碾压式土石坝施工技术
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2.4 施工资源配置

施工资源配置,主要是施工机械设备配置分析。

2.4.1 施工机械设备配置的原则

施工机械设备以立足在自有设备的基础上进行配置,一般应以坝面作业为主体,其配置原则如下。

(1)所选机械的技术性应能适合工作的性质、施工对象的土质、施工场地大小和物料运距远近等施工条件,充分发挥机械效率,保证施工质量;所选配套机械的综合生产能力,应满足施工强度的要求。

(2)所选机械应技术先进、生产效率高、操作灵活、机动性高、安全可靠、结构简单、易于检修和改装、防护设备齐全、废气噪声得到控制、环保性能好。

(3)注意经济效果,所选机械的购置和运转费用少,劳动量和能源消耗低,并通过技术经济比较,优选出单位土石方成本最低的机械化施工方案。

(4)应优先选用适用性比较广泛的通用机械设备,尽可能利用社会资源,以减小项目管理运行成本。对专用特种机械设备,应优先选用同一型号、同一厂家生产的机械设备,以便于维修与保养。

(5)应注意各工序所用机械的配套成龙,按照工序划分,一般要使后续机械的生产能力略大于先头机械的生产能力,如运输机械略大于挖掘机械的生产能力,平整碾压机械略大于运输机械的生产能力,充分发挥主要机械和运行管理费用较高的机械的生产能力。

2.4.2 相关机械设备的经济运距

(1)履带式推土机的最佳推运距离为50m以内,轮胎式推土机的最佳推运距离为50~100m。

(2)轮胎式装载机用来挖掘和短距离运输时,其经济运距不超过100~150m,履带式装载机不超过100m。

(3)拖式铲运机的经济运距一般为200~400m,自行式铲运机的经济运距与道路坡度大小、机械规格性能有关,一般为200~1000m;链板式铲运机在运距短时,比其他形式的铲运机经济;当运距达1000m,道路总阻力(滚动阻力与坡度阻力之和)未超过车重的10%时,双发动机的自行式铲运机较为经济。

(4)自卸汽车在运距方面的适应性较大,100~5000m均可使用。当道路总阻力未超过车重的10%,运距在1000m以上时,使用自卸汽车比上述双发动机的铲运机经济;运距超过2000m,道路比较平坦时,采用拖式底卸车较为经济。如果道路的总阻力超过车重的6%时,又不如使用自卸汽车经济。

(5)对运输量很大而物料装卸较为固定,运距超过5km时,可采用带式输送机或有轨运输。

2.4.3 主要机械设备性能指标

根据土石坝工程所选用主要机械设备,按照施工工序划分,以挖、装、运、平、碾为次序分别对各类机械设备性能指标进行分析。

2.4.3.1 凿岩机

土石坝工程中的堆石坝料,大多均通过凿岩机械造孔爆破而得。作为凿岩机械,根据其工作机构动力不同,主要分液压式,风动式,电动式和内燃式等4种。

凿岩机生产率计算见式(2-16)。

式中 P——凿岩机生产率,m/台班;

T——台班工作时间,按480min计;

V——钻速,m/min;

Kt——工作时间利用系数,一般取值为0.4~0.7;

Ks——凿岩机同时利用系数,取0.7~1.0(1~10台),台数多取小值,反之取大值,单台时取1.0。

目前,国内各水利水电工程所选用的凿岩设备,其主要技术参数见表2-30。

表2-30 凿岩设备主要技术参数表

2.4.3.2 推土机

土石坝工程施工中所选用的推土机一般均为大、中型设备,其中,功率在100~300kW为中型设备,大于300kW为大型设备。

用直铲进行作业时,其生产率计算见式(2-17)。

式中 P——推土机生产率,松方,m3/台班;

T——推运一次所需循环时间,min;

k1——地面坡度影响系数,见表2-31;

k2——推土机时间利用系数,见表2-32;

q——推运一次的方量,系指推土板前堆集的松土体积,q=0.5BH2tanφk3,m3B——推土板 (俗称 “刀片”)宽度,m;

H——推土板高度,m;

φ——推土板前所堆集土壤的自然倾角,(°);

k3——推土板充盈系数,见表2-33。

表2-31 地面坡度影响系数k1取值表

表2-32 推土机时间利用系数k2取值表

表2-33 推土板充盈系数k3取值表

目前,国内各水利水电工程所选用的推土机种类多样,其主要技术参数见表2-34。

表2-34 推土机(履带式)主要技术参数表

注 HP为马力,1马力≈0.735kW。

2.4.3.3 挖掘机

挖掘机分正铲挖掘机及反铲挖掘机,其中正铲挖掘机可直接挖掘Ⅰ~Ⅳ类土和松散的岩石、砾石;反铲挖掘机一般较正铲挖掘机小,可挖掘Ⅰ、Ⅱ类土,最大挖掘深度可达8~10m。

挖掘机的选型的一般依据如下。

(1)根据工程量的大小不同,当工程量不大时,可选用机动性好的轮胎式挖掘机;当工程量很大时,应选用大型专用挖掘机。

(2)根据物料位置不同,当土石方在停机面以上时,可选用正铲挖掘机;否则,可选用反铲挖掘机。

(3)根据物料性质不同,当挖掘水下或潮湿泥土时,可采用拉铲或抓斗挖掘机。

(4)与运输机械相匹配,为充分发挥机械设备的效率,挖掘机的斗容应与运输设备的斗容、吨位相匹配,通常情况下以3~5斗装满运输设备为宜。

(5)挖掘机的斗容与工作面高度的关系。一般情况下,1.0m3挖掘机挖Ⅰ、Ⅱ类土时,其工作面高度不应小于2.0m;挖Ⅲ类土时,工作面高度不应小于2.5m;挖Ⅳ类土时不应小于3.5m。

(6)挖掘机生产率计算见式(2-18)。

式中 P——生产率,m3/台班(自然方);

T——台班工作时间,按480min计;

V——斗容,m3

Kch——铲斗充满系数,壤土取1.0,黏土取0.8,爆破石渣取0.6;

Kt——时间利用系数,一般取0.45~0.75;

Kk——物料松散系数,Ⅰ~Ⅳ类土取1.10~1.30,爆破石渣取1.43;

t——每次作业循环时间,min,取0.33~0.56,易挖时取小值,反之取大值。

目前,国内各水利水电工程所选用的挖掘机种类多样,其主要技术参数见表2-35。

2.4.3.4 装载机

在土石方工程施工中,装载机大多与推土机配合使用,考虑工效的原因,现工程施工中基本上以挖掘机直接开挖装运为主,装载机在装料过程中起辅助作用。但装载机在具体应用过程中具有机动灵活的特点,且具有铲、推、装、运、起重和牵引等多项综合功能,故在具体工程中仍得到广泛应用。

对土石坝工程而言,使用装载机除具备以上优点外,在坝面施工中,装载机在有配重的情况下,还可以替代气胎碾对振动碾无法碾压的部位进行碾压施工,如心墙料与岸坡接触混凝土盖板区、心墙料与各建筑物接触区等。另外,装载机在坝面近距离运输方面优点明显,如对反滤料和心墙料的补填整平、检试验料样及设备运输等方面,具有事半功倍的作用。

装载机生产率计算,同上述挖掘机,对铲斗充满系数Kch,当装载干砂土时,取1.2,其他同挖掘机。

目前,国内各水利水电工程所选用的装载机种类多样,其主要技术参数见表2-36。

表2-35 液压挖掘机(履带式)主要技术参数表

表2-36 装载机(轮胎式)主要技术参数表

2.4.3.5 铲运机

在土石坝工程施工中,铲运机作为挖、装、运自成一体设备应用较普遍。按照土质分类不同,对Ⅰ类、Ⅱ类土质,各型式铲运机均能使用;对Ⅲ类土质,应选择功率较大的液压式铲运机;对Ⅳ类土质,应预先进行翻松后再利用铲运机施工。

铲运机斗容越大,施工速度越快,对工程量较大的土方,应选用大型铲运机施工。铲运机在运距小于70m时,一般应为不经济;运距在300m以内时,可采用4m3以下的拖式铲运机施工;运距在800m以内时,可采用6~9m3以下的拖式铲运机施工;运距大于800m时,可采用自行式铲运机施工。

铲运机生产率计算,同上述挖掘机,对铲斗充满系数Kch,一般取0.5~0.9;有推土机助推时,取0.8~1.2;对物料松散系数Kk,取1.10~1.25。

目前,国内各水利水电工程所选用的铲运机种类多样,其主要技术参数见表2-37。

表2-37 铲运机主要技术参数表

2.4.3.6 自卸汽车

在土石坝工程施工中,坝料运输一般为自卸汽车,其具有以下优点:①机动灵活,调运方便,施工保证率高;②爬坡能力强,一般坡度可达10%~15%;③转弯半径小,最小可达15~20m;④可与装载设备密切配合,一般自卸汽车车厢容积为装载设备斗容的3~5倍。

自卸汽车生产率计算,见式(2-19)。

式中 P——生产率,m3/台班(自然方);

T——台班工作时间,按480min计;

V——车厢容积,m3

Kch——汽车装满系数;

Ks——运输损耗系数,取0.95;

Kt——时间利用系数,日工作台班制为一班时取0.85,二班取0.8,三班取0.75;

Kk——物料松散系数,Ⅰ~Ⅳ类土取1.10~1.30,爆破石渣取1.43;

t——每次作业循环时间,min,t=t1+t2+t3+t4

每次作业循环时间包括装车时间(t1),载重运输与空车返回行驶时间(t2),卸车时间与倒车转向时间(t3),装车时调车时间(t4,此不含等候装车耽误时间)等。

装车时间(t1)、载重运输与空车返回行驶时间(t2)确定与装载机械的能力和自卸汽车速度有关,运输车辆卸车时间与倒车转向(即调头)时间(t3)、装车时调车(即定位)时间(t4)分别见表2-38和表2-39。

表2-38 运输车辆卸车时间与倒车转向(即调头)时间(t3)统计表

表2-39 运输车辆装车时调车(即定位)时间(t4)统计表

目前,国内各水利水电工程所选用的自卸汽车种类多样,其主要技术参数见表2-40。

表2-40 自卸汽车主要技术参数表

2.4.3.7 振动碾

振动碾是土石坝施工过程中最重要的设备之一,随着国内外工程机械设备的发展,现大吨位、大功率、高振幅的振动碾压机具在国内工程中使用比较普遍,自行式振动碾已部分替代拖式振动碾,其均为加快土石坝施工进度起到了决定性作用。

振动碾生产率计算见式(2-20)。

式中 P——生产率,m3/台班(压实方);

B——有效压实宽度,m,等于碾宽减去搭接宽度0.1~0.2m;

h——压实土层厚度,m;

v——压实机械作业速度,km/h;

n——压实遍数;

Kt——时间利用系数。

目前,国内各水利水电工程所选用的振动碾种类多样,其主要技术参数见表2-41。

表2-41 自行式振动碾主要技术参数表

糯扎渡坝砾石土心墙(土料重量/砾石料重量=65/35,Dmax≤150mm)采用20t自行式凸块振动碾碾压,铺料厚27cm,碾压遍数8遍;反滤料采用22t自行式平面振动碾碾压,铺料厚54cm,碾压遍数8遍;细堆石料及堆石料采用22t自行式平面振动碾碾压,铺料厚度80cm,碾压遍数8遍。

瀑布沟坝砾石土心墙(小于5mm的颗粒含量不小于45%,Dmax≤80mm)采用25t自行式凸块振动碾碾压,铺料厚45cm,碾压遍数8遍;高塑性黏土采用18t自行式凸块振动碾碾压,铺料厚30cm,碾压遍数8遍;反滤料采用25t自行式平面振动碾碾压,铺料厚30cm,碾压遍数8遍;过渡料采用25t自行式平面振动碾碾压,铺料厚60cm,碾压遍数8遍;堆石料采用25t自行式平面振动碾碾压,铺料厚100cm,碾压遍数8遍。

黑河坝黏土心墙采用18t自行式凸块振动碾碾压,铺料厚22~25cm,碾压遍数8遍;反滤料采用18t自行式平面振动碾碾压,铺料厚50cm,碾压遍数8遍;坝壳砂砾料采用18t自行式平面振动碾碾压,铺料厚80cm,碾压遍数8遍。