的感觀、橫斷面尺寸標準度，還是渠基填土密實度、渠道滲漏量等方面都較優，根據多年的反復研究，U型一體機施工主要優勢為：

(1)選擇了合適的U型斷面。該斷面的形式如圖3。其斷面屬于直線圓弧相切型，其控制混凝土拌和物塌落的機理是：直線部分并非鉛直面，而是與鉛直面形成一定的角度，該角度有利于混凝土拌和物貼合在渠槽土表面，且不大幅增加占地費用和施工成本[6]，在襯砌厚度為60 mm時，該角度通過論證確定在14°。

圖3 混凝土U型渠斷面Fig.3 Section of concrete U-shaped channel

(2)為保證混凝土U型渠施工質量，重視和掌握土方渠道碾壓、U斷面開挖、混凝土現澆襯砌等環節的施工方法；混凝土采用細骨料級配、控制合適的坍落度與水灰比；機械振搗器帶動混凝土振動，降低混凝土本身的黏著程度，使骨料下沉，減少水泥縫隙，增強結構密實程度和硬化速度。

(3)鎖口與渠身同時澆筑，見圖4。鎖口部分的混凝土在地基土的約束下保持一定形狀，同時其與渠身混凝土相連接，給渠身混凝土提供相應的黏聚力，以克服在重力作用下向下的運動趨勢，使渠身混凝土拌和物在初凝之前可以保持一定的形狀，不發生過大的變形，事實證明該改進措施起到了極大作用。

表1 兩種施工渠道質量檢測對照表Tab.1 Comparison of quality inspection of two construction channels

注：傳統現澆法施工是指采用機械、配合人工碾壓、開挖成型，現場立模，人工現澆、振搗混凝土的方法。

圖4 渠身鎖口示意圖Fig.4 Schematic of canal body and fore shaft

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[1] 鄒文坤.混凝土U型渠道襯砌施工技術[J].水利水電科技進展，1997,(4):62-63.

[2] 呂祖云,伍春平,蔡衛東.小型灌溉渠道U型槽襯砌斷面規格選定[J].中國農村水利水電，2011,(1):100-101.

[3] 趙國兵.混凝土U型渠道斷面選擇及施工技術[J].中國農村水利水電，2001,(5):85-86.

[4] 侯菊平.U型襯砌技術在灌區的應用[J].水土保持研究，2007,(4):304-305.

[5] 孫春光,劉昌元,郭其華,等.一種自走式U型溝渠土方掘進襯砌一體機[P].中國專利:CN201794102U,2011-04-13.

[6] 顧愛軍,陳平.混凝土U型渠道襯砌厚度的力學計算[J].灌溉排水學報，2007,(8):25-26.