長距離輸水箱涵建筑工程混凝土垂直運(yùn)輸方案研究
摘要：通過對牽引式胎帶機(jī)施工技術(shù)的試驗(yàn)研究，一種在平原地區(qū)較為合理的觀念和方法，可在施工工序的銜接、混凝土澆筑速度上，有效縮短工程的直線工期，提前產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益以及社會效益。
關(guān)鍵詞：牽引式胎帶機(jī),平原地區(qū),澆筑速度,效益
皮帶輸送機(jī)在國內(nèi)俗稱“胎帶機(jī)”，是被廣泛使用的成熟、可靠、高效的物料傳輸機(jī)械。由于皮帶輸送機(jī)是開式輸送，它不僅可輸送大骨料、干硬性混凝土，也可輸送石塊、砂礫、泥土等物料，是泵送機(jī)械的一種有益補(bǔ)充，和泵送機(jī)械一樣都是建筑工程所需的高效專用設(shè)備。皮帶輸送機(jī)目前已在國外被廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，在三峽水電站等重點(diǎn)工程建設(shè)中，也引進(jìn)了進(jìn)口產(chǎn)品參與施工。
1、概述
1.1工程概況
天津干線保定市2段輸水箱涵途經(jīng)河北省雄縣、高碑店，全長15.085km，采用有壓箱涵輸水型式。該工程段內(nèi)除箱涵外，共有各類建筑物26座，其中河渠交叉建筑物4座，公路交叉建筑物14座，通氣孔7座，分水口1座。有壓箱涵段總長13.807km，倒虹吸段總長0.438km，公路涵段總長0.720km，通氣孔段總長0.105km，分水口段總長0.015km。本工程段輸水規(guī)模為：設(shè)計流量50m3/s，加大流量60m3/s;屬I等工程。
有壓箱涵段總長 13.807km，全部采用一聯(lián)3孔4.4m×4.4m現(xiàn)澆普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。箱涵頂板厚0.55m，底板厚0.65m，邊墻寬0.55m，中墻寬0.45m，結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度等級采用C30F150W6。箱涵建基面主要座落于alQ42壤土層中，局部座落于軟粘土層(1+hQ42淤泥質(zhì)粘土)的頂部和中部。
河渠交叉建筑物共4座，其中3座為排水溝渠交叉建筑物，1座為灌溉渠交叉建筑物。河渠交叉建筑物均從交叉的溝渠下面穿過，采用立體交叉倒虹吸型式。涵身采用3孔C30鋼筋混凝土箱型結(jié)構(gòu)，孔口尺寸為4.4m×4.4m。
穿越公路14條，其中國省干道2條，鄉(xiāng)村公路12條。根據(jù)地形、地質(zhì)和箱涵布置等條件，除穿越津保公路采用倒虹吸型式外，其余均采用暗涵型式。
1.2 工程區(qū)域地形情況
保定市2段位于廣闊的河北沖積平原，地面高程由12m降至10m左右，平均坡降0.13‰。本工程區(qū)分布的地層均為第四系全新統(tǒng)松散堆積物。箱涵建基面主要座落于alQ42壤土層中，局部座落于軟粘土層(1+ hQ42淤泥質(zhì)粘土)的頂部和中部。季節(jié)性凍土的凍脹等級為Ⅱ級，凍脹性類別為弱凍脹。
輸水線路總體呈東西向展布，地下水流向較復(fù)雜，總體趨勢是近南北向，與輸水線路近直交。樁號XW60+842～XW62+447地段的地下水位高于箱涵底板，其它地段地下水位于箱涵底板以下。除白瑪村地下水對普通硅酸鹽水泥具有碳酸鹽分解類弱腐蝕性外，其它地段地下水對混凝土不具腐蝕性。
1.3 輸水箱涵施工混凝土垂直入倉的設(shè)想
本標(biāo)段位于廣闊的河北沖積平原，地面高差相對較小，輸水箱涵全長15.085km�；炷寥雮}的手段選用得當(dāng)，關(guān)系到整個項目的經(jīng)營效益，甚至影響到項目的盈虧。原投標(biāo)計劃考慮的門式有軌布料機(jī)對該項目的實(shí)施有局限性：其一，靈活性不大，受工作面的干擾相對嚴(yán)重，不能隨機(jī)調(diào)用;其二，數(shù)量多，每個工作面都需配備一套，且基礎(chǔ)軌道有一定的要求，導(dǎo)致成本增大。開工伊始，我們經(jīng)過多次討論，集思廣義，通過對門式有軌布料機(jī)進(jìn)行改良，研究出適合本項目的，成本低，使用方便的混凝土垂直入倉手段。這種改造后的牽引式胎帶機(jī)主要是從原設(shè)備基坑內(nèi)行走困難轉(zhuǎn)移到施工便道上以及軌道式轉(zhuǎn)換成輪胎式等方面。
1.4 輸水箱涵施工混凝土垂直入倉手段比選
通過對這兩種設(shè)備的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較，選用技術(shù)經(jīng)濟(jì)性相對合理的牽引式胎帶機(jī)。在牽引式胎帶機(jī)制造成型前，箱涵前期混凝土垂直入倉手段以遙控臂式混凝土泵車為主;后期混凝土垂直入倉手段以牽引式胎帶機(jī)為主遙控臂式混凝土泵車輔助。
2、輸水箱涵建筑物施工方案技術(shù)難點(diǎn)分析
天津干線保定市2段輸水箱涵及公路涵混凝土按設(shè)計要求分縫分塊施工。墊層混凝土每塊按一層澆筑;底板上表面以上70cm處(過流面底板八字角以上側(cè)墻直立面30cm)作為第一倉的分倉線;從第一倉分倉線上280cm處作為第二倉分倉線;從第二倉分倉線到設(shè)計箱涵頂作為第三倉。也就是說，箱涵分三層澆筑：底層砼方量為177m3，模板面積約為169.3m2;中間層砼方量為84m3，模板面積為約353.2m2;頂層砼方量為159.6m3，模板面積約為327.6m2。箱涵混凝土在混凝土拌和系統(tǒng)集中拌和，9m3攪拌車水平運(yùn)輸，通過牽引式胎帶機(jī)的輸送帶，由輸送帶分料口外下掛緩降溜筒垂直入倉。采用分層平鋪的方式澆筑，每層鋪料厚度30～50cm，用φ80型插入式或φ50mm軟軸振搗器振搗密實(shí)。管底過流面采用鋼管樣架控制，配長刮尺刮平后進(jìn)行混凝土倉面的收平，抹面機(jī)或人工配合抹面機(jī)收光表面，人工用木抹抹平，然后采用鐵皿將底板表面收抹2遍，最后壓光表面，其平整度達(dá)到過水面要求。
混凝土垂直入倉手段，前期澆筑混凝土以遙控臂式混凝土泵車為混凝土垂直入倉過渡手段;通過施工技術(shù)研究開發(fā)簡易牽引式胎帶機(jī)，保證混凝土垂直入倉速度同時降低混凝土水灰比，輸水箱涵后期澆筑混凝土以牽引式胎帶機(jī)作為混凝土垂直入倉主要手段。
遙控臂式混凝土泵車?yán)脡毫⒒炷裂毓艿肋B續(xù)輸送的機(jī)械，由泵體和輸送管組成。泵體裝在汽車底盤上，再裝備可伸縮或屈折的布料桿，就組成泵車。遙控臂式混凝土泵的生產(chǎn)率高，能一次完成混凝土的短距離水平和垂直運(yùn)輸，但對混凝土配合比、粗細(xì)骨料的粒徑和級配、水泥用量、混凝土坍落度有一定要求。遙控臂式混凝土泵作為垂直運(yùn)輸入倉手段澆筑輸水箱涵，輸送混凝土必須是大塌落度、高流態(tài)泵送混凝土料，混凝土中的水灰比、粗骨料粒徑、砂率等直接影響泵車澆筑速度，同時也影響到輸水箱涵實(shí)體質(zhì)量。
皮帶輸送機(jī)在國內(nèi)俗稱“胎帶機(jī)”，是被廣泛使用的成熟、可靠、高效的物料傳輸機(jī)械。由于皮帶輸送機(jī)是開放式輸送，它不僅可輸送大骨料、干硬性混凝土，也可輸送石塊、砂礫、泥土等物料，是泵送機(jī)械的一種有益補(bǔ)充，和泵送機(jī)械一樣都是建筑工程所需的高效專用設(shè)備。胎帶機(jī)作為垂直入倉手段澆筑輸水箱涵，澆筑速度可通過喂料速度和皮帶機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，輸送混凝土一般采用常態(tài)混凝土，混凝土中的水灰比、粗骨料粒徑、砂率等參數(shù)允許一定波動區(qū)間，保證混凝土澆筑速度的同時還能有效保證成型輸水箱涵實(shí)體強(qiáng)度。
牽引式胎帶機(jī)還表現(xiàn)出良好的機(jī)動性，混凝土輸送速度快，臂架伸縮旋轉(zhuǎn)靈活，工作范圍大。
3、研究目標(biāo)和技術(shù)線路
牽引式胎帶機(jī)還表現(xiàn)出良好的機(jī)動性，輸送的混凝土不受配比限制，且輸送速度快，臂架伸縮旋轉(zhuǎn)靈活，工作范圍大，適合平原地帶施工作業(yè)。牽引胎帶機(jī)作為垂直入倉手段澆筑輸水箱涵，澆筑速度可通過喂料速度和皮帶機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，輸送混凝土可使用一般的常態(tài)混凝土，混凝土中的水灰比、粗骨料粒徑、砂率等參數(shù)允許一定波動區(qū)間，在保證混凝土澆筑速度同時又能有效保證成型輸水箱涵實(shí)體質(zhì)量。
4、技術(shù)方案研究
天津干線保定市2段輸水箱涵混凝土垂直入倉手段以牽引式胎帶機(jī)為主，遙控臂式混凝土泵車為輔。
胎帶機(jī)的主體結(jié)構(gòu)由底盤、伸縮皮帶機(jī)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和活動配重等幾大部分組成，伸縮皮帶機(jī)是整機(jī)的核心工作部件。伸縮皮帶機(jī)由兩級伸縮臂架、伸縮驅(qū)動裝置以及滾筒、托輥、輸送帶等組成，其中最關(guān)鍵的就是由伸縮臂架和伸縮驅(qū)動裝置組成的伸縮機(jī)構(gòu)。兩級伸縮臂架由套裝在一起的兩節(jié)臂架組成，最外層的基礎(chǔ)節(jié)臂架尾部和底盤的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)鉸接,固定于底盤上;內(nèi)層的臂架可如拉桿天線一般自由伸出和縮回，改變輸送機(jī)的輸送距離從而改變施工半徑。根據(jù)給定的最大輸送距離，合理設(shè)計兩節(jié)臂架長度盡量減小完全縮回時的長度，以便取得最大伸縮行程，獲得最小輸送距離和最大的工作區(qū)域面積。對于驅(qū)動機(jī)構(gòu)的設(shè)計，因臂架的伸縮行程較大(22～31m)，采用齒輪齒條方式驅(qū)動臂架伸縮;輸送機(jī)部分采用電力驅(qū)動。
簡易牽引式胎帶機(jī)主要由喂料系統(tǒng)、上車系統(tǒng)、底盤及其電器控制系統(tǒng)組成。
喂料系統(tǒng)由一組獨(dú)立運(yùn)行小仰角電動爬坡皮帶系統(tǒng)組成，與底盤鉸接，在上車系統(tǒng)回轉(zhuǎn)時隨車運(yùn)動，不間斷給上車系統(tǒng)供料。
上車系統(tǒng)主要由臂架及其伸縮系統(tǒng)、布料膠帶輸送系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、配重系統(tǒng)及其機(jī)架等組成。
牽引式底盤主要由車輪、輪軸、車架、可伸縮支腿及其拉桿系統(tǒng)等組成。它用于支承胎帶機(jī)的上車系統(tǒng)，并通過牽引車實(shí)現(xiàn)胎帶機(jī)的短距離運(yùn)輸或移位。
工作原理：牽引式胎帶機(jī)移動到位，然后四支腿水平伸出到極限位置，再沿垂直方向伸出，將整車支撐，并使輪胎離地;回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)工作，使臂架旋轉(zhuǎn)360°;臂架伸縮機(jī)構(gòu)工作，使前臂伸縮到位，開啟皮帶輸送電機(jī)，輸送混凝土。胎帶機(jī)移動時首先是回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)工作，使臂架旋轉(zhuǎn)到運(yùn)輸工況，然后收起支腿，在牽引車作用下實(shí)現(xiàn)胎帶機(jī)移位。對于15.2m跨度箱涵，牽引式胎帶機(jī)固定在適當(dāng)位置就可完成全部澆筑任務(wù)。
臂架及其伸縮系統(tǒng)、布料膠帶輸送系統(tǒng)
臂架是由二節(jié)臂組成，稱之為固定臂與前臂，采用管桁結(jié)構(gòu)，其中固定臂總長17m,前臂總長14m，最大幅度為29m，并且前臂可以伸縮。
臂架伸縮系統(tǒng)主要由驅(qū)動裝置(主要由電動機(jī)、減速機(jī)、聯(lián)軸器、制動器等組成)、鏈輪及鏈輪軸、鏈條及其端部固定、張緊裝置等組成。
胎帶機(jī)的膠帶輸送系統(tǒng)主要由膠帶、傳動滾筒及其驅(qū)動裝置、改向滾筒、承重托輥(槽形托輥及V形托輥)、空載托輥、張緊裝置、減速機(jī)等組成。
回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)
回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要由回轉(zhuǎn)支承裝置和回轉(zhuǎn)驅(qū)動機(jī)構(gòu)組成。采用16T汽車吊旋轉(zhuǎn)底盤改裝，具有結(jié)構(gòu)緊湊、工作平穩(wěn)、安全可靠、裝配與維護(hù)簡單、回轉(zhuǎn)阻力小等特點(diǎn)�；剞D(zhuǎn)驅(qū)動機(jī)構(gòu)采用機(jī)械驅(qū)動方式，它主要由電動機(jī)、減速器、聯(lián)軸器、制動器、小齒輪等組成。其特點(diǎn)是安全可靠、操作方便。
5、預(yù)期成果目標(biāo)
(1)保定2段工程牽引式胎帶機(jī)混凝土垂直運(yùn)輸，從2010年9月立項到2011年12月歷時近一年半，通過項目部技術(shù)人員對該項目的不斷研究和認(rèn)識，牽引式胎帶機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計和現(xiàn)場實(shí)施方案，構(gòu)思巧妙合理，各個環(huán)節(jié)考慮周全，并且經(jīng)濟(jì)實(shí)用，完全符合現(xiàn)場實(shí)際情況，保證了現(xiàn)場實(shí)施能快速優(yōu)質(zhì)、安全順利完成。已澆筑成型的輸水箱涵，沒有出現(xiàn)任何質(zhì)量缺陷，施工質(zhì)量完全到達(dá)設(shè)計要求。
(2)牽引式胎帶機(jī)喂料系統(tǒng)，上車系統(tǒng)、底盤、電器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計以及成型輸水箱涵的現(xiàn)場施工，經(jīng)受了河北地區(qū)兩個凍融期的檢驗(yàn)，經(jīng)現(xiàn)場檢查未發(fā)現(xiàn)混凝土損壞現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，施工質(zhì)量好;
(3)保定2段混凝土施工按照2011年年度總進(jìn)度計劃的安排，混凝土于2011年3月10日開始箱涵主體混凝土澆筑，至2011年11月25日，澆筑混凝土共計23.46萬m3，月澆筑平均強(qiáng)度為2.61萬m3，混凝土澆筑高峰施工強(qiáng)度約3.45萬m3/月，發(fā)生在2011年5月。牽引式胎帶機(jī)設(shè)計合理，所具備的功能多。
①實(shí)現(xiàn)了各施工作業(yè)面混凝土施工的機(jī)動性，有效提高各施工作業(yè)面間的工序銜接，既保證了施工各道工序有足夠的施工時間，又能順利進(jìn)行流水作業(yè);
②混凝土入倉手段的改進(jìn)，使常態(tài)混凝土的水灰比、砂率、水泥摻量隨之降低，混凝土中粗骨料的相對摻量增加，有效提高澆筑成型的箱涵實(shí)體質(zhì)量;
�、蹱恳教C(jī)運(yùn)輸能力強(qiáng)，布設(shè)、移動簡便，簡化了現(xiàn)場施工的操作，提高了混凝土澆筑效率。
(4)現(xiàn)場施工進(jìn)行充分的人員、物質(zhì)等項目的準(zhǔn)備，分工明確，責(zé)任到人，很好的保證了輸水箱涵混凝土垂直運(yùn)輸?shù)氖┕�，未出任何質(zhì)量安全事故。
6、經(jīng)濟(jì)、社會效益
6.1經(jīng)濟(jì)效益
輸水箱涵混凝土垂直運(yùn)輸采用牽引式胎帶機(jī)的經(jīng)濟(jì)效益，通過與投標(biāo)時用門式布料機(jī)所需費(fèi)用進(jìn)行比較而體現(xiàn)出來。根據(jù)投標(biāo)考慮，該工程共分5個工區(qū)，各工區(qū)配備一臺混凝土垂直運(yùn)輸設(shè)備。
5臺牽引式胎帶機(jī)所需費(fèi)用如下：
�、� 28t方鋼制安，252000元;
�、� 7.5t鋼管支架制安，63750元;
�、� 20臺電動機(jī)等設(shè)備采購安裝，320000元;
�、� 30個車輪子采購安裝，54000元;
�、� 皮帶及拖輥等物質(zhì)材料，294000元;
合計∑=983750元。
采用門式布料機(jī)混凝土入倉，按照投標(biāo)時相應(yīng)單價計算費(fèi)用如下：
�、� 58.3t方鋼制安，524700元;
�、� 32.5t鋼管支架制安，276250元;
�、� 1350m3基礎(chǔ)C20混凝土澆筑,337500元;
�、� 36t鐵軌安裝, 396000元;
�、� 10臺電動機(jī)等設(shè)備采購安裝，55000元
合計∑=1589450元。
采用該技術(shù)進(jìn)行輸水箱涵混凝土垂直運(yùn)輸，5臺設(shè)備節(jié)省投資總額為：
1589450元-983750元=605700元，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。
6.2社會效益
(1)混凝土垂直入倉手段施工技術(shù)手段的改進(jìn)，改良了混凝土配合比，使常態(tài)混凝土的水灰比、砂率、水泥摻量隨之降低，混凝土中粗骨料的相對摻量增加，有效提高澆筑成型的箱涵實(shí)體質(zhì)量，同時節(jié)省了混凝土原材料成本，有效促進(jìn)了本項目工程的順利進(jìn)行。
(2)牽引式胎帶機(jī)屬于半自動化操作系統(tǒng)，具有良好的機(jī)動性。胎帶機(jī)運(yùn)輸能力強(qiáng)，布設(shè)、移動簡便，簡化了現(xiàn)場施工的操作，提高了混凝土澆筑效率，縮短了施工工期。
本項目研究成果的應(yīng)用在保定市2段輸水箱涵工程施工中較好的控制了混凝土原材料成本、提高輸水箱涵實(shí)體質(zhì)量，具有較好的社會效益。
7、結(jié)語
本項目研究提出的牽引式胎帶機(jī)進(jìn)行輸水箱涵混凝土垂直運(yùn)輸施工方式是一個在平原地區(qū)較為合理的觀念和方法，它可在施工工序的銜接、混凝土澆筑速度上，有效縮短工程的直線工期，提前產(chǎn)生效益。
南水北調(diào)天津干線保定2段工程實(shí)踐表明，混凝土采用牽引式胎帶機(jī)垂直運(yùn)輸技術(shù)實(shí)用可靠，經(jīng)濟(jì)和社會效益突出，且操作簡單易于掌握，可在平原地區(qū)輸水工程項目施工中應(yīng)用推廣。
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