地鐵混凝土襯砌管片預制環保型自動化生產線與生產工藝研究

摘 要：地鐵混凝土襯砌管片是地鐵盾構施工的重要組成部分，而地鐵建設是城市發展的需要，以及國家和世界提出節能環保的戰略，因此地鐵混凝土襯砌管片的預制也需要從環保入手。本文是在研究既有成熟生產工藝的基礎上，開展側重環保的進一步研究。本文從節能環保型生產線的設計與建造、自動化設備、生產工藝設計、混凝土配合比設計、生產工藝流程與主要工藝要點、管片質量要求與檢驗等方面出發，進行深入論證、研究，研究出一種環保型自動化生產線，它具有占地面積少，效率高，安全風險小，低耗能、低噪音、減少水資源浪費等特點，可引領混凝土制品行業技術向低碳環保方向發展。

關鍵詞：混凝土襯砌管片環保自動化生產工藝

U455.43

1 概述

隨著中國城鎮化進程的不斷發展，城市人口必然越來越多，而城市土地卻越用越少。為緩解城市發展的迫切需要，對城市底下空間的大規模開發已成為必然趨勢。地下鐵道，以它的快速、正點、安全、舒適、大運量、低能耗、小污染的優點越來越為城市居民所青睞，可望成為21世紀城市公共交通的主要工具。城市地鐵建設主要的施工方式是盾構法施工，盾構法施工的重要構成是管片，混凝土襯砌管片的用量巨大。繼北京、上海、廣州等幾個城市建有地鐵之后，昆明、重慶、西安、成都、杭州、無錫、南京等等城市相繼展開地鐵建設，地鐵混凝土襯砌管片的預制工藝相對已經成熟。現今社會對環保越來越重視，社會的方方面面都要求環保節能。

2010年10月，中鐵八局集團橋梁公司中標成都地鐵2號線西延線二期工程7756環管片預制任務。這是橋梁公司首次進入成都地鐵市場，也是公司戰略轉型的關鍵。因此，為適應市場需求，并符合環保低碳技術發展的需要，有必要開展對混凝土襯砌管片環保型預制自動生產線和生產工藝進行研究。

2 主要研究內容

地鐵混凝土襯砌管片生產全過程在封閉保溫的廠房內完成，自動化流水生產線充分利用現有機械技術和微電腦控制、檢測技術，它以工業微電腦處理為中心；流水線根據施工作業流程，通過工業微電腦控制傳動機械設備，傳動機械設備控制模型而流動，人員崗位基本不變動。

2.1 節能環保型生產線設計與建造

環保型自動化管片預制生產線采用負一層結構布局，PLC自動控制系統、干濕熱養護工藝、循環養護池。

（1）環保型生產線布置

根據功能不同，生產線劃分為：鋼筋材料存放區、鋼筋加工區、鋼筋骨架焊接區、鋼筋骨架存放區、流水生產線、水養護池、混凝土攪拌站和管片存放發運區等8個功能區。

生產廠房內分為生產區和水養區兩大部分。生產區為地上、地下上下兩層結構，水養區為8個聯通式深水池。整個生產線立面設計能耗低、用水節約、噪音小、物料垂直運輸少，安全合理，節能環保。其中流水生產線設置在地下室內，包括：澆筑生產線和干濕熱養護線；完成管片混凝土澆筑、養護成型、鋼筋骨架入模、管片出模作業。

（2）節能環保型負一層結構設計

負一層結構即地下室，長76m、寬22m、深3m的地下室結構，采用鋼筋混凝土結構。負一層包含模具運輸線、震動臺、干濕熱養護窯、靜養房以及平移坑道，共5個功能區；含生產運輸線、養護運輸線和2個平移輸送通道。

負一層生產線布置，每個功能區之間銜接緊密，行程短，工序操作和模板行走的時間與流水節拍一致。不僅考慮滿足產品生產的質量、安全、工期要求，同時在能源利用、空間有效發揮、降低噪音上充分設計，切實做到低碳環保、節能降耗。

（3）生產廠房墻體和屋頂均采用夾心保溫棉，透光的窗戶采用中空環保玻璃，整個廠房保溫、隔音。在沒有材料進出的情況下，整個廠房為封閉性的結構體。

（4）地下室修建為鋼筋混凝土結構，具有良好的隔熱減噪作用；實現1天4循環生產，相對傳統機組流水，可節約燃煤能耗30%。

（5）混凝土震動臺設置在負一層，對應的墻體位置采用吸音材料，震動噪音擴散小，減少對外界的干擾。

（6）養護窯設置在負一層，全封閉。墻體采用隔熱材料，封閉隔熱保溫，減少熱量散失，節約能源；其內設置由翅片管散熱器、加濕器和溫濕度傳感器等構成的干濕熱養護系統，且為滿足混凝土養護4個階段要求，隔斷分區為4個腔體，每個腔體內養護系統獨立。

（7）水養池設置在封閉保溫廠房內，保證管片與水溫溫差小。廠房內設置8個水養池，每個水養池存放1天的管片生產產量，滿足7天水養要求的同時再預留1個為周轉池。管片出模后可在周轉池進行12小時的降溫，確保管片與養護水溫差小于15℃后再放水養護。養護池用水為循環用水，即池與池之間通過通聯的水管和水泵實現水的循環使用。

2.2 自動化設備

（1）PLC的自動控制系統

PLC的自動控制系統是在充分利用現有機械技術和微電腦控制、檢測技術，形成的一套系統集成，它以工業微電腦處理為中心。其顯著特點是流水線根據施工作業流程，通過工業微電腦控制傳動機械設備，傳動機械設備控制模型而流動，人員崗位基本不變動。通過運行PLC的自動控制系統，對流水生產線實現全自動控制、自動流水作業。

在PLC 集中控制下，模具在生產線上按設定的節拍沿軌道自動運行，按次序進入生產線和養護線的各工位；實行定人定崗的工序細分，操作工人在規定時間內獨立完成工作；使用PLC 自動溫度控制實施干濕熱養護窯的升溫、恒溫、降溫分段控制，并實時對各養護階段進行溫度控制；在上層服務器和底層PLC 的協調下，完成管片生產溫度條件和現場錄象監控記錄任務，使生產具可追溯性。

（2）干濕熱養護控制系統

由程序軟件、電磁閥、傳感器、翅片管散熱器、加濕器等組成的自動溫濕度養護控制系統，該控制系統軟件集成于PLC自動控制系統內。管片養護的靜養、升溫、恒溫和降溫4個階段，通過程序化、電磁閥、傳感器等自動溫度控制系統實現，整個養護過程自動調節養護溫、濕度。干濕熱養護系統根據養護的4個階段，在養護窯內完成。養護窯根據不同的階段劃分并分隔為不同的區域，完成不同的功能需要，且沒一個養護空間內均有一套獨立的養護系統，養護系統之間相互不干擾，獨立完成養護作業。該系統先在控制程序軟件中輸入設計參數，然后由系統傳感器采集養護環境溫度、濕度，將實際數據反饋回控制程序，對比、分析，再指令加熱電磁閥、補濕電磁閥等運行，實現養護環境達到設計控制參數。通過運行干濕熱養護控制系統，完成管片出模前的養護控制，達到環保節能效果。

干濕熱養護過程參數設置為：靜停（環境溫度30℃±2℃）2h--升溫1h—恒溫（環境溫度45℃±2℃，芯部溫度55℃±2℃）1.5h—降溫1h。升溫速度不超過15℃/h，降溫速度不超過20℃/h；濕度為80%±2%。

（3）混凝土攪拌站

混凝土攪拌站能力的選擇，應充分考慮單體混凝土施工任務量、混凝土施工進度要求（即工期要求、節奏要求）以及混凝土的運輸形式、運輸能力和運輸距離。一般情況下主要用施工混凝土的任務量及其工期兩項參數來選擇攪拌站規格。攪拌站應配備并采用微電腦控制，實現自動化控制，且骨料稱量精度≤2％，水泥、粉料、水及外加劑的稱量精度均達到≤1％。根據單體混凝土的用量、施工進度要求、物料種類以及必要檢測時間，考慮料場及貯料倉。一般情況下水泥等膠凝材料選擇大于3天的用量配置貯料倉，且分類貯存；骨料根據當地的料源供應量情況及施工地氣候環境特征情況，確定料場的大小，一般考慮貯存備料10天左右；所有材料均應分倉貯存、標識清晰，不得混淆。攪拌站安裝的位置在生產線中部，靠近灌注震動工位，減少混凝土運輸距離，節約能耗。

（4）變頻氣動震動臺

采用變頻氣動震動臺，提高震動功效，降低噪音，減少模型變形，延長模型使用壽命。

為了既保證混凝土的震動質量，又降低噪音及減少模具的變形，震動臺處設計主要包括：氣壓式震動器、氣動頂升和夾緊裝置。每座震動臺配置4臺3kW的氣壓式變頻(60-75Hz)震動器，其穩定性高、噪聲小；震動時根據下料的多少，通過變頻調整激震力完成震動工序，震動時間5min，管片混凝土震動質量外實內美。氣動頂升裝置可以將模具與生產線上的軌道脫離，避免由于干擾而降低激振力，同時也降低了震動時模具與頂升架之間的撞擊噪音；夾緊裝置能有效防止模具在震動時不產生移位，震動力更好傳遞，震動效果更好。氣動震動臺的設計，同時也避免了使用傳統液壓升降震動臺漏油污染、震動力不足的弊病。該變頻震動臺的特點在于穩定性高、噪聲小、效率高、低耗能。

（5）混凝土立體交叉運輸系統

攪拌完成的混凝土通過混凝土立體交叉運輸系統輸送到澆筑工位上方，在每套模具鋼筋及配件安裝完畢后，對每塊模具進行混凝土灌注作業。該系統與模具輸送、流水線的流水作業之間相互不干擾，且對位澆筑工位準確，混凝土澆筑速度可控，節約環保。該系統避免了采用吊斗灌注混凝土的缺陷，沒有起吊作業，同時避免了人扶料斗對位慢造成生產節奏難保證的缺陷。該系統集成于中央控制系統內，實現自動運行，不與生產線交叉干擾。

（6）空中翻轉真空吸盤

為了提高出模效率，且有效保護管片，生產線配置、使用GKXP-90-2空中翻轉真空吸盤進行出模作業。此真空吸盤的優點在于出模時吸盤面積大，帶有自動翻轉90度的功能，可有效的保護管片，并可以直接入池立式養護，減少管片翻轉工作，節約工效。

2.3 生產工藝流水設計

（1）流水線生產流程

按流程圖所述，地鐵混凝土襯砌管片預制生產的流水作業過程，閉合、緊湊、合理。

（2）生產工藝流水作業時間設計

流水生產線配置以12套（環）模具，2條澆筑生產線和4條蒸養線為例：自動流水線一共由6根傳輸線、兩條平移通道和兩臺平移小車、固定震動臺和中央控制系統組成；工序流水節拍為5分鐘，一個生產循環總共為360分鐘；每日可完成4個循環作業。

每個循環的時間分配情況如下：脫模、清模；鋼筋入模、合模、安裝預埋件4個工序時間作業為15分鐘，混凝土澆筑震動時間為5分鐘，雙線為40分鐘，靜養預熱區（靜養抹面區）為單線8個工位，每個工位5分鐘，總共40分鐘，雙線為80分鐘，升溫恒溫和降溫為每線12個工位，一共4條線，總共48個工位，每個工位5分鐘，總共時間240分鐘，一個生產循環總共為360分鐘。

2.4 混凝土配合比設計

管片生產既要滿足標準技術要求，同時也要滿足其特殊工藝要求：滿足生產節奏需要，混凝土短期內強度的快速增長，出模強度不低于20MPa；在灌注完成30分鐘內混凝土初凝，以滿足外弧面收面；適應地區的氣候特征，確保任何季節的生產效率保持不變；混凝土的耐久性滿足設計要求。

配合比設計方法采用正交試驗設計方法，需要經過大量試驗及優化驗證、模擬試驗確定其最佳效果。摻加粉煤灰、磨細礦渣等礦物摻合料，做到廢物利用的同時，降低水化熱和混凝土芯部溫度，在短時間內達到最高溫度并實現混凝土脫模強度20MPa要求。混凝土的施工適宜性，減少震動時間，降低電能消耗。

2.5 生產工藝

（1）工藝流程圖如圖2

（2）主要施工工藝

生產工藝與其它型式生產線的預制工藝基本一致。鋼筋采用全自動的鋼筋加工設備進行加工，鋼筋骨架成型采用CO2氣體保護焊，對稱跳點焊接法。生產線使用GKXP-90-2空中翻轉真空吸盤進行管片出模作業。模具必須清理干凈徹底，隔離劑均勻涂刷。安裝模板按先端頭、后側模板的順序組合。混凝土拌合配備HZS120型攪拌站。混凝土連續下料灌注，采用氣動震動臺震動，邊下料邊震動；全過程可通過可視系統實時監控。管片在澆筑完成后，必須經過3次由粗到精的抹面，達到該項工藝要求。生產線采用干濕熱養護工藝，在出模后進行7天水養。管片采用立放方式進行存放和轉運。管片劃區域、按標段存放，實行單元格管理。管片發運采用汽車平放配環發運。

3 研究結論

地鐵混凝土襯砌管片生產廠房采用負一層布置結構，混凝土澆筑成型及干濕熱養護均在地下室內完成，保溫節能、噪音低。微電腦程序、集成自動化控制技術應用在廠房基礎建設、模型載體的傳動、模型工裝、現場質量監督控制等方面，實現生產流水與養護自動控制，節能環保、效率高。聯通式深水池，循環用水，滿足管片水養并節約能源。

混凝土襯砌管片采用自動流水線生產，質量可控、可靠，生產節奏快。生產線布置采用負一層——地下室設計、循環水養池，與傳統機組流水生產線相比，布局合理，減少占地面積，節能降噪，減少水資源消耗，實現一天4循環的工效，效率高，達到環保目的。混凝土襯砌管片采用高精度模板生產，質量優良，配環精度高；采用優化配合比設計、鋼筋加工、干濕熱養護等關鍵技術措施，保證了混凝土管片產品質量；環保節能生產線和生產工藝經得住檢驗，能有效確保地鐵工程質量，為城市地鐵長期安全運行提供有力保障。該環保型自動化生產線與生產工藝達到國內領先水平，符合中國地鐵高速發展的國情，能有效促進混凝土襯砌管片生產及類似產品預制技術向低碳環保技術方向發展。

參考文獻

[1] 《預制混凝土襯砌管片》標準.

[2] 《預制混凝土襯砌管片生產工藝技術規程》標準.

[3] 《盾構法隧道施工與驗收規范》標準.

作者簡介：米驥德，出生于1965年05月，大學本科，高級工程師。