地鐵混凝土襯砌管片預制環(huán)保型自動化生產(chǎn)線與生產(chǎn)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(fā)展的需要，以及國家和世界提出節(jié)能環(huán)保的戰(zhàn)略，因此地鐵混凝土襯砌管片的預制也需要從環(huán)保入手。本文是在研究既有成熟生產(chǎn)工藝的基礎上，開展側重環(huán)保的進一步研究。本文從節(jié)能環(huán)保型生產(chǎn)線的設計與建造、自動化設備、生產(chǎn)工藝設計、混凝土配合比設計、生產(chǎn)工藝流程與主要工藝要點、管片質(zhì)量要求與檢驗等方面出發(fā)，進行深入論證、研究，研究出一種環(huán)保型自動化生產(chǎn)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(yè)技術向低碳環(huán)保方向發(fā)展。

關鍵詞：混凝土襯砌管片環(huán)保自動化生產(chǎn)工藝

U455.43

1 概述

隨著中國城鎮(zhèn)化進程的不斷發(fā)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(fā)展的迫切需要，對城市底下空間的大規(guī)模開發(fā)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(yōu)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(jīng)成熟?，F(xiàn)今社會對環(huán)保越來越重視，社會的方方面面都要求環(huán)保節(jié)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(huán)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(zhàn)略轉型的關鍵。因此，為適應市場需求，并符合環(huán)保低碳技術發(fā)展的需要，有必要開展對混凝土襯砌管片環(huán)保型預制自動生產(chǎn)線和生產(chǎn)工藝進行研究。

2 主要研究內(nèi)容

地鐵混凝土襯砌管片生產(chǎn)全過程在封閉保溫的廠房內(nèi)完成，自動化流水生產(chǎn)線充分利用現(xiàn)有機械技術和微電腦控制、檢測技術，它以工業(yè)微電腦處理為中心；流水線根據(jù)施工作業(yè)流程，通過工業(yè)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(jié)能環(huán)保型生產(chǎn)線設計與建造

環(huán)保型自動化管片預制生產(chǎn)線采用負一層結構布局，PLC自動控制系統(tǒng)、干濕熱養(yǎng)護工藝、循環(huán)養(yǎng)護池。

（1）環(huán)保型生產(chǎn)線布置

根據(jù)功能不同，生產(chǎn)線劃分為：鋼筋材料存放區(qū)、鋼筋加工區(qū)、鋼筋骨架焊接區(qū)、鋼筋骨架存放區(qū)、流水生產(chǎn)線、水養(yǎng)護池、混凝土攪拌站和管片存放發(fā)運區(qū)等8個功能區(qū)。

生產(chǎn)廠房內(nèi)分為生產(chǎn)區(qū)和水養(yǎng)區(qū)兩大部分。生產(chǎn)區(qū)為地上、地下上下兩層結構，水養(yǎng)區(qū)為8個聯(lián)通式深水池。整個生產(chǎn)線立面設計能耗低、用水節(jié)約、噪音小、物料垂直運輸少，安全合理，節(jié)能環(huán)保。其中流水生產(chǎn)線設置在地下室內(nèi)，包括：澆筑生產(chǎn)線和干濕熱養(yǎng)護線；完成管片混凝土澆筑、養(yǎng)護成型、鋼筋骨架入模、管片出模作業(yè)。

（2）節(jié)能環(huán)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(yǎng)護窯、靜養(yǎng)房以及平移坑道，共5個功能區(qū)；含生產(chǎn)運輸線、養(yǎng)護運輸線和2個平移輸送通道。

負一層生產(chǎn)線布置，每個功能區(qū)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(jié)拍一致。不僅考慮滿足產(chǎn)品生產(chǎn)的質(zhì)量、安全、工期要求，同時在能源利用、空間有效發(fā)揮、降低噪音上充分設計，切實做到低碳環(huán)保、節(jié)能降耗。

（3）生產(chǎn)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(huán)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(xiàn)1天4循環(huán)生產(chǎn)，相對傳統(tǒng)機組流水，可節(jié)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(yǎng)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(jié)約能源；其內(nèi)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(yǎng)護系統(tǒng)，且為滿足混凝土養(yǎng)護4個階段要求，隔斷分區(qū)為4個腔體，每個腔體內(nèi)養(yǎng)護系統(tǒng)獨立。

（7）水養(yǎng)池設置在封閉保溫廠房內(nèi)，保證管片與水溫溫差小。廠房內(nèi)設置8個水養(yǎng)池，每個水養(yǎng)池存放1天的管片生產(chǎn)產(chǎn)量，滿足7天水養(yǎng)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(yǎng)護水溫差小于15℃后再放水養(yǎng)護。養(yǎng)護池用水為循環(huán)用水，即池與池之間通過通聯(lián)的水管和水泵實現(xiàn)水的循環(huán)使用。

2.2 自動化設備

（1）PLC的自動控制系統(tǒng)

PLC的自動控制系統(tǒng)是在充分利用現(xiàn)有機械技術和微電腦控制、檢測技術，形成的一套系統(tǒng)集成，它以工業(yè)微電腦處理為中心。其顯著特點是流水線根據(jù)施工作業(yè)流程，通過工業(yè)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(tǒng)，對流水生產(chǎn)線實現(xiàn)全自動控制、自動流水作業(yè)。

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

（2）干濕熱養(yǎng)護控制系統(tǒng)

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(yǎng)護控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)軟件集成于PLC自動控制系統(tǒng)內(nèi)。管片養(yǎng)護的靜養(yǎng)、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(tǒng)實現(xiàn)，整個養(yǎng)護過程自動調(diào)節(jié)養(yǎng)護溫、濕度。干濕熱養(yǎng)護系統(tǒng)根據(jù)養(yǎng)護的4個階段，在養(yǎng)護窯內(nèi)完成。養(yǎng)護窯根據(jù)不同的階段劃分并分隔為不同的區(qū)域，完成不同的功能需要，且沒一個養(yǎng)護空間內(nèi)均有一套獨立的養(yǎng)護系統(tǒng)，養(yǎng)護系統(tǒng)之間相互不干擾，獨立完成養(yǎng)護作業(yè)。該系統(tǒng)先在控制程序軟件中輸入設計參數(shù)，然后由系統(tǒng)傳感器采集養(yǎng)護環(huán)境溫度、濕度，將實際數(shù)據(jù)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(xiàn)養(yǎng)護環(huán)境達到設計控制參數(shù)。通過運行干濕熱養(yǎng)護控制系統(tǒng)，完成管片出模前的養(yǎng)護控制，達到環(huán)保節(jié)能效果。

干濕熱養(yǎng)護過程參數(shù)設置為：靜停（環(huán)境溫度30℃±2℃）2h--升溫1h—恒溫（環(huán)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(jié)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(shù)來選擇攪拌站規(guī)格。攪拌站應配備并采用微電腦控制，實現(xiàn)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(jù)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(jù)當?shù)氐牧显垂壳闆r及施工地氣候環(huán)境特征情況，確定料場的大小，一般考慮貯存?zhèn)淞?0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(chǎn)線中部，靠近灌注震動工位，減少混凝土運輸距離，節(jié)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(zhì)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(wěn)定性高、噪聲??；震動時根據(jù)下料的多少，通過變頻調(diào)整激震力完成震動工序，震動時間5min，管片混凝土震動質(zhì)量外實內(nèi)美。氣動頂升裝置可以將模具與生產(chǎn)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(chǎn)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(tǒng)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(wěn)定性高、噪聲小、效率高、低耗能。

（5）混凝土立體交叉運輸系統(tǒng)

攪拌完成的混凝土通過混凝土立體交叉運輸系統(tǒng)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(yè)。該系統(tǒng)與模具輸送、流水線的流水作業(yè)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(jié)約環(huán)保。該系統(tǒng)避免了采用吊斗灌注混凝土的缺陷，沒有起吊作業(yè)，同時避免了人扶料斗對位慢造成生產(chǎn)節(jié)奏難保證的缺陷。該系統(tǒng)集成于中央控制系統(tǒng)內(nèi)，實現(xiàn)自動運行，不與生產(chǎn)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(chǎn)線配置、使用GKXP-90-2空中翻轉真空吸盤進行出模作業(yè)。此真空吸盤的優(yōu)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(yǎng)護，減少管片翻轉工作，節(jié)約工效。

2.3 生產(chǎn)工藝流水設計

（1）流水線生產(chǎn)流程

按流程圖所述，地鐵混凝土襯砌管片預制生產(chǎn)的流水作業(yè)過程，閉合、緊湊、合理。

（2）生產(chǎn)工藝流水作業(yè)時間設計

流水生產(chǎn)線配置以12套（環(huán)）模具，2條澆筑生產(chǎn)線和4條蒸養(yǎng)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(tǒng)組成；工序流水節(jié)拍為5分鐘，一個生產(chǎn)循環(huán)總共為360分鐘；每日可完成4個循環(huán)作業(yè)。

每個循環(huán)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(yè)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(yǎng)預熱區(qū)（靜養(yǎng)抹面區(qū)）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(chǎn)循環(huán)總共為360分鐘。

2.4 混凝土配合比設計

管片生產(chǎn)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(chǎn)節(jié)奏需要，混凝土短期內(nèi)強度的快速增長，出模強度不低于20MPa；在灌注完成30分鐘內(nèi)混凝土初凝，以滿足外弧面收面；適應地區(qū)的氣候特征，確保任何季節(jié)的生產(chǎn)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(jīng)過大量試驗及優(yōu)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(nèi)達到最高溫度并實現(xiàn)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(chǎn)工藝

（1）工藝流程圖如圖2

（2）主要施工工藝

生產(chǎn)工藝與其它型式生產(chǎn)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(chǎn)線使用GKXP-90-2空中翻轉真空吸盤進行管片出模作業(yè)。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?；炷涟韬吓鋫銱ZS120型攪拌站?；炷吝B續(xù)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(tǒng)實時監(jiān)控。管片在澆筑完成后，必須經(jīng)過3次由粗到精的抹面，達到該項工藝要求。生產(chǎn)線采用干濕熱養(yǎng)護工藝，在出模后進行7天水養(yǎng)。管片采用立放方式進行存放和轉運。管片劃區(qū)域、按標段存放，實行單元格管理。管片發(fā)運采用汽車平放配環(huán)發(fā)運。

3 研究結論

地鐵混凝土襯砌管片生產(chǎn)廠房采用負一層布置結構，混凝土澆筑成型及干濕熱養(yǎng)護均在地下室內(nèi)完成，保溫節(jié)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(xiàn)場質(zhì)量監(jiān)督控制等方面，實現(xiàn)生產(chǎn)流水與養(yǎng)護自動控制，節(jié)能環(huán)保、效率高。聯(lián)通式深水池，循環(huán)用水，滿足管片水養(yǎng)并節(jié)約能源。

混凝土襯砌管片采用自動流水線生產(chǎn)，質(zhì)量可控、可靠，生產(chǎn)節(jié)奏快。生產(chǎn)線布置采用負一層——地下室設計、循環(huán)水養(yǎng)池，與傳統(tǒng)機組流水生產(chǎn)線相比，布局合理，減少占地面積，節(jié)能降噪，減少水資源消耗，實現(xiàn)一天4循環(huán)的工效，效率高，達到環(huán)保目的?；炷烈r砌管片采用高精度模板生產(chǎn)，質(zhì)量優(yōu)良，配環(huán)精度高；采用優(yōu)化配合比設計、鋼筋加工、干濕熱養(yǎng)護等關鍵技術措施，保證了混凝土管片產(chǎn)品質(zhì)量；環(huán)保節(jié)能生產(chǎn)線和生產(chǎn)工藝經(jīng)得住檢驗，能有效確保地鐵工程質(zhì)量，為城市地鐵長期安全運行提供有力保障。該環(huán)保型自動化生產(chǎn)線與生產(chǎn)工藝達到國內(nèi)領先水平，符合中國地鐵高速發(fā)展的國情，能有效促進混凝土襯砌管片生產(chǎn)及類似產(chǎn)品預制技術向低碳環(huán)保技術方向發(fā)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(chǎn)工藝技術規(guī)程》標準.

[3] 《盾構法隧道施工與驗收規(guī)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。