溫少鵬

【摘 要】隨著大直徑盾構(gòu)隧道工程建設(shè)的蓬勃發(fā)展，大直徑盾構(gòu)管片的生產(chǎn)工藝和質(zhì)量控制越來越受到各方關(guān)注。本文以成都軌道交通18號線工程盾構(gòu)管片預(yù)制為例，分析并研究時(shí)速140Km大直徑盾構(gòu)管片的生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)和質(zhì)量控制關(guān)鍵技術(shù)，旨在指導(dǎo)類似直徑盾構(gòu)管片的生產(chǎn)施工，提高盾構(gòu)管片實(shí)體質(zhì)量，并為后期相關(guān)工程提供借鑒。

【關(guān)鍵詞】大直徑管片；生產(chǎn)技術(shù)；工藝設(shè)計(jì)；質(zhì)量控制

Study on Key Technology of Large Diameter Shield Seam Production in Urban Rail Transit at Speed 140Km

Wen Shao-peng

（CLP Construction Capital Construction Co.， Ltd Chengdu Sichuan 610212）

【Abstract】With the vigorous development of large-diameter shield tunneling project construction， the production technology and quality control of large diameter shield segment are more and more concerned by all parties. In this paper， the key technology of production process design and quality control of 140Km large diameter shield segment is analyzed and studied in order to guide the production and construction of shield pipe with similar diameter ， To improve the physical quality of shield segment， and for the late related projects to provide reference.

【Key words】Large diameter pipe；Production technology；Process design；Quality control

1. 前言

1.1 成都軌道交通18號線工程概況。

成都軌道交通18號線工程為新機(jī)場線，線路全長約61.78Km，共設(shè)車站9座，設(shè)計(jì)時(shí)速140公里。全線約60.5 Km，盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)采用的1.5m及1.8m幅寬管片共31751環(huán)（其中1.5m管片8097環(huán)，1.8m管片23654環(huán)）。根據(jù)施工工程籌劃，管片月高峰需求強(qiáng)度約2000環(huán)/月。

1.2 盾構(gòu)管片主要技術(shù)參數(shù)。

（1）管片混凝土強(qiáng)度為C50砼，抗?jié)B等級為P12；管片采用錯(cuò)縫拼裝方式，襯砌環(huán)縱、橫縫采用彎螺栓連接。每環(huán)襯砌環(huán)由7塊管片組成，包括4塊標(biāo)準(zhǔn)塊（圓心角56.8422°）、2塊鄰接塊（圓心角56.8422°）和1塊封頂塊（圓心角18.9474°）。成環(huán)后外徑8300mm，內(nèi)徑7500mm，厚400mm，幅寬1800mm和1500mm。

（2）本工程管片有直線、左轉(zhuǎn)及右轉(zhuǎn)三類，包含A、B、C、D四種配筋類型，每類配筋管片均有普通管片和增設(shè)注漿孔兩種型號，并增加了2種切割環(huán)管片，共計(jì)52種不同型號的盾構(gòu)管片。

1.3 管片廠產(chǎn)能。

（1）根據(jù)管片需求，成都軌道交通18號線計(jì)劃由WJ和XJ兩個(gè)管片廠進(jìn)行生產(chǎn)供應(yīng)，其中WJ管片廠設(shè)生產(chǎn)線1條，投入模具8套，進(jìn)行幅寬1.5m管片生產(chǎn)供應(yīng)，設(shè)計(jì)日生產(chǎn)20環(huán)；XJ管片廠設(shè)生產(chǎn)線2條，投入模具24套，生產(chǎn)供應(yīng)幅寬1.8m管片，設(shè)計(jì)日產(chǎn)能60環(huán)。

（2）管片廠均由鋼筋加工、混凝土生產(chǎn)、管片生產(chǎn)線、水養(yǎng)護(hù)池、管片堆場、鍋爐蒸汽養(yǎng)護(hù)等組成。

2. 管片生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)

管片生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)主要包括主要工藝設(shè)計(jì)、生產(chǎn)質(zhì)量控制兩項(xiàng)。

2.1 工藝設(shè)計(jì)方面。

目前國內(nèi)管片廠普遍淘汰了使用地模（固定模具法）進(jìn)行管片，生產(chǎn)工藝均按自動(dòng)化流水線生產(chǎn)設(shè)計(jì)。工藝設(shè)計(jì)主要包括流水節(jié)拍設(shè)計(jì)、起重設(shè)備設(shè)計(jì)、堆存容量設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、鋼筋籠制作設(shè)計(jì)等參數(shù)設(shè)計(jì)。

2.1.1 流水節(jié)拍設(shè)計(jì)。

工程設(shè)計(jì)中需重點(diǎn)注意考慮的是流水節(jié)拍控制。進(jìn)行流水節(jié)拍設(shè)計(jì)需考慮各項(xiàng)流水作業(yè)所需的時(shí)間，以滿足各工序的要求為最小節(jié)拍時(shí)間，同時(shí)需考慮管片生產(chǎn)中靜停、升溫與降溫時(shí)間帶來的流水節(jié)拍需求，進(jìn)行整體考慮，一般都先進(jìn)行作業(yè)線節(jié)拍設(shè)計(jì)，然后根據(jù)流水線節(jié)拍設(shè)計(jì)，選擇養(yǎng)護(hù)線工位，確定靜停、升溫與降溫工序的時(shí)間要求。受拆裝榫影響，XJ管片廠每條生產(chǎn)線設(shè)計(jì)作業(yè)線2條，設(shè)計(jì)流水節(jié)拍8min，設(shè)計(jì)每條作業(yè)線工位15個(gè)，根據(jù)靜停時(shí)間、蒸養(yǎng)時(shí)間及降溫時(shí)間，設(shè)計(jì)選用3條養(yǎng)護(hù)線，每條養(yǎng)護(hù)線靜停工位3個(gè)，蒸養(yǎng)工位12個(gè)，降溫工位3個(gè)，共計(jì)48個(gè)養(yǎng)護(hù)工位（不含生產(chǎn)線澆筑后的工位）。

2.1.2 起重設(shè)備設(shè)計(jì)。

起重設(shè)備設(shè)計(jì)除需滿足吊裝尺寸、重量要求外，還需考慮起重機(jī)運(yùn)行速度與起重設(shè)備運(yùn)行工作級別。一般在廠房的起重設(shè)備及養(yǎng)護(hù)水池起重設(shè)備，由于運(yùn)行頻繁，均采用A5及以上的工作級別。養(yǎng)護(hù)水池的門機(jī)對大車、小車行走速度及吊鉤的升降速度要求較高，需根據(jù)管片生產(chǎn)節(jié)拍合理選擇。成都軌道交通18號線管片廠車間內(nèi)橋機(jī)均選擇A6橋機(jī)。

2.1.3 堆存容量設(shè)計(jì)。

管片廠堆存容積需滿足管片堆存發(fā)運(yùn)需求，在設(shè)計(jì)中還需考慮水養(yǎng)護(hù)池7天堆存的要求。由于養(yǎng)護(hù)水池進(jìn)行水養(yǎng)護(hù)時(shí)，存在倒換水池工藝要求，成都軌道交通管片18號線管片廠均設(shè)計(jì)了8個(gè)養(yǎng)護(hù)水池，每個(gè)水池容量滿足1天管片生產(chǎn)堆存要求，以滿足水養(yǎng)護(hù)7天要求。endprint

2.1.4 模具設(shè)計(jì)。

模具選型需除按規(guī)范滿足各種尺寸及精度要求外，還需注意考慮混凝土澆筑振搗方式、模具使用精度問題。本工程依照國內(nèi)大直徑管片振動(dòng)器選擇方式，未采用整體振動(dòng)臺(tái)而采用附著式振搗器進(jìn)行混凝土澆筑振搗，對模具的開合方式選擇上，由于整體平開模具側(cè)面（管片環(huán)與環(huán)結(jié)合面）對模具剛度要求高，精度降低快而未采用，選用的是鉸接方式進(jìn)行模具側(cè)面進(jìn)行開合，模具端面（管片環(huán)與環(huán)結(jié)合面）一般均采用鉸接方式進(jìn)行開合。本線管片設(shè)計(jì)采用的定位榫具有剪力榫功能，實(shí)現(xiàn)了二者的功能結(jié)合，通過3維運(yùn)動(dòng)模擬剪力榫結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，發(fā)現(xiàn)無法采用普通鉸接方式實(shí)現(xiàn)模具開合，為此，通過將模具鉸接處內(nèi)移動(dòng)并在榫處倒角方式，實(shí)現(xiàn)側(cè)模的開啟、閉合，并使用拆裝方式實(shí)現(xiàn)端模開閉。

2.1.5 鋼筋籠制作。

管片鋼筋籠制作一般在胎膜架上制作。胎膜架根據(jù)使用分為正弧和反弧二種，本線管片廠胎膜架選擇反弧式胎膜架進(jìn)行管片鋼筋籠制作。相比正弧胎膜架，反弧式胎膜架的人體學(xué)程度更高，充分利用了物體重力協(xié)助鋼筋就位，降低了工人的體力勞動(dòng)強(qiáng)度；管片鋼筋籠外弧面精度高；管片鋼筋籠制作中增加了翻轉(zhuǎn)過程，更有利于對焊接質(zhì)量的檢查；相應(yīng)的缺點(diǎn)是內(nèi)弧面精度沒有正弧式胎膜架高，且吊裝翻轉(zhuǎn)增加了工序。

2.2 質(zhì)量控制技術(shù)。

（1）成都地區(qū)大直徑管片生產(chǎn)施工更無相關(guān)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)參考。通過本線管片生產(chǎn)技術(shù)探索和施工經(jīng)驗(yàn)積累，加強(qiáng)管片生產(chǎn)過程質(zhì)量關(guān)鍵技術(shù)的研究，對于相關(guān)盾構(gòu)管片生產(chǎn)質(zhì)量有著重要意義。

（2）管片生產(chǎn)質(zhì)量控制是對各關(guān)鍵工序的控制。管片生產(chǎn)流程見下圖1所示。

質(zhì)量控制關(guān)鍵為配合比設(shè)計(jì)、原材料進(jìn)場檢測、管片氣泡防治、過程質(zhì)量控制等，尤其需注意的是管片蒸養(yǎng)、管片振搗和模具精度檢測。

2.2.1 配合比設(shè)計(jì)。

（1）混凝土的質(zhì)量對于整個(gè)建設(shè)工程的質(zhì)量具有決定性的意義。本線管片混凝土設(shè)計(jì)要求強(qiáng)度等級C50，抗?jié)B等級P12，可以通過正交設(shè)計(jì)方法，考慮不同影響因素（見表1），制定多種試驗(yàn)方案，分析不同方案的試驗(yàn)結(jié)果，確定最優(yōu)化配合比（試驗(yàn)方案及結(jié)果表見表2）。

（2）通過試驗(yàn)方案及結(jié)果表，結(jié)合不同混凝土配合比施工情況，最終決定采用方案P5，坍落度設(shè)計(jì)要求50～70mm。

2.2.2 原材料進(jìn)場檢測。

（1）混凝土原材料的好壞和選配是否恰當(dāng)也直接影響著混凝土工程的質(zhì)量?；炷烈虿牧线x用不當(dāng)產(chǎn)生質(zhì)量缺陷或裂縫，一般認(rèn)為是因?yàn)榛炷敛牧希òㄋ?、粗?xì)骨料）變形受約束所引起的內(nèi)應(yīng)力大于材料抗拉強(qiáng)度的緣故。

（2）本工程通過建立原材料進(jìn)場檢驗(yàn)制度，堅(jiān)決落實(shí)進(jìn)場材料從源頭抓起的管理理念。首先所有材料進(jìn)場必須附帶合格證明，經(jīng)過材料員初步驗(yàn)收，再通知試驗(yàn)人員對原材料進(jìn)行取樣檢測，最后按照30%的頻率對原材料進(jìn)行第三方檢測機(jī)構(gòu)送檢，經(jīng)過三次檢測合格后，方可投入工程使用。對于不合格材料，立即要求退場，并建立不合格臺(tái)帳，對其供應(yīng)商后續(xù)進(jìn)場材料進(jìn)行加倍檢測。

2.2.3 鋼筋下料和鋼筋骨架制作。

（1）為確保鋼筋骨架焊接精度，簡化施工流程，實(shí)現(xiàn)高效化、模塊化和規(guī)范化，縱向主筋、榫孔處馬蹄型鋼筋、分布筋、箍筋等采用數(shù)控鋼筋加工設(shè)備施工，且本工程箍筋均在模型框架上進(jìn)行焊接，將C型彎鉤按照圖示位置焊接在箍筋上以形成箍筋網(wǎng)片。

（2）鋼筋骨架骨架制作在胎模架上制作。本工程用于盾構(gòu)管片鋼筋骨架制作的胎膜架因無相關(guān)施工經(jīng)驗(yàn)，技術(shù)人員根據(jù)管片配筋圖紙并結(jié)合施工焊接人員的操作經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行了鋼筋骨架胎膜架的設(shè)計(jì)和制作，該胎膜架僅適用于外徑8.3米、內(nèi)徑7.5米、厚度0.4米、幅寬1.8米和1.5米盾構(gòu)管片的鋼筋骨架骨架制作。

（3）鋼筋骨架組裝及焊接的具體施工流程為：安裝和固定箍筋網(wǎng)片→穿裝主筋→安裝附加筋→安裝預(yù)埋板（切割環(huán)管片）→焊接主筋和箍筋網(wǎng)片→焊接附加筋、預(yù)埋鋼板等→焊接完成→檢查焊點(diǎn)質(zhì)量。

2.2.4 混凝土澆筑振搗質(zhì)量控制。

（1）本工程中單環(huán)管片最大混凝土用量為17.867m3，相較于時(shí)速80Km的成都軌道交通線路盾構(gòu)管片（外徑6m，內(nèi)徑5.4m，厚度300mm，幅寬1.2m和1.5m）的單環(huán)管片最大混凝土用量為8.06m3明顯偏大，對拌和樓混凝土運(yùn)輸、混凝土振搗、下料方式等提出更高要求。

（2）本工程混凝土生產(chǎn)采用HL240-2S3000強(qiáng)制式攪拌樓，單個(gè)雙臥軸強(qiáng)制式攪拌機(jī)混凝土生產(chǎn)能力為240 m3/h，即每罐次混凝土產(chǎn)量3m3，遠(yuǎn)大于單片最大理論方量2.34 m3；混凝土拌制完成后經(jīng)高料斗沿軌道運(yùn)輸至生產(chǎn)線澆筑工位。

（3）施工中嚴(yán)格要求混凝土澆筑環(huán)節(jié)，采用分層下料方式，以連續(xù)澆筑成型，澆筑過程中觀察手孔彎管、注漿管等預(yù)埋件，如有松動(dòng)或脫落，經(jīng)立即更換。振搗方式采用的是附著式振動(dòng)器，單個(gè)模具下方均勻布置有5個(gè)附著式振動(dòng)器。運(yùn)行維護(hù)人員每班前檢查附著式振動(dòng)器故障情況，確保工作穩(wěn)定，防止因附著式振動(dòng)器損壞引起欠振問題，影響管片實(shí)體質(zhì)量。

2.2.5 管片收水抹面。

（1）收水抹面工序質(zhì)量控制要確保脫模后管片外弧面光滑平整，本工程結(jié)合以往施工經(jīng)驗(yàn)，對收水抹面工序進(jìn)行了細(xì)節(jié)把控。

（2）管片蒸養(yǎng)前需進(jìn)行收水抹面，收水抹面應(yīng)該視氣溫及混凝土凝結(jié)情況而決定，一般在澆筑后50min左右進(jìn)行。收水抹面工序主要在管片靜養(yǎng)區(qū)實(shí)施，本線管片均按4次收水抹面進(jìn)行，確?；炷猎陟o停過程中不會(huì)因重力作用而下墜造成管片厚度不勻，靜停結(jié)束后進(jìn)入養(yǎng)護(hù)窯進(jìn)行蒸汽養(yǎng)護(hù)。

2.2.6 管片蒸養(yǎng)質(zhì)量控制。

（1）養(yǎng)護(hù)窯嚴(yán)格按照升溫速度不宜超過15℃/h，降溫速度不宜超過20℃/h，恒溫最高溫度不宜超過60℃，管片在恒溫階段相對濕度不小于90%進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，防止裂縫發(fā)生。endprint

（2）養(yǎng)護(hù)過程需嚴(yán)格控制養(yǎng)護(hù)時(shí)間，根據(jù)生產(chǎn)工藝試驗(yàn)，管片廠設(shè)計(jì)養(yǎng)護(hù)時(shí)間為靜停2小時(shí)，然后升溫2小時(shí)，恒溫2小時(shí)，降溫1小時(shí)。需要注意的是雖然規(guī)范中要求使用真空吸盤的脫模強(qiáng)度可按15MPa控制，但吸盤脫模后即進(jìn)入管片翻轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)，對混凝土強(qiáng)度仍然要求高，使其脫模強(qiáng)度達(dá)到20MPa以上，避免后續(xù)吊裝轉(zhuǎn)運(yùn)中造成管片“內(nèi)傷”。

2.2.7 模具精度檢測與維護(hù)。

（1）模具精度直接關(guān)系到成品管片的幅寬、厚度等外觀尺寸參數(shù)是否合格；在實(shí)際施工過程中，要及時(shí)檢查并處理模具變形、蓋板密封膠條老化、振搗器損壞、合模螺栓松動(dòng)、邊模刨毛等情況，模具端模蓋板變形和密封膠條老化易引起混凝土振搗漏漿現(xiàn)象，振搗器損壞會(huì)導(dǎo)致漏振發(fā)生，合模螺栓松動(dòng)、邊模刨毛會(huì)引起管片尺寸偏差和脫模拉邊、掉邊現(xiàn)象。

（2）對于模具精度，要求每套鋼模具周轉(zhuǎn)100次必須進(jìn)行精度檢測，其寬度、弧弦長允許誤差為±0.4mm，內(nèi)腔高度允許誤差為-1mm～+2mm；同時(shí)結(jié)合施工實(shí)際，開展模具不定期隨機(jī)抽檢，發(fā)現(xiàn)尺寸超出規(guī)范要求后及時(shí)進(jìn)行處理，以確保成品質(zhì)量。

2.2.8 管片氣泡防治。

2.2.8.1 盾構(gòu)管片在生產(chǎn)中易出現(xiàn)較多氣泡，易形成滲漏通道，影響管片的耐久性，因而管片氣泡的防治一直是盾構(gòu)管片生產(chǎn)領(lǐng)域的重要課題。

2.2.8.2 本工程盾構(gòu)管片因結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，管片氣泡基本出現(xiàn)在兩側(cè)和端面位置，特別是榫槽、止水槽等位置。管片氣泡產(chǎn)生的因素較多，主要涉及混凝土原材料、配合比設(shè)計(jì)、模具結(jié)構(gòu)、脫模劑、振搗工藝等方面，本文不做贅述。對于管片氣泡防治，除本文中提到的原材料控制及配合比設(shè)計(jì)等方面優(yōu)化外，本工程總結(jié)經(jīng)驗(yàn)如下：

（1）坍落度控制。

混凝土的坍落度反映出混凝土的配合比。對混凝土盾構(gòu)管片，若坍落度較小，在振搗過程中，混凝土將凝固得很快而無法振搗，易形成蜂窩、空洞，本工程將坍落度控制在50～70mm。

（2）模具結(jié)構(gòu)。

本工程盾構(gòu)管片模具端模和側(cè)模采用榫槽設(shè)計(jì)，止水槽和榫槽深度較深，且管片厚度達(dá)400mm，施工實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，該設(shè)計(jì)間接影響氣泡的排出。本工程混凝土在振搗過程中，混凝土中的水分、氣泡集中在模具榫槽處，脫模后就表現(xiàn)為榫孔處氣泡較多。通過與設(shè)計(jì)進(jìn)行技術(shù)溝通，結(jié)合盾構(gòu)隧道管片拼裝情況，對管片結(jié)構(gòu)榫槽進(jìn)行了優(yōu)化，取消了端模榫槽。

（3）振搗工藝。

為有效減少管片側(cè)模氣泡，本工程采用附著式振搗+高頻振搗棒輔助的振搗方式。每塊模具下方分布安裝3個(gè)附著式振搗器，采用自動(dòng)化程序控制振搗的頻率和速度，強(qiáng)振3分鐘以振搗密實(shí)，弱振3分鐘以盡量排出氣泡，同時(shí)施工人員采用附著式振搗棒在側(cè)模位置快插慢拔，確保氣泡從榫槽位置排出。

（4）脫模劑。

脫模劑由于表面張力大，對氣泡的排斥性強(qiáng)，利于氣泡析出或減小。管片脫模一般分為油性和水性脫模劑，大多采用水性脫模劑并摻兌水使用。脫模劑稀釋比例過低，脫模劑對氣泡會(huì)有一定的吸附作用，稀釋比例過高，混凝土?xí)衬?，氣泡吸附于模具?nèi)腔表面，難以排除。

2.2.8.3 本工程通過生產(chǎn)性試驗(yàn)，通過對比不同摻兌水比例對管片表面外觀質(zhì)量、脫模劑粘稠度、脫模效果、氣泡數(shù)量等項(xiàng)目的影響，確定了摻兌比例為1：3，采用該比例施工，管片脫模方便、表面光潔且氣泡少。

2.2.9 管片裂紋分析及防治。

2.2.9.1 本工程盾構(gòu)管片直徑和體積較大、厚度較厚，易產(chǎn)生表面收縮裂紋。通過施工發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)裂紋集中出現(xiàn)在管片外弧面，偶有出現(xiàn)在側(cè)面及榫槽位置，內(nèi)弧面裂紋暫未發(fā)現(xiàn)。

2.2.9.2 通過分析本工程管片裂紋成因，針對裂紋情況，主要采取以下措施有：（1）通過加快高料斗運(yùn)輸速度，以減少混凝土澆筑時(shí)間，降低管片內(nèi)部水化熱引起的內(nèi)外溫差的影響，減少溫度應(yīng)力造成的表面裂紋。（2）細(xì)化管片收水抹面工序，要求收面3～4次，收面完成后及時(shí)覆蓋薄膜進(jìn)行保濕，防止因水分流失造成的管片外弧面干縮裂紋。（3）加強(qiáng)管片蒸養(yǎng)過程控制，該過程是產(chǎn)生裂紋的主要影響因素，控制恒溫溫度為55℃，適當(dāng)降低蒸養(yǎng)溫度，以減少溫差裂紋。（4）采用自動(dòng)化儀表和手持式測溫槍實(shí)時(shí)監(jiān)控管片入池養(yǎng)護(hù)溫度和水養(yǎng)階段溫度，確保7天水養(yǎng)要求，管片出池后進(jìn)行噴淋養(yǎng)護(hù)，減少管片表面龜裂現(xiàn)象。

3. 結(jié)束語

城軌交通鋼筋混凝土襯砌管片生產(chǎn)技術(shù)及質(zhì)量控制需注意生產(chǎn)工藝選擇與過程質(zhì)量控制的緊密銜接，并抓好細(xì)節(jié)控制，尤其加強(qiáng)工藝優(yōu)化和質(zhì)量控制創(chuàng)新。只有嚴(yán)格遵守相關(guān)質(zhì)量管理制度和生產(chǎn)操作規(guī)程，落實(shí)管片生產(chǎn)施工組織和質(zhì)量管理相關(guān)技術(shù)要求，才能確保管片生產(chǎn)質(zhì)量有序受控。

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