時速140Km城市軌道交通大直徑盾構管片生產關鍵技術研究

溫少鵬

【摘 要】隨著大直徑盾構隧道工程建設的蓬勃發展，大直徑盾構管片的生產工藝和質量控制越來越受到各方關注。本文以成都軌道交通18號線工程盾構管片預制為例，分析并研究時速140Km大直徑盾構管片的生產工藝設計和質量控制關鍵技術，旨在指導類似直徑盾構管片的生產施工，提高盾構管片實體質量，并為后期相關工程提供借鑒。

【關鍵詞】大直徑管片；生產技術；工藝設計；質量控制

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號線工程為新機場線，線路全長約61.78Km，共設車站9座，設計時速140公里。全線約60.5 Km，盾構隧道設計采用的1.5m及1.8m幅寬管片共31751環（其中1.5m管片8097環，1.8m管片23654環）。根據施工工程籌劃，管片月高峰需求強度約2000環/月。

1.2 盾構管片主要技術參數。

（1）管片混凝土強度為C50砼，抗滲等級為P12；管片采用錯縫拼裝方式，襯砌環縱、橫縫采用彎螺栓連接。每環襯砌環由7塊管片組成，包括4塊標準塊（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°）。成環后外徑8300mm，內徑7500mm，厚400mm，幅寬1800mm和1500mm。

（2）本工程管片有直線、左轉及右轉三類，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注漿孔兩種型號，并增加了2種切割環管片，共計52種不同型號的盾構管片。

1.3 管片廠產能。

（1）根據管片需求，成都軌道交通18號線計劃由WJ和XJ兩個管片廠進行生產供應，其中WJ管片廠設生產線1條，投入模具8套，進行幅寬1.5m管片生產供應，設計日生產20環；XJ管片廠設生產線2條，投入模具24套，生產供應幅寬1.8m管片，設計日產能60環。

（2）管片廠均由鋼筋加工、混凝土生產、管片生產線、水養護池、管片堆場、鍋爐蒸汽養護等組成。

2. 管片生產關鍵技術

管片生產關鍵技術點主要包括主要工藝設計、生產質量控制兩項。

2.1 工藝設計方面。

目前國內管片廠普遍淘汰了使用地模（固定模具法）進行管片，生產工藝均按自動化流水線生產設計。工藝設計主要包括流水節拍設計、起重設備設計、堆存容量設計、模具設計、鋼筋籠制作設計等參數設計。

2.1.1 流水節拍設計。

工程設計中需重點注意考慮的是流水節拍控制。進行流水節拍設計需考慮各項流水作業所需的時間，以滿足各工序的要求為最小節拍時間，同時需考慮管片生產中靜停、升溫與降溫時間帶來的流水節拍需求，進行整體考慮，一般都先進行作業線節拍設計，然后根據流水線節拍設計，選擇養護線工位，確定靜停、升溫與降溫工序的時間要求。受拆裝榫影響，XJ管片廠每條生產線設計作業線2條，設計流水節拍8min，設計每條作業線工位15個，根據靜停時間、蒸養時間及降溫時間，設計選用3條養護線，每條養護線靜停工位3個，蒸養工位12個，降溫工位3個，共計48個養護工位（不含生產線澆筑后的工位）。

2.1.2 起重設備設計。

起重設備設計除需滿足吊裝尺寸、重量要求外，還需考慮起重機運行速度與起重設備運行工作級別。一般在廠房的起重設備及養護水池起重設備，由于運行頻繁，均采用A5及以上的工作級別。養護水池的門機對大車、小車行走速度及吊鉤的升降速度要求較高，需根據管片生產節拍合理選擇。成都軌道交通18號線管片廠車間內橋機均選擇A6橋機。

2.1.3 堆存容量設計。

管片廠堆存容積需滿足管片堆存發運需求，在設計中還需考慮水養護池7天堆存的要求。由于養護水池進行水養護時，存在倒換水池工藝要求，成都軌道交通管片18號線管片廠均設計了8個養護水池，每個水池容量滿足1天管片生產堆存要求，以滿足水養護7天要求。endprint

2.1.4 模具設計。

模具選型需除按規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。本工程依照國內大直徑管片振動器選擇方式，未采用整體振動臺而采用附著式振搗器進行混凝土澆筑振搗，對模具的開合方式選擇上，由于整體平開模具側面（管片環與環結合面）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行模具側面進行開合，模具端面（管片環與環結合面）一般均采用鉸接方式進行開合。本線管片設計采用的定位榫具有剪力榫功能，實現了二者的功能結合，通過3維運動模擬剪力榫結構的運動，發現無法采用普通鉸接方式實現模具開合，為此，通過將模具鉸接處內移動并在榫處倒角方式，實現側模的開啟、閉合，并使用拆裝方式實現端模開閉。

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程度更高，充分利用了物體重力協助鋼筋就位，降低了工人的體力勞動強度；管片鋼筋籠外弧面精度高；管片鋼筋籠制作中增加了翻轉過程，更有利于對焊接質量的檢查；相應的缺點是內弧面精度沒有正弧式胎膜架高，且吊裝翻轉增加了工序。

2.2 質量控制技術。

（1）成都地區大直徑管片生產施工更無相關經驗和技術參考。通過本線管片生產技術探索和施工經驗積累，加強管片生產過程質量關鍵技術的研究，對于相關盾構管片生產質量有著重要意義。

（2）管片生產質量控制是對各關鍵工序的控制。管片生產流程見下圖1所示。

質量控制關鍵為配合比設計、原材料進場檢測、管片氣泡防治、過程質量控制等，尤其需注意的是管片蒸養、管片振搗和模具精度檢測。

2.2.1 配合比設計。

（1）混凝土的質量對于整個建設工程的質量具有決定性的意義。本線管片混凝土設計要求強度等級C50，抗滲等級P12，可以通過正交設計方法，考慮不同影響因素（見表1），制定多種試驗方案，分析不同方案的試驗結果，確定最優化配合比（試驗方案及結果表見表2）。

（2）通過試驗方案及結果表，結合不同混凝土配合比施工情況，最終決定采用方案P5，坍落度設計要求50～70mm。

2.2.2 原材料進場檢測。

（1）混凝土原材料的好壞和選配是否恰當也直接影響著混凝土工程的質量。混凝土因材料選用不當產生質量缺陷或裂縫，一般認為是因為混凝土材料（包括水泥、粗細骨料）變形受約束所引起的內應力大于材料抗拉強度的緣故。

（2）本工程通過建立原材料進場檢驗制度，堅決落實進場材料從源頭抓起的管理理念。首先所有材料進場必須附帶合格證明，經過材料員初步驗收，再通知試驗人員對原材料進行取樣檢測，最后按照30%的頻率對原材料進行第三方檢測機構送檢，經過三次檢測合格后，方可投入工程使用。對于不合格材料，立即要求退場，并建立不合格臺帳，對其供應商后續進場材料進行加倍檢測。

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，實現高效化、模塊化和規范化，縱向主筋、榫孔處馬蹄型鋼筋、分布筋、箍筋等采用數控鋼筋加工設備施工，且本工程箍筋均在模型框架上進行焊接，將C型彎鉤按照圖示位置焊接在箍筋上以形成箍筋網片。

（2）鋼筋骨架骨架制作在胎模架上制作。本工程用于盾構管片鋼筋骨架制作的胎膜架因無相關施工經驗，技術人員根據管片配筋圖紙并結合施工焊接人員的操作經驗，進行了鋼筋骨架胎膜架的設計和制作，該胎膜架僅適用于外徑8.3米、內徑7.5米、厚度0.4米、幅寬1.8米和1.5米盾構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：安裝和固定箍筋網片→穿裝主筋→安裝附加筋→安裝預埋板（切割環管片）→焊接主筋和箍筋網片→焊接附加筋、預埋鋼板等→焊接完成→檢查焊點質量。

2.2.4 混凝土澆筑振搗質量控制。

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

（2）本工程混凝土生產采用HL240-2S3000強制式攪拌樓，單個雙臥軸強制式攪拌機混凝土生產能力為240 m3/h，即每罐次混凝土產量3m3，遠大于單片最大理論方量2.34 m3；混凝土拌制完成后經高料斗沿軌道運輸至生產線澆筑工位。

（3）施工中嚴格要求混凝土澆筑環節，采用分層下料方式，以連續澆筑成型，澆筑過程中觀察手孔彎管、注漿管等預埋件，如有松動或脫落，經立即更換。振搗方式采用的是附著式振動器，單個模具下方均勻布置有5個附著式振動器。運行維護人員每班前檢查附著式振動器故障情況，確保工作穩定，防止因附著式振動器損壞引起欠振問題，影響管片實體質量。

2.2.5 管片收水抹面。

（1）收水抹面工序質量控制要確保脫模后管片外弧面光滑平整，本工程結合以往施工經驗，對收水抹面工序進行了細節把控。

（2）管片蒸養前需進行收水抹面，收水抹面應該視氣溫及混凝土凝結情況而決定，一般在澆筑后50min左右進行。收水抹面工序主要在管片靜養區實施，本線管片均按4次收水抹面進行，確保混凝土在靜停過程中不會因重力作用而下墜造成管片厚度不勻，靜停結束后進入養護窯進行蒸汽養護。

2.2.6 管片蒸養質量控制。

（1）養護窯嚴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%進行養護，防止裂縫發生。endprint

（2）養護過程需嚴格控制養護時間，根據生產工藝試驗，管片廠設計養護時間為靜停2小時，然后升溫2小時，恒溫2小時，降溫1小時。需要注意的是雖然規范中要求使用真空吸盤的脫模強度可按15MPa控制，但吸盤脫模后即進入管片翻轉環節，對混凝土強度仍然要求高，使其脫模強度達到20MPa以上，避免后續吊裝轉運中造成管片“內傷”。

2.2.7 模具精度檢測與維護。

（1）模具精度直接關系到成品管片的幅寬、厚度等外觀尺寸參數是否合格；在實際施工過程中，要及時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、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象，振搗器損壞會導致漏振發生，合模螺栓松動、邊模刨毛會引起管片尺寸偏差和脫模拉邊、掉邊現象。

（2）對于模具精度，要求每套鋼模具周轉100次必須進行精度檢測，其寬度、弧弦長允許誤差為±0.4mm，內腔高度允許誤差為-1mm～+2mm；同時結合施工實際，開展模具不定期隨機抽檢，發現尺寸超出規范要求后及時進行處理，以確保成品質量。

2.2.8 管片氣泡防治。

2.2.8.1 盾構管片在生產中易出現較多氣泡，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管片生產領域的重要課題。

2.2.8.2 本工程盾構管片因結構特點，管片氣泡基本出現在兩側和端面位置，特別是榫槽、止水槽等位置。管片氣泡產生的因素較多，主要涉及混凝土原材料、配合比設計、模具結構、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計等方面優化外，本工程總結經驗如下：

（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）模具結構。

本工程盾構管片模具端模和側模采用榫槽設計，止水槽和榫槽深度較深，且管片厚度達400mm，施工實踐發現，該設計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，脫模后就表現為榫孔處氣泡較多。通過與設計進行技術溝通，結合盾構隧道管片拼裝情況，對管片結構榫槽進行了優化，取消了端模榫槽。

（3）振搗工藝。

為有效減少管片側模氣泡，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個附著式振搗器，采用自動化程序控制振搗的頻率和速度，強振3分鐘以振搗密實，弱振3分鐘以盡量排出氣泡，同時施工人員采用附著式振搗棒在側模位置快插慢拔，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，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，脫模劑對氣泡會有一定的吸附作用，稀釋比例過高，混凝土會粘膜，氣泡吸附于模具內腔表面，難以排除。

2.2.8.3 本工程通過生產性試驗，通過對比不同摻兌水比例對管片表面外觀質量、脫模劑粘稠度、脫模效果、氣泡數量等項目的影響，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 本工程盾構管片直徑和體積較大、厚度較厚，易產生表面收縮裂紋。通過施工發現，大多數裂紋集中出現在管片外弧面，偶有出現在側面及榫槽位置，內弧面裂紋暫未發現。

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）通過加快高料斗運輸速度，以減少混凝土澆筑時間，降低管片內部水化熱引起的內外溫差的影響，減少溫度應力造成的表面裂紋。（2）細化管片收水抹面工序，要求收面3～4次，收面完成后及時覆蓋薄膜進行保濕，防止因水分流失造成的管片外弧面干縮裂紋。（3）加強管片蒸養過程控制，該過程是產生裂紋的主要影響因素，控制恒溫溫度為55℃，適當降低蒸養溫度，以減少溫差裂紋。（4）采用自動化儀表和手持式測溫槍實時監控管片入池養護溫度和水養階段溫度，確保7天水養要求，管片出池后進行噴淋養護，減少管片表面龜裂現象。

3. 結束語

城軌交通鋼筋混凝土襯砌管片生產技術及質量控制需注意生產工藝選擇與過程質量控制的緊密銜接，并抓好細節控制，尤其加強工藝優化和質量控制創新。只有嚴格遵守相關質量管理制度和生產操作規程，落實管片生產施工組織和質量管理相關技術要求，才能確保管片生產質量有序受控。

參考文獻

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