机场沥青道面施工机械设备选型与配置优化

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  【摘 要】 为了保证机场沥青道面的铺筑质量,科学合理的选型与优化配置施工机械,通过对施工设备和工作系数进行分析,基于遵循主设备优先、采取按沥青混合料总数量与综合工期计算配置拌和设备、再配置其他设备的原则,提出了沥青拌和机作为主设备的选择与配置方法,并对摊铺机、压路机和自卸汽车等机械的选型与配置提出了建议,可为机场沥青道面施工组织设计提供参考依据。
  【关键词】 机场工程;沥青道面;施工机械;选型;配置
  前言:
  机场沥青混凝土道面施工从混合料的生产与运输,到摊铺与碾压每个工序的全过程中都需要采用大型机械设备进行作业,施工设备主要包括沥青拌和机、运输车、摊铺机和压路机等类型。这些施工设备如何选型和配置是施工组织设计的首要工作,它不仅关系到工程施工质量和进度,而且还直接影响到工程造价。但目前的施工单位对这项工作通常重视不够,往往由技术负责人和项目经理采用经验法完成,不但人为因素影响较重,而且存在着随意性、片面追求效益、对工期和质量不利等问题。
  为了提高施工质量,保证机场沥青混凝土道面的寿命,这就要求我们在施工中“精心组织,科学管理,规范施工,严格控制,确保质量”。工程实践表明,对施工机械设备进行科学合理选型和优化配置,既可以减少人员和设备的投入,避免施工浪费,又可缩短施工期,也是提高施工质量的有效措施之一。
  1 施工主设备的选择与配置原则
  1.1施工主设备的选择
  沥青混合料是感温性材料,气温对机场沥青道面施工的顺利开展和进度、投资等都有影响,尤其是对质量影响很大,为了确保铺筑质量,对施工温度有严格的要求。民用机场沥青混凝土道面施工技术规范规定,施工过程中应做好施工现场的气象预报,尽量避免在不良气象条件下施工。当气温低于10℃或气温低于15℃且风速大于5级时,不宜摊铺沥青混凝土混合料[1]。因此,可用于沥青道面施工的季节有限,工期要求一般比较短。
  根据施工气温的要求,可满足机场沥青道面铺筑的季节通常是春季末到秋季的初期,有效施工期半年左右。夏季气温高,室外气温可达40℃以上,温度损失慢,对沥青混合料的拌和、运输、摊铺和碾压都有利,不但可以节约能源,还可提高沥青混合料的铺筑质量,是施工的最好季节。因此,沥青混凝土施工仅有四个月左右的最佳时间,所以要根据总工期的要求,进行施工组织方案设计,在计划和计算施工工期时,既要考虑季节(温度)影响,又要充分考虑各种影响工期的因素,重点分析包括雨天多少、风速大小、机械设备维修、村民干扰及其他标段(作业面移交)影响等因素,再综合估算有效施工天数,最终计算每个施工日最少需要铺筑沥青混合料的总数量。
  通过以上分析可知,沥青混合料每天的生产量是主要矛盾,只有拌和站的生产能力足够大,才能保证每台摊铺机能按一定的速度连续运行,若摊铺机停机等待混合料,不但影响摊铺和碾压温度,还将会影响铺筑沥青道面的压实度、平整度,或产生不必要的施工接缝,造成一系列质量隐患。为了确保道面纵向热接缝或半热接缝,尽量减少横向施工冷缝数量,行业规定或甲方和监理单位通常都规定了每天摊铺作业面的最小施工长度,这就需要足够的成品沥青混合料。可见,拌和站的生产能力是关键,即拌和机是主要设备,拌和厂的单位产量和储存能力是摊铺和碾压机械配置的依据,决定了摊铺机和压路机等设备的配置数量。
  1.2综合工作系数的确定
  我国疆域幅员辽阔,从南到北跨越热带、温带和寒带三大气候带,跨度非常大,不但气温逐渐变低,而且各地气候和气象等条件差异甚大。南方普遍在春夏季雨水多,而北方夏末秋初是雨季,沥青混凝土道面禁止在雨天施工,雨季严重影响了沥青道面的施工进度。因此,施工期间应注意机场地区的气象预报,雨季施工应做好防雨、排水等措施。
  我国南方、中原或北方不同的地区,可用于施工的天数不同,特别是南方地区相对于北方雨水多,对施工进度影响大,施工的天数相对减少,为了不影响施工总进度,保证按时完工,增加机械设备是有效措施,在计算配置机械设备时需要引出一个综合工作系数,根据多个机场沥青道面的施工统计,取值范围是1.2~1.6,建议北方地区取1.1~1.2,中原地区取1.3~1.4,南方地区取1.5~1.6。值大小的选取需要调查当地气象统计资料,综合分析确定。
  1.3施工设备的配置原则
  对于一个具体的机场沥青道面工程,设计沥青混合料的总量是固定的,工程所在地区也是明确的,气候和气象条件有其明显的特征,甲方(合同)对工期的要求规定是一定的,因此,可用于施工天数是计算施工机械数量的关键。而沥青道面施工除了具有施工作业面大、质量要求高和自然因素影响多的特点外,通常还具有工程大、施工期短、环保要求高的特点,根据这些特点,结合以上分析,建议按照施工主设备优先配置的原则,即先配置沥青混合料拌和设备,采取沥青混凝土总数量与综合工期计算配置拌和设备,再配置铺筑和碾压等其他施工设备[2]。
  2 沥青拌和厂及设备的配置
  2.1沥青拌和厂的设置
  沥青混合料通常在拌和厂(场、站)内由拌和的专门设备生产,有的拌和厂有固定场地,有的为了工程建设需要租用土地临时建厂,其设置及设备的配置,不仅关系到工程施工质量和进度,还直接影响到工程造价。因此,在机场沥青道面的施工过程中要认真分析具体项目的施工特点,根据拌和厂设置及设备配置的要求,仔细研究各种影响因素,控制各种风險和危险隐患,合理设置拌和厂,优化各类设备配置,只有确保沥青混合料的生产质量和能力,才能避免浪费和损失,从而保证工程的质量、工期和安全,圆满完成施工任务。
  为了确保沥青混合料温度损失(下降)不超过规定要求,拌和厂的选择或设置要充分考虑运输距离的影响,运距与工地现场越近越便于组织施工,工程质量越容易保证。对于机场工程沥青道面的施工,其拌和厂的选择或设置需要根据沥青混合料总量的大小、机场位置、工期要求、机场是否关闭、工程造价等因素综合确定。   如果机场附近有固定的拌和厂,在沥青混合料总量小于4万吨和具备运输畅通的条件,为了节约费用,一般情况下可选择租用该拌和厂,或与其签约委托生产沥青混合料。如果沥青混合料总量大于4万吨或道路运输条件较差(堵车),为了保证工期和质量,建议在机场附近租用土地,选择新建拌和厂方法,自己生产沥青混合料,这样便于施工组织,可以减少各方协调的麻烦。一旦确定新建沥青拌和厂,厂址应选择在地势高和主风向的下风位置处,并有可靠的电力供应渠道,厂区地面平坦坚硬,并有良好的排水设施、排污措施[1],特别是进出厂道路一定是便于运料。
  2.2沥青混合料拌和机的确定
  沥青混合料拌和量取决于生产率,而施工机械生产出的单位通常以一个台班内完成的产量计算,拌和机械工作8小时为一个台班,所以,拌和站生产率的单位为“吨/台班”。沥青拌和站配置的依据是机场工程沥青混合料的总工程量大小和铺筑工期即天数,考虑可利用的有效施工天数、机械设备检修和故障排除等因素,把这些归纳为综合工作系数,建议沥青混合料拌和量可按下列公式计算:
  (1)
  式中:——沥青混合料拌和的数量(吨/小时);
  ——沥青混合料的总工程量(吨);
  ——机械生产率,拌和机生产率的单位为“吨/台班”;
  ——沥青道面施工期(天);
  ——综合工作系数,参照前面分析选取;
  ——机械台班系数,每天作业一个台班取1,两个台班取2,三个台班取3。
  根据公式(1)计算的值,即为每天需要拌和站生产沥青混合料的数量,为了减少横向施工冷接缝数量,避免纵向施工冷接缝,保证工期和质量,按照公路和机场行业不成文的惯例,一般都要求拌和厂的生产规模不小于3000型[3]。作为机场沥青混合料的拌和厂应配备间歇式拌和机,其生产能力应满足施工进度要求,并有独立控制操作室和逐盘打印记录的计算机自动系统。
  2.3拌和厂其他设备的配置
  2.3.1沥青储存设备
  机场沥青道面設计采用的沥青(或改性)和沥青混合料,可能有多种类型,沥青必须根据品种、标号分别储存。为了保证沥青拌和机工作的连续性,满足工期需要,每台拌和站都需要配置沥青储存罐,可根据每日沥青的进厂和消耗能力确定储存罐数量和储存罐容量。一般情况每个拌和厂每种沥青需要配备容量50吨左右的沥青卧罐2~3个。为了防止沥青供货运输不及时或改性沥青脱桶生产不及时造成停工的问题,每个拌和厂还应设一个容量300吨左右的储存罐,储存或周转用于沥青。
  2.3.2沥青加热设备
  生产沥青混合料时,沥青材料需要加热使用,为了避免加热对沥青产生老化,通常要求采用导热油进行加热。各类沥青储存罐都必须与拌和机相联,具有各自独立的循环及加热系统,并相互联接,由各自的开关控制,做到想用哪个罐的沥青就能用哪个罐,保证方便灵活。
  2.3.3沥青混合料储料仓
  机场沥青道面的铺筑需要保证连续摊铺,加之为了防止拌好的沥青混合料因故无法立即出厂,避免浪费,沥青拌和厂需要安装足够容量的沥青混合料储料仓,其大小可根据每天沥青混合料生产总量和工期要求确定。储料仓一般需要配置保温设施,但储存时间不宜超过一天;储料仓保温设施故障时,储存时间应以符合混合料摊铺温度要求为准。
  2.3.4改性沥青脱桶设备
  为了提高机场沥青道面的使用性能,其面层设计大多采用改性沥青,而改性沥青要求在沥青的生产厂采用专门设备加工改性后,装入专用铁皮桶,通过汽车运到沥青拌和厂。因此,拌和厂需要安装改性沥青脱桶设备,其脱桶能力要满足沥青混合料的拌和使用要求[3]。为了保证拌和站不因改性沥青的供应能力不足而停工,达到连续施工的目的,建议采取防雨措施,保证脱桶工作能在雨天进行脱桶。
  2.3.5其他辅助设备
  沥青拌和厂有大量的砂子和各种石料,需要装入拌和机与沥青拌和,通常采用装载机供料,因此,装载机是拌和厂的辅助设备,其配置主要根据拌和机的型号和生产能力确定,原则上1台拌和机配1~2台装载机,2台拌和机配2~4台装载机。另外,拌和厂还应配置实验和检测设备,并配置用于称重的地磅。为了符合国家现行有关环境保护和安全防火标准规范的要求,拌和厂必须配置消防设备和安全设施。
  3 摊铺机的选型与配置
  对比机场沥青道面和公路沥青路面铺筑作业的区别,主要是公路中间有分隔带,两侧可以分别铺筑,铺筑宽度较窄,因此,施工纵向接缝和横向接缝均较少,而机场道面中间没有分隔带,铺筑相对比较宽,施工的纵向接缝及横向接缝均较多,为了减少施工冷接缝,提高沥青道面的铺筑质量,摊铺机的选型与配置是机场施工需要解决的重要问题[4]。
  3.1摊铺机的选型
  目前,制造摊铺机的厂家在国内外都有很多,并有多种多样的规格和型号,可供选择的范围很广。通常按行驶装置的不同,分为履带式和轮胎式两大类,除底盘不同外,两类摊铺机其它部分的构造基本相同,但其操作性和稳定性有很大的差异。每一类摊铺机可分多种型号,摊铺宽度可为1.5~14m,厚度可为0~400mm,摊铺速度可为0~30m/min。多数摊铺机的摊铺宽度、厚度和速度等性能可根据需要进行调节。
  履带式摊铺机具有摊铺宽度大、接地面积大、牵引力大、爬坡性和铺筑平整性好等优点,但具有造价高、机动性差、行驶速度较慢等不足。与履带式摊铺机比较,轮胎式摊铺机具有构造较简单、造价较低、机动性能好、行驶方便等优点,但对铺筑下层的平整度要求较高。由于机场沥青道面的铺筑,一般情况摊铺机是按直线摊铺作业,对铺筑平整度要求高,并对摊铺宽度要求较大,所以,对于机场沥青道面铺筑必须选择具有自动找平、带有加热装置和震动功能的履带式摊铺机进行作业[4]。
  3.2摊铺机数量与作业宽度的确定   摊铺机属于大型设备,由于造价昂贵,施工台班费用(消耗)高,所以确定摊铺机的数量需要科学合理的计算。按照保证质量和节约费用的原则,其配置不但与机场沥青道面铺筑的总宽度、厚度及拌和站沥青混合料的生产能力等因素有关,还与摊铺机作业的宽度和幅数要求有关。机场跑道铺筑总宽度给定以后,通常要求摊铺机作业的宽度足够大,幅数尽量少,这样可以减少纵向接缝。
  如果某机场跑道沥青铺筑的总宽度若为米,配置台摊铺机进行作业,每幅的作业宽度为米,每台摊铺机铺筑幅,共铺筑幅,则有下列公式[4]:
  或(2)
  其中
  摊铺机作业的台数、每幅作业的宽度和共铺筑的幅数都是依据机场跑道沥青铺筑的总宽度的大小确定,而对于一个具体工程值是一定的,沥青铺筑厚度也是一定的,即沥青混合料总工程量是固定的,一般在沥青拌和站的生产能力确定以后,摊铺机可按前述的方法選型与配置。
  例如,某沥青拌和厂配有两台拌和设备,每台拌和机的生产率为400T/H,两台机子同时工作,每小时合计生产沥青混合料800T。若某机场跑道沥青道面的宽度为50m,上面层铺筑要求全断面施工,即纵向全部采用热接缝。对于这种情况,可取幅,,m,也就是说摊铺机的作业宽度平均为8.33m,可选4幅宽为8.5m,2幅宽为8m,每台摊铺机铺1幅,即台,这样需要配置六台摊铺机进行作业,分别沿跑道中线的两边各摊铺3幅,共摊铺6幅。
  4 压路机的选型与配置
  4.1压路机的选型
  沥青混合料的成型主要依靠压路机完成作业,它是沥青跑道铺筑的主要施工机械,随着碾压机械的研究发展,国内外已制造出了多种类型的压路机可供使用。一般用在机场跑道沥青铺筑施工碾压作业的压路机,主要有钢轮静力压路机、胶轮压路机和钢轮振动压路机三种类型。不同的压路机有其不同的特性,其压实作用也不同,为了达到对沥青道面的最佳压实效果,压路机的选型应根据沥青混合料的特性、拌和厂的产量、摊铺机的生产率、摊铺厚度和气候条件等因素综合确定[5]。钢轮一般选择带振动的压路机,作为静压和振动两用,在沥青混合料碾压作业的初压、复压和终压每道工序均可使用,而胶轮压路机主要在复压作业中使用。
  4.2压路机的配置
  压路机数量的配置决定于摊铺机的速度及宽度,并随着压路机的轮宽、碾压速度及遍数、有效工作时间系数即有效作业段长度等因素而变化,还要考虑施工气温、天气等因素的变化。但是对于一个具体的机场工程,沥青跑道的碾压作业,压路机的配置数量不可能随时进行调整调运而不断变化。考虑将春秋二季作为一个温度范围,而将夏季作为一个温度范围,更多的是在夏季气温炎热的时候进行施工,以此为依据,确定一个计算温度,再确定碾压作业的长度和有效工作时间系数,分别计算不同的碾压作业程序中压路机需要的数量[5]。
  为了保证摊铺与碾压作业的连续性,最大可能地发挥施工机械的效率,提高碾压效果,压路机数量确定的原则是其生产率与摊铺机的生产率相匹配,具体的计算方法史保华已经进行过详细的研究,这里不再分析。
  5 其他机械设备配置方法
  5.1自卸汽车的选择与配置
  汽车是机场施工必配的辅助设备,热拌沥青混合料需要由汽车运到摊铺现场。由于汽车的类型非常多,各地都有很多类型可方便选择,故不需要专门调运。汽车是与摊铺机配套使用,其方法是把混合料慢慢自卸到摊铺机的料斗里,由摊铺机推动汽车前进,因此,汽车要求选择自卸式翻斗。为了保证或减小沥青混合料温度不损失,自卸汽车的容量要尽可能地大,通常在施工当地选择相对固定或租用40吨以上的自卸汽车。
  自卸汽车数量的确定,需要考虑沥青拌和站的生产能力、运距、运量(汽车吨位)和交通状况等因素,以不影响沥青混合料拌和机的连续拌和,汽车稍有等待余量为原则进行配置,建议增加百分之十的余量,即工作调节系数取1.1。因此,自卸汽车的数量,可按下列公式进行计算:
  (7)
  式中:——拌和厂的生产能力,吨/小时;
  ——自卸汽车的容量,吨/辆;
  ——自卸汽车每一工作循环(装车、运输和摊铺)延续时间(小时);
  ——工作调节系数。
  5.2辅助机械设备的配置
  在机场沥青道面施工组织设计中,按相互影响重要程度,除了重视对沥青拌和机主设备、摊铺机、压路机和自卸运输车辆等从设备配置之外,还需要对智能沥青洒布车、水车、装载机、移动照明灯车等辅助设备进行科学配置,这些设备的配置是以不影响沥青混凝土连续施工为原则,并能保证夜间施工照明的需要。
  6 结语
  通过对机场沥青道面和水泥混凝土道面比较可知,采用沥青材料铺筑的道面不但具有无接缝、耐冲击、飞行平稳舒适等优点,而且具有施工进度快、效率高、工后不需要养护即可投入使用等优点,故越来越多的机场使用沥青混合料铺筑。而沥青拌和机、摊铺机和压路机等施工设备的选型与配置是首先需要解决重要的问题,本研究成果通过在多个机场沥青道面施工的使用都取得了很好的经济效益。
  参考文献:
  [1] MH5011-1999,民用机场沥青混凝土道面施工技术规范[S],人民交通出版社,2001;
  [2]中国中铁航空港建设集团有限公司,机场场道工程施工工法研究报告[M],2013,12;
  [3]冯辉等,机场沥青道面施工沥青拌和厂设置及设备的配置,筑路机械与施工机械化,第29卷,2012年5期;
  [4]机场道面沥青盖被摊铺机械的配置与铺筑方法,《交通运输工程学报》,第4卷,2004年4期;
  [5]机场沥青道面碾压机械配置方法,《交通运输工程学报》,第3卷,2003年4期。
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