渠道混凝土嵌入式置縫機的研究與應用*

(新疆額爾齊斯河流域開發工程建設管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

1 概 述

1.1 工程概況

戈壁明渠工程等別為大(Ⅱ)型二等工程，其中，明渠及渠系建筑物為2級建筑物，兩座倒虹吸為1級建筑物。工程全長113.2km，采用寬淺式梯形斷面，設計渠底寬6m，左右開挖邊坡1∶2.5，渠頂以上開挖邊坡1∶1.75。沿線共6座節制退水閘，19座排洪涵洞、8條導洪渠，戈壁明渠最大挖深48m，最大填高6m。

1.2 工程氣象條件

戈壁明渠工程穿越北部荒漠戈壁區，受準噶爾盆地中部古爾班通古特沙漠“旱海”的影響，氣候干燥少雨，工程區多年平均氣溫3.4～5.7℃，極端最高氣溫37.6～43.5℃，極端最低氣溫-38.2～-43.5℃，降雨量79.5～188.9mm，蒸發量1716～3534mm，最大積雪深度23～33cm，最大凍土深度大于150cm，月平均氣溫在0℃以下的時間可達5個月。

2 嵌入式置縫機的研究

2.1 研究背景

由于戈壁明渠工程特殊的地理環境、渠道地質情況、配套措施不完備，自2005年通水運行以來每年都有許多渠段發生邊坡失穩，及渠底凍漲和揚壓力破壞等現象，主要原因：?渠床的泥巖透水性極差，渠道防滲膜膜后積水，在渠道停水后不能順利排出，造成泥巖不能快速固結，天氣寒冷導致凍漲、揚壓力、邊坡不穩定滑坡破壞；?預制混凝土板襯砌梯形渠底缺乏變形抵抗能力。對此采用渠道排水體系，將梯形斷面改造為具有較強抵抗變形能力的現澆混凝土弧形渠底改造措施。受制于停水期施工工期短、難度大等問題，施工采用了混凝土機械化襯砌流水作業方式。

渠道混凝土機械化襯砌施工技術在南水北調中已得到廣泛推廣，在新疆北疆調水工程中也得到了實踐。目前，國內的渠道混凝土機械化襯砌施工，成型設備只涵蓋混凝土攤鋪襯砌機、提漿抹面機等設備，后續的收面壓光、切割伸縮縫、清縫、界面劑涂抹、填充閉孔泡沫板、填充密封膠等各道施工工序還需大量人工，未形成滿足機械化襯砌各道工序的成套技術與設備。混凝土結構縫的機械化分格、嵌縫設備尚屬空白，此空白不予以攻克依然不能快速完成戈壁明渠渠道改造。

2.2 傳統混凝土結構縫的分縫、嵌縫面對的普遍困難和問題

近些年來，配套混凝土機械化襯砌，渠道混凝土結構縫的分格、嵌縫施工技術通過工程技術人員不斷的實踐創新，從降低成本、提高功效出發，實施升級改造，研究出實現機械化施工需求的技術與設備，如大型長斜坡混凝土切縫機[1]、填充聚硫密封膠的注膠機，與工程施工具有一定的匹配性和實用性，其操作也相對靈活，從一定程度上提高了施工速度和施工效率，但現行混凝土結構縫的分縫、嵌縫工藝依然存在尚未解決的問題。

a.工序不能連續實施，斷點間隔時間長，施工進度慢。渠道混凝土機械化襯砌較傳統工藝，工程推進速度快，平均200m/d，然而切縫工藝速度較慢，且切割時間須控制在混凝土強度達到4～6MPa時切割，太早易出現混凝土缺棱掉角，太晚混凝土會產生伸縮裂縫，對同一天內完成的襯砌施工段落從開始切割至切割結束不宜超過8h，與機械攤鋪的進度不相匹配，影響了機械化功能和效能發揮[2]。

切割完畢混凝土進入養護期，2～3個月后進行灌縫前的清縫，清縫需進行吹掃和烘干，清縫完畢再填閉孔泡沫塑料板、注膠[3-4]。前后工序時間長，影響施工工期。

b.防滲塑膜易破損。受渠床誤差和導軌高程差的影響，機械切縫過程遇成型混凝土厚度不均勻處，機械切縫極易破壞防滲塑膜[5]。

c.混凝土厚度控制和檢測難。檢驗成型混凝土厚度是否符合設計要求，普遍采用混凝土取芯或攤鋪過程分段抽查判斷厚度，存在混凝土厚度不夠的情況，也只能被動接受。

d.混凝土裂縫控制難。混凝土機械化襯砌裂縫產生原因：建基面的不均勻沉降、混凝土配合比不合理、混凝土伸縮、表面及內部伸縮不一致、養護不到位、切縫不及時、其他人為因素等，裂縫控制難度大[2]。

e.混凝土結構縫防滲能力低。混凝土灌縫質量受外部環境、界面劑刷涂質量、時間配合長短等多重因素影響，直接導致結構縫防滲能力低。

f.機械切縫的噪音、環境污染大，能耗高。傳統工藝，切縫時產生強噪音污染，工人作業環境差，勞動強度大，切割易產生較多的切割刀片等施工垃圾，造成區域環境污染且施工質量不穩定、成本較高。

2.3 嵌入式置縫機的研究成果

為了解決渠道工程混凝土機械化襯砌施工過程中的實際困難和問題，在戈壁明渠渠道工程建設中，經過不斷實踐和經驗總結，通過嵌入式置縫機的發明，與混凝土攤鋪機、多功能混凝土表面成型機配套應用，實現了混凝土在塑性階段45min內，攤鋪振搗、提漿整平、分格、嵌縫、收光抹面、表面成型等各道工序一次性完成，實現了渠道混凝土機械化襯砌的快速施工。

a.嵌入式置縫機在混凝土塑性階段將置縫材料置入伸縮縫中，能使置縫材料與混凝土拌和物充分膠結，伸縮縫與誘導縫施工產生標準的縫深、縫寬，黏接面干燥、清潔、無油污和粉塵，確保密封膠充填質量，提高混凝土結構縫的防滲能力。

b.實現混凝土澆筑和結構縫一體化施工，消除了混凝土裂縫產生的內在因素。

c.對防滲塑膜的完整性進行了有效保護。

d.置縫材料和伸縮縫尺寸固定，通過置入置縫材料外露尺寸，來檢測混凝土的澆筑厚度，簡單快捷。

e.集成多道工序的一次性實施，簡化了施工工序，節約了施工成本。

f.實現了混凝土結構縫內不同部位可以同時置入性能各異的置縫材料。

g.實現了“工完、料凈、場地清”的施工現場，創造了綠色環保的施工環境，改變了傳統切縫工藝時的強噪音污染，高耗能，降低了結構縫的施工成本。

3 嵌入式置縫機的應用

3.1 新的渠道混凝土機械化襯砌作業流程

新的渠道混凝土機械化襯砌作業流程如圖1所示。

圖1 新的渠道混凝土機械化襯砌作業流程

3.2 嵌入式混凝土置縫機工藝流程

嵌入式混凝土置縫機工藝流程如圖2所示。

圖2 嵌入式混凝土置縫機工藝流程

3.3 嵌入式混凝土置縫機工作模式

a.混凝土橫向誘導縫施工的快速就位和快速實施。

b.混凝土縱向伸縮縫施工的快速就位和快速實施。

c.在混凝土初凝前實現結構縫的分塊、分縫、嵌縫。

3.4 嵌入式置縫機具體實施

混凝土攤鋪機提漿整平完成后，嵌入式置縫機開始作業，在襯砌混凝土初凝前，與混凝土攤鋪機同步完成襯砌混凝土的分塊分縫施工(見圖3)。

圖3 嵌入式置縫機施工作業現場圖片

3.4.1 橫向誘導分縫機械化施工

a.需開動置縫機將誘導縫置縫總成與設計位置重合并制定定位。

b.人工輔助將分縫材料從振動刀架穿出并固定始端。

c.開啟振動電機和升降控制裝置，誘導縫置縫總成振動向下移動刀架插入混凝土至規定深度。

d.啟動置縫車移動，一次性連續不斷地將分縫材料植入混凝土內部，同時混凝土表面得到完整的恢復，形成一條復合規定要求的橫向誘導縫(見圖4)。

圖4 橫向誘導縫作業

3.4.2 縱向誘導縫機械化施工

a.需將誘導縫置縫總成及其分縫材料卷筒旋轉90°。

b.操作與橫向誘導分縫機械化施工相同(見圖5、圖6)。

圖5 縱向伸縮縫作業

圖6 縱向誘導縫作業

3.4.3 嵌入式置縫機施工要點

a.配套施工機械。試驗研究，嵌入式混凝土置縫機將置縫材料置入混凝土后，利用傳統的大轉盤式混凝土機械化襯砌收光抹面設備[6]，轉盤置縫材料直接跑位，結構縮縫抹面錯亂無章。為保證嵌入式置縫機功能的發揮，與之配套的多功能混凝土表面成型機應運而生。

多功能混凝土表面成型機是一個圓柱體，在圓柱體表面一周布設多把抹刀的圓柱形滾筒，替代了傳統的收光抹面設備，施工中的多功能混凝土表面成型機和混凝土面的接觸是一條線接觸，不是大面積的擠壓振搗提漿，它對伸縮縫和誘導縫中已布置的閉孔塑料板不會產生位移影響，因此多功能混凝土襯砌機的使用，使得嵌入式置縫機功能得以實現。

b.縱橫向結構縫工序安排。以閉孔塑料板置縫材料為例，嵌入式置縫機先實施縱向的誘導縫施工，將厚5mm、寬5cm閉孔塑料板放置在混凝土最薄弱、最易產生裂縫的底部，緊貼防滲塑膜，然后再進行橫向的伸縮縫施工，施工過程中必將和縱向的誘導縫出現縱橫交叉點，此時伸縮縫中閉孔塑料板需將交叉處誘導縫內的閉孔塑料板平壓下去，使其平倒至防滲塑膜表面。這種施工工序的安排，避免了交叉點截斷閉孔塑料板工序的發生。

3.5 實施效果

試驗研究表明，利用嵌入式置縫機將異性止水材料或橡膠止水帶置入襯砌混凝土內部，能夠形成理想的構造縫和誘導縫，置縫材料為橡膠和閉孔塑料復合的異形止水材料，具有止水效果好、壽命長、便于機械化施工的特點。

4 嵌入式置縫機顯著特點和應用展望

a.嵌入式置縫機可用于各種形狀的襯砌混凝土分縫施工。

b.嵌入式置縫機與混凝土攤鋪機、抹面成型機的配套使用，使得混凝土機械化襯砌攤鋪、振搗提漿、收光抹面、分格、嵌縫等各道工序能在塑性階段便可一次性完成，替代了傳統混凝土施工機械切縫模式，加快了施工進度，提高了工程質量，使渠道工程建設優質、高效、快速成為可能。

c.嵌入式置縫機的介入，顛覆了傳統混凝土襯砌施工工藝及流程，使得不同的斷面可以采用不同的結構縫設計形式：置縫材料可以用橡皮條、止水橡皮帶、閉孔塑料板；置縫材料性能可以選擇防滲、抗老化、抗沖蝕，也可組合選用；價格上可以根據不同部位不同需求進行高低的選擇，如：結構處填充材料選擇價格低的，防滲、抗老化選擇價格高的；置縫材料形狀除常規樣式外，也可根據需要置入不同形狀的異形材料。總之嵌入式置縫機工藝的出現，勢必將帶動材料科學的進步，新材料也將應運而生，常規的結構縫填充材料，必將被新材料所取代，結構縫的設計規程、施工規范必將產生新的國家標準。多樣的結構縫設計如圖7所示。

圖7 多樣的結構縫設計

d.嵌入式置縫機在渠道工程施工中的成功實踐，對推廣使用混凝土厚度50cm以內、骨料粒徑小于4cm連續級配的壩面、河道堤防、道路、機場等大平面混凝土的施工成為可能。

5 結 語

2017年混凝土襯砌嵌入式置縫機成功獲得國家級使用新型發明專利，混凝土襯砌嵌入式置縫機的運用將勢必解決長期困擾混凝土工程的因用工及養護成本高、工期長、質量不易保證、裂縫控制難等導致的一系列技術難題，將推動混凝土機械化襯砌施工的發展，為混凝土機械化襯砌施工工藝帶來一場革命，為類似工程建設提供借鑒和參考，對促進混凝土工程施工科技進步有重要意義。

[1] 王旭波,韓其華,楊海波,等.長斜坡混凝土切縫機[J].工程機械與維修,2010(5):144.

[2] 張迎晨,竇衛兵.北疆渠道機械化襯砌裂縫產生原因分析與對策淺談[J].中國建筑金屬結構,2013(24)：233.

[3] 湯海濤.大斷面渠道混凝土村砌機械化施工質量控制要點[J].水利建設與管理,2009(3):42-43.

[4] 羅豐.南水北調渠道混凝土襯砌施工工藝總結[J].中國建筑金屬結構,2013(11)：181-182.

[5] 李典基.大型渠道混凝土機械化襯砌技術研究[D].濟南:山東大學,2011.

[6] 王步新,王乃超,李進亮.PHQZJ-I排振滑模式坡面砌筑機混凝土施工工法[J].水利建設與管理,2011,31(9):11-14.