长距离输水箱涵建筑工程混凝土垂直运输方案研究
摘要：通过对牵引式胎带机施工技术的试验研究，一种在平原地区较为合理的观念和方法，可在施工工序的衔接、混凝土浇筑速度上，有效缩短工程的直线工期，提前产生经济效益以及社会效益。
关键词：牵引式胎带机,平原地区,浇筑速度,效益
皮带输送机在国内俗称“胎带机”，是被广泛使用的成熟、可靠、高效的物料传输机械。由于皮带输送机是开式输送，它不仅可输送大骨料、干硬性混凝土，也可输送石块、砂砾、泥土等物料，是泵送机械的一种有益补充，和泵送机械一样都是建筑工程所需的高效专用设备。皮带输送机目前已在国外被广泛应用于基础设施建设，在三峡水电站等重点工程建设中，也引进了进口产品参与施工。
1、概述
1.1工程概况
天津干线保定市2段输水箱涵途经河北省雄县、高碑店，全长15.085km，采用有压箱涵输水型式。该工程段内除箱涵外，共有各类建筑物26座，其中河渠交叉建筑物4座，公路交叉建筑物14座，通气孔7座，分水口1座。有压箱涵段总长13.807km，倒虹吸段总长0.438km，公路涵段总长0.720km，通气孔段总长0.105km，分水口段总长0.015km。本工程段输水规模为：设计流量50m3/s，加大流量60m3/s;属I等工程。
有压箱涵段总长 13.807km，全部采用一联3孔4.4m×4.4m现浇普通钢筋混凝土结构。箱涵顶板厚0.55m，底板厚0.65m，边墙宽0.55m，中墙宽0.45m，结构混凝土强度等级采用C30F150W6。箱涵建基面主要座落于alQ42壤土层中，局部座落于软粘土层(1+hQ42淤泥质粘土)的顶部和中部。
河渠交叉建筑物共4座，其中3座为排水沟渠交叉建筑物，1座为灌溉渠交叉建筑物。河渠交叉建筑物均从交叉的沟渠下面穿过，采用立体交叉倒虹吸型式。涵身采用3孔C30钢筋混凝土箱型结构，孔口尺寸为4.4m×4.4m。
穿越公路14条，其中国省干道2条，乡村公路12条。根据地形、地质和箱涵布置等条件，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 工程区域地形情况
保定市2段位于广阔的河北冲积平原，地面高程由12m降至10m左右，平均坡降0.13‰。本工程区分布的地层均为第四系全新统松散堆积物。箱涵建基面主要座落于alQ42壤土层中，局部座落于软粘土层(1+ hQ42淤泥质粘土)的顶部和中部。季节性冻土的冻胀等级为Ⅱ级，冻胀性类别为弱冻胀。
输水线路总体呈东西向展布，地下水流向较复杂，总体趋势是近南北向，与输水线路近直交。桩号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。除白玛村地下水对普通硅酸盐水泥具有碳酸盐分解类弱腐蚀性外，其它地段地下水对混凝土不具腐蚀性。
1.3 输水箱涵施工混凝土垂直入仓的设想
本标段位于广阔的河北冲积平原，地面高差相对较小，输水箱涵全长15.085km。混凝土入仓的手段选用得当，关系到整个项目的经营效益，甚至影响到项目的盈亏。原投标计划考虑的门式有轨布料机对该项目的实施有局限性：其一，灵活性不大，受工作面的干扰相对严重，不能随机调用;其二，数量多，每个工作面都需配备一套，且基础轨道有一定的要求，导致成本增大。开工伊始，我们经过多次讨论，集思广义，通过对门式有轨布料机进行改良，研究出适合本项目的，成本低，使用方便的混凝土垂直入仓手段。这种改造后的牵引式胎带机主要是从原设备基坑内行走困难转移到施工便道上以及轨道式转换成轮胎式等方面。
1.4 输水箱涵施工混凝土垂直入仓手段比选
通过对这两种设备的技术经济性比较，选用技术经济性相对合理的牵引式胎带机。在牵引式胎带机制造成型前，箱涵前期混凝土垂直入仓手段以遥控臂式混凝土泵车为主;后期混凝土垂直入仓手段以牵引式胎带机为主遥控臂式混凝土泵车辅助。
2、输水箱涵建筑物施工方案技术难点分析
天津干线保定市2段输水箱涵及公路涵混凝土按设计要求分缝分块施工。垫层混凝土每块按一层浇筑;底板上表面以上70cm处(过流面底板八字角以上侧墙直立面30cm)作为第一仓的分仓线;从第一仓分仓线上280cm处作为第二仓分仓线;从第二仓分仓线到设计箱涵顶作为第三仓。也就是说，箱涵分三层浇筑：底层砼方量为177m3，模板面积约为169.3m2;中间层砼方量为84m3，模板面积为约353.2m2;顶层砼方量为159.6m3，模板面积约为327.6m2。箱涵混凝土在混凝土拌和系统集中拌和，9m3搅拌车水平运输，通过牵引式胎带机的输送带，由输送带分料口外下挂缓降溜筒垂直入仓。采用分层平铺的方式浇筑，每层铺料厚度30～50cm，用φ80型插入式或φ50mm软轴振捣器振捣密实。管底过流面采用钢管样架控制，配长刮尺刮平后进行混凝土仓面的收平，抹面机或人工配合抹面机收光表面，人工用木抹抹平，然后采用铁皿将底板表面收抹2遍，最后压光表面，其平整度达到过水面要求。
混凝土垂直入仓手段，前期浇筑混凝土以遥控臂式混凝土泵车为混凝土垂直入仓过渡手段;通过施工技术研究开发简易牵引式胎带机，保证混凝土垂直入仓速度同时降低混凝土水灰比，输水箱涵后期浇筑混凝土以牵引式胎带机作为混凝土垂直入仓主要手段。
遥控臂式混凝土泵车利用压力将混凝土沿管道连续输送的机械，由泵体和输送管组成。泵体装在汽车底盘上，再装备可伸缩或屈折的布料杆，就组成泵车。遥控臂式混凝土泵的生产率高，能一次完成混凝土的短距离水平和垂直运输，但对混凝土配合比、粗细骨料的粒径和级配、水泥用量、混凝土坍落度有一定要求。遥控臂式混凝土泵作为垂直运输入仓手段浇筑输水箱涵，输送混凝土必须是大塌落度、高流态泵送混凝土料，混凝土中的水灰比、粗骨料粒径、砂率等直接影响泵车浇筑速度，同时也影响到输水箱涵实体质量。
皮带输送机在国内俗称“胎带机”，是被广泛使用的成熟、可靠、高效的物料传输机械。由于皮带输送机是开放式输送，它不仅可输送大骨料、干硬性混凝土，也可输送石块、砂砾、泥土等物料，是泵送机械的一种有益补充，和泵送机械一样都是建筑工程所需的高效专用设备。胎带机作为垂直入仓手段浇筑输水箱涵，浇筑速度可通过喂料速度和皮带机转速进行控制，输送混凝土一般采用常态混凝土，混凝土中的水灰比、粗骨料粒径、砂率等参数允许一定波动区间，保证混凝土浇筑速度的同时还能有效保证成型输水箱涵实体强度。
牵引式胎带机还表现出良好的机动性，混凝土输送速度快，臂架伸缩旋转灵活，工作范围大。
3、研究目标和技术线路
牵引式胎带机还表现出良好的机动性，输送的混凝土不受配比限制，且输送速度快，臂架伸缩旋转灵活，工作范围大，适合平原地带施工作业。牵引胎带机作为垂直入仓手段浇筑输水箱涵，浇筑速度可通过喂料速度和皮带机转速进行控制，输送混凝土可使用一般的常态混凝土，混凝土中的水灰比、粗骨料粒径、砂率等参数允许一定波动区间，在保证混凝土浇筑速度同时又能有效保证成型输水箱涵实体质量。
4、技术方案研究
天津干线保定市2段输水箱涵混凝土垂直入仓手段以牵引式胎带机为主，遥控臂式混凝土泵车为辅。
胎带机的主体结构由底盘、伸缩皮带机、回转机构和活动配重等几大部分组成，伸缩皮带机是整机的核心工作部件。伸缩皮带机由两级伸缩臂架、伸缩驱动装置以及滚筒、托辊、输送带等组成，其中最关键的就是由伸缩臂架和伸缩驱动装置组成的伸缩机构。两级伸缩臂架由套装在一起的两节臂架组成，最外层的基础节臂架尾部和底盘的回转机构铰接,固定于底盘上;内层的臂架可如拉杆天线一般自由伸出和缩回，改变输送机的输送距离从而改变施工半径。根据给定的最大输送距离，合理设计两节臂架长度尽量减小完全缩回时的长度，以便取得最大伸缩行程，获得最小输送距离和最大的工作区域面积。对于驱动机构的设计，因臂架的伸缩行程较大(22～31m)，采用齿轮齿条方式驱动臂架伸缩;输送机部分采用电力驱动。
简易牵引式胎带机主要由喂料系统、上车系统、底盘及其电器控制系统组成。
喂料系统由一组独立运行小仰角电动爬坡皮带系统组成，与底盘铰接，在上车系统回转时随车运动，不间断给上车系统供料。
上车系统主要由臂架及其伸缩系统、布料胶带输送系统、回转机构、配重系统及其机架等组成。
牵引式底盘主要由车轮、轮轴、车架、可伸缩支腿及其拉杆系统等组成。它用于支承胎带机的上车系统，并通过牵引车实现胎带机的短距离运输或移位。
工作原理：牵引式胎带机移动到位，然后四支腿水平伸出到极限位置，再沿垂直方向伸出，将整车支撑，并使轮胎离地;回转机构工作，使臂架旋转360°;臂架伸缩机构工作，使前臂伸缩到位，开启皮带输送电机，输送混凝土。胎带机移动时首先是回转机构工作，使臂架旋转到运输工况，然后收起支腿，在牵引车作用下实现胎带机移位。对于15.2m跨度箱涵，牵引式胎带机固定在适当位置就可完成全部浇筑任务。
臂架及其伸缩系统、布料胶带输送系统
臂架是由二节臂组成，称之为固定臂与前臂，采用管桁结构，其中固定臂总长17m,前臂总长14m，最大幅度为29m，并且前臂可以伸缩。
臂架伸缩系统主要由驱动装置(主要由电动机、减速机、联轴器、制动器等组成)、链轮及链轮轴、链条及其端部固定、张紧装置等组成。
胎带机的胶带输送系统主要由胶带、传动滚筒及其驱动装置、改向滚筒、承重托辊(槽形托辊及V形托辊)、空载托辊、张紧装置、减速机等组成。
回转机构
回转机构主要由回转支承装置和回转驱动机构组成。采用16T汽车吊旋转底盘改装，具有结构紧凑、工作平稳、安全可靠、装配与维护简单、回转阻力小等特点。回转驱动机构采用机械驱动方式，它主要由电动机、减速器、联轴器、制动器、小齿轮等组成。其特点是安全可靠、操作方便。
5、预期成果目标
(1)保定2段工程牵引式胎带机混凝土垂直运输，从2010年9月立项到2011年12月历时近一年半，通过项目部技术人员对该项目的不断研究和认识，牵引式胎带机结构设计和现场实施方案，构思巧妙合理，各个环节考虑周全，并且经济实用，完全符合现场实际情况，保证了现场实施能快速优质、安全顺利完成。已浇筑成型的输水箱涵，没有出现任何质量缺陷，施工质量完全到达设计要求。
(2)牵引式胎带机喂料系统，上车系统、底盘、电器控制系统结构设计以及成型输水箱涵的现场施工，经受了河北地区两个冻融期的检验，经现场检查未发现混凝土损坏现象，结构设计合理，施工质量好;
(3)保定2段混凝土施工按照2011年年度总进度计划的安排，混凝土于2011年3月10日开始箱涵主体混凝土浇筑，至2011年11月25日，浇筑混凝土共计23.46万m3，月浇筑平均强度为2.61万m3，混凝土浇筑高峰施工强度约3.45万m3/月，发生在2011年5月。牵引式胎带机设计合理，所具备的功能多。
①实现了各施工作业面混凝土施工的机动性，有效提高各施工作业面间的工序衔接，既保证了施工各道工序有足够的施工时间，又能顺利进行流水作业;
②混凝土入仓手段的改进，使常态混凝土的水灰比、砂率、水泥掺量随之降低，混凝土中粗骨料的相对掺量增加，有效提高浇筑成型的箱涵实体质量;
③牵引式胎带机运输能力强，布设、移动简便，简化了现场施工的操作，提高了混凝土浇筑效率。
(4)现场施工进行充分的人员、物质等项目的准备，分工明确，责任到人，很好的保证了输水箱涵混凝土垂直运输的施工，未出任何质量安全事故。
6、经济、社会效益
6.1经济效益
输水箱涵混凝土垂直运输采用牵引式胎带机的经济效益，通过与投标时用门式布料机所需费用进行比较而体现出来。根据投标考虑，该工程共分5个工区，各工区配备一台混凝土垂直运输设备。
5台牵引式胎带机所需费用如下：
① 28t方钢制安，252000元;
② 7.5t钢管支架制安，63750元;
③ 20台电动机等设备采购安装，320000元;
④ 30个车轮子采购安装，54000元;
⑤ 皮带及拖辊等物质材料，294000元;
合计∑=983750元。
采用门式布料机混凝土入仓，按照投标时相应单价计算费用如下：
① 58.3t方钢制安，524700元;
② 32.5t钢管支架制安，276250元;
③ 1350m3基础C20混凝土浇筑,337500元;
④ 36t铁轨安装, 396000元;
⑤ 10台电动机等设备采购安装，55000元
合计∑=1589450元。
采用该技术进行输水箱涵混凝土垂直运输，5台设备节省投资总额为：
1589450元-983750元=605700元，取得了很好的经济效益。
6.2社会效益
(1)混凝土垂直入仓手段施工技术手段的改进，改良了混凝土配合比，使常态混凝土的水灰比、砂率、水泥掺量随之降低，混凝土中粗骨料的相对掺量增加，有效提高浇筑成型的箱涵实体质量，同时节省了混凝土原材料成本，有效促进了本项目工程的顺利进行。
(2)牵引式胎带机属于半自动化操作系统，具有良好的机动性。胎带机运输能力强，布设、移动简便，简化了现场施工的操作，提高了混凝土浇筑效率，缩短了施工工期。
本项目研究成果的应用在保定市2段输水箱涵工程施工中较好的控制了混凝土原材料成本、提高输水箱涵实体质量，具有较好的社会效益。
7、结语
本项目研究提出的牵引式胎带机进行输水箱涵混凝土垂直运输施工方式是一个在平原地区较为合理的观念和方法，它可在施工工序的衔接、混凝土浇筑速度上，有效缩短工程的直线工期，提前产生效益。
南水北调天津干线保定2段工程实践表明，混凝土采用牵引式胎带机垂直运输技术实用可靠，经济和社会效益突出，且操作简单易于掌握，可在平原地区输水工程项目施工中应用推广。
参考文献：
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【2】冯安 箱涵工程模板方案的选用 北京：中国农村水利水电2005(10)，2005
【3】李拴国 南水北调倒虹吸工程混凝土浇筑机械配置计算分析 北京：水科学与工程技术 2005(5)，2005
