南水北调渠道工程粗砂垫层(5cm厚)压实方案的探索

南水北调渠道工程粗砂垫层(5cm厚)压实方案的探索
【摘要】本文围绕如何实现南水北调渠道工程粗砂垫层（5cm厚）设计要求入手分析，通过工程实体试验，进行了技术、设备改进和方案优化，最后确定出适合设计及规范要求的施工机械组合和压实方法，并总结出了保证工程质量的施工工艺。

【关键词】砂垫层；压实设备；压实方法
南水北调中线一期工程总干渠安阳段渠道设计中首次采用5cm厚粗砂垫层结构，特别是在1：2坡比的坡面上要求其相对密度不低于0.7，国内均无先例可循。

根据安阳段同时进行的其他标段渠道衬砌的工程实体，一步一步研究探索，并最终解决了此难题。

1.工程概况
安阳段总干渠渠道形式：渠道采用梯形断面，设计渠底宽度为13～18.5m，渠底内一级边坡1:2～1:3，坡长19.5～28.8m，渠道纵比降为1/28000。

渠道衬砌结构自下而上为：基面渠床、强渗软式透水管及单向排水阀等渠道自排水结构布置、5cm厚粗砂滤层、2cm厚聚苯乙烯保温板、600g/m2的复合土工膜，10cm（渠底8cm）厚砼面板。

2.渠道砂垫层（5cm厚）的技术难点
由于5cm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：
2.1如何实现设计要求的平整度、坡比和厚度；
2.2如何达到设计要求的0.7相对密度指标；
2.3什么样的施工方法和工艺可以保证工程质量，并适合于推广使用。

3.粗砂垫层施工中渠道衬砌机械可应用情况说明
目前常用的大型渠道衬砌机械有两种：振动碾压式衬砌机和振动滑模式衬砌机。

振动碾压式衬砌机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，振动压光辊可尝试压实砂垫层。

振动滑模式衬砌机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。

4.工程实体试验
从目前现有机械设备情况，问题的核心是如何达到设计要求的0.7相对密度指标。

以此为出发点，查找相关技术资料和类似施工经验，在经过充分准备，原材料、衬砌机械安装调试、人员培训、方案讨论细化等完成后，按照以下4种方案进行工程实体试验。

4.1实施方案一：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，用自卸汽车把粗砂堆于一级马道上，人工上料，通过振动碾压式衬砌机的自动布料系统人工喂料完成砂垫层布料，并转动螺旋完成整平和多余料的转移，用振动压光辊完成压实和收光作业。

试验过程中粗砂（机制砂）采用虚铺系数为1.30，含水率以3%、3.5%、4%、4.5%、5%、5.5%、6%、7%等逐一试验。

实测粗砂垫层平整度、厚度、坡比虽能达到规程要求，但无论碾压辊怎样碾压均不能达到设计相对密度0.7的要求。

结果分析：由于5cm厚粗砂垫层太薄，压光辊和粗砂垫层接触面小，半径不够大、砂垫层较薄，振动碾压时，砂子会向辊子的两侧雍起，最终达不到预期效果。

因此，该方案需优化。

4.2实施方案二: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
对方案一实施优化，自行研制一套压实装置，悬挂于振动碾压式衬砌机的桁架结构上，替代碾压辊完成压实作业。

通过模拟和试验改装，采用0.75、1.2、1.5、2.0KW四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12种不同型式的平板振动器在渠坡进行振压试验。

试验结果显示：以1.5KW振动电机、以60cm宽、100cm 长、托盘面板厚度5mm的加筋板为最优选择，不仅能达到预期目的，而且工效快速。

从试验实施过程来看，用衬砌机的布料系统完成施工，占用大部分的衬砌机械时间，效率低，工程成本较高，不利于大面积作业。

该方案需继续优化。

4.3实施方案三:人工摊铺粗砂垫层，振动碾压式衬砌机精平和预压，悬挂压实装置实现终压
继续优化方案二，采用装载机铲料到坡面上，人工直接摊铺、初平，用振动碾压式衬砌机转动螺旋完成整平和多余料的转移，悬挂的压实装置实现终压。

按确定的技术参数继续试验：粗砂虚铺系数1.30，现场摊铺按6.5cm～6.6cm 控制；碾压含水率按4%～5%控制；碾压遍数（顺坡往返一次为一遍）选择两遍。

试验完成的5cm厚粗砂垫层全部达到设计要求的0.7相对密度指标，平整度、厚度、坡比等指标均满足规程要求。

4.4实施方案四:人工摊铺粗砂垫层，加工一套自动行走压实装置实现压实
为加快施工进度，新引进了一台振动滑模式衬砌机，同时尝试使用天然河砂（粗砂）。

由于在此机械上挂置压实装置较难，且衬砌机械较重，工程使用成本较高。

综合考虑工程成本、效率因素等，采用人工直接把粗砂摊铺于基面上并挂线精平，替代振动滑模式衬砌机布料作业；单独加工一套自动压实设备，主要包括行走装置、自动控制装置、框架结构、压实装置、传力系统等，完成5cm厚粗砂压实、平整度、坡比控制等作业。

试验过程中粗砂（天然河砂）含水率以4%、5%、6%、7%、8%、9%、10%、11%等逐一试验。

最终确定含水率在7.4%～11.8%时，虚铺厚度按6.0-6.5cm控制，碾压遍数为2遍时，砂垫层均能达到设计相对密度0.7的要求，其平整度、厚度、坡比等均也满足规程要求。

但相比第三种方案，外观略显差一些。

通过以上四种方案的实施和比选，最终根据渠道混凝土衬砌机的使用类型确定下述两种方案用于粗砂垫层大面积施工作业：
当使用振动碾压式衬砌机时，选择方案三；
当使用振动滑模式衬砌机时，选择方案四。

5.新产品使用方法和施工工艺
5.1使用方法：
5.1.1“A”型产品，由于是在振动碾压式衬砌机桁架结构上增加压实装置，只介绍压实装置的使用方法。

1、要经常检查电路系统，确保用电安全。

2、使用前检查电机运转情况，防止带病作业。

3、定期检查固定装置，防止变形引起坡比等不一致，影响压实效果。

4、每次使用完注意保养，并防止振动电机受潮和淋雨。

5、使用时，人工摇动控制装置，把平板振动器放下，成自然松动状态置于粗砂面层上，但垂直绳长不要超过3cm。

压实方式均采用由下而上和由上而下结合方式。

使用后，人工把平板振动器提高固定。

6、当钢板不够厚时，注意更换托盘。

5.1.2“B”型产品，自动行走压实装置类似渠道衬砌机，在此只做简单介绍。

1、要经常检查电路系统，确保用电安全。

2、使用前检查电机运转情况，防止带病
作业。

3、定期检查桁架结构，防止变形引起坡比等不一致，影响压实效果。

4、每次使用完注意保养，并防止振动电机受潮和淋雨。

5、使用前，调节好上下轨道位置的升降系统，确保桁架结构上压实装置的行车横梁坡比和渠道坡比一直，同时保证固定平板振动器成自然松动状态置于粗砂面层上，但联接垂直绳长不要超过3cm。

压实方式均采用由下而上方式。

使用后，通过升降装置把平板振动器提升到一定高度。

6、当钢板不够厚时，注意更换托盘。

5.2施工工艺：
5.2.1“A”型产品，1、粗砂补水和运输。

5cm厚粗砂垫层施工前，检验料场粗砂的含水率，如果不到最佳压实含水率，适当补水，并用自卸汽车把砂运输到施工点的一级马道上堆放。

2、人工摊铺。

施工现场，用装载机把粗砂铲到坡面上，人工配合，按施工总结确定的虚铺厚度，均匀的摊铺于坡面；若是施工渠道底板，为防止机械破坏土基面，可以利用施工渠道底板混凝土的配套机械，运送到底板或采用小型运输车辆直接运送到渠道地面。

3、表面补水。

摊铺完成后，检验粗砂含水率，不到预定的最佳含水率时，用喷管设备雾化形式适量补水，以达到最佳含水率。

4、机械精平和初步碾压。

启动振动碾压式摊铺机，打开螺旋和振动压光辊，进行一遍精平和初步碾压。

5、平板振动器压实。

关闭振动压光辊电源，打开平板振动装置，按10cm压痕重叠进行一遍压实，如果效果不好，再进行第二遍压实。

施工经验证明，不能进行第三遍压实，会降低压实效果。

“A”型产品工艺流程图：
5.2.2“B”型产品，1、粗砂补水和运输。

具体方法同于“A”型产品，不重复讲述。

2、人工摊铺。

具体方法同于“A”型产品3、人工精平。

用2m靠尺，专人全断面进行检测，不平的地方做好记号，另外的人员进行精细修平；或增加滑模式衬砌机精平。

4、表面补水。

具体方法同于“A”型产品5、平板振动器压实。

启动自动行走压实装置，打开平板振动装置，按10cm压痕重叠进行二遍压实，施工经验证明，同样不能进行第三遍压实，会降低压实效果；若用改进型产品，双平板振动器，一遍即可完成压实。

6.社会经济效益及推广使用
通过5cm厚砂垫层压实机械的研制与生产检验，得到可靠的渠道砂垫层施工机械组合，解决了如何实现设计要求的平整度、坡比和厚度方法，施工完成的成品工程，达到了设计要求的0.7相对密度指标，总结出了成熟的施工方法和施工工艺，排除了工程建设的障碍，推动了正常的渠道衬砌，取得了良好的社会经济效益。

在安阳段随后开展的其他标段及新乡试验段均自动采用这种施工机械和施工方法，河南省境内陆续展开建设的其他南水北调工程，也将会借鉴我们的经验，推广前途广阔。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。