天津地鐵盾構(gòu)預(yù)制管片機(jī)械化流水生產(chǎn)技術(shù)

郭振超

（中鐵十八局集團(tuán)第四工程有限公司，天津 300350）

本工程為天津地鐵5號線B包盾構(gòu)管片制作，生產(chǎn)任務(wù)為11524環(huán)，其中1.5m環(huán)寬9937環(huán)，1.2m環(huán)寬1587環(huán)，管片外徑為6.2m、內(nèi)徑5.5m、寬度1.2m或1.5m、厚度0.35m，管片為C50鋼筋混凝土管片，抗?jié)B等級為P10。由1塊封頂塊，2塊鄰接塊，3塊標(biāo)準(zhǔn)塊組成。

管片成品符合設(shè)計(jì)文件要求：GB50204-2002《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》、JGJ18-2003《鋼筋焊接及驗(yàn)收規(guī)程》、GBJ107-87《混凝土強(qiáng)度檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)》、DGJ08-233-1999《盾構(gòu)法隧道工程施工及驗(yàn)收規(guī)程》、GB502099-1999《地下鐵道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》等，確保地鐵管片成片符合買方要求。

地鐵管片為C50鋼筋混凝土管片，設(shè)計(jì)抗?jié)B等級為P10，蒸養(yǎng)后的起吊強(qiáng)度達(dá)到22.5MPa，要求混凝土殘余變形小，表面無裂縫。機(jī)械化流水線生產(chǎn)工藝對混凝土的工作性各項(xiàng)指標(biāo)要求很高，振搗時(shí)混凝土易振實(shí)、氣泡易排出、不粘易收光等。且工期時(shí)間緊，管片型號繁多，盾構(gòu)管片生產(chǎn)中的一大難題就是地下盾構(gòu)存在許多不確定性。機(jī)械化自動(dòng)生產(chǎn)線對設(shè)備的要求比較高，任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都會(huì)造成整個(gè)生產(chǎn)線的停滯，從而影響生產(chǎn)，所以和生產(chǎn)線相匹配的廠房要布局合理，物流暢通，原材料供應(yīng)、鋼筋籠庫存合理；設(shè)備維護(hù)及時(shí)，備件齊全。

1 廠區(qū)規(guī)劃

廠區(qū)面積53334m2（80畝），分為3個(gè)區(qū)：管片生產(chǎn)區(qū)13000m2（車間9173m2），管片拼裝及存放區(qū)30000m2，辦公生活區(qū)4000m2。管片生產(chǎn)區(qū)的車間內(nèi)有鋼筋加工區(qū)、焊接區(qū)、混凝土澆筑蒸養(yǎng)區(qū)、水養(yǎng)池等。廠區(qū)內(nèi)生產(chǎn)用蒸汽管線、生產(chǎn)生活用給水、排水、暖氣、供電線路設(shè)計(jì)均按正規(guī)廠區(qū)敷設(shè)。

1.1 生產(chǎn)車間及鋼筋加工車間

車間分南北兩跨車間，總面積為9173m2（南跨的鋼筋加工焊接車間長167.2m，寬29.3m，面積4899m2，北跨的管片生產(chǎn)車間車間長158.3m，寬27m，面積為4274m2）。

鋼筋加工焊接車間同管片生產(chǎn)車間相連，由鋼筋堆放區(qū)、鋼筋加工區(qū)、半成品堆放區(qū)、鋼筋籠焊接區(qū)、成品鋼筋籠堆放區(qū)等組成。鋼筋存放時(shí)用鋼管及鋼筋制作的臺(tái)架放置，離地30cm高。南跨鋼筋加工、焊接車間的西端布置為鋼筋原材料存放區(qū)，中間布置為鋼筋加工區(qū)，南跨鋼筋加工車間東面和北跨車間東面養(yǎng)護(hù)窯頂部布置鋼筋骨架焊接區(qū)、鋼筋骨架堆放區(qū)。

1.2 粗、細(xì)骨料場

粗、細(xì)骨料倉全部硬化處理，分倉堆放粗骨料、細(xì)骨料。粗骨料、細(xì)骨料料倉下部為3m混凝土隔墻，上部為8m鋼結(jié)構(gòu)頂棚、彩鋼板封閉四周，防止雨雪及雜物污染骨料。圍墻外設(shè)置排水溝，就近將雨水排入下水管網(wǎng)，砂料倉可存料1200m3，石料倉可存料1800m3，能滿足1周管片生產(chǎn)量物資儲(chǔ)備。粗骨料料倉內(nèi)設(shè)有清洗設(shè)備，對石子進(jìn)行清洗。

1.3 管片存放區(qū)

管片存放區(qū)總占地30000m2，可存放5500環(huán)管片。龍門起重機(jī)作業(yè)范圍內(nèi)存放區(qū)22375m2，管片存放區(qū)布置3臺(tái)龍門起重機(jī)跨度均為34m，外懸臂9.7m，龍門起重機(jī)有效寬度53.4m（管片存放一區(qū)長195m，管片存放二區(qū)長224m，寬均為53.4m），龍門起重機(jī)作業(yè)范圍外使用汽車起重機(jī)作業(yè)管片存放區(qū)7625m2。場內(nèi)修建管片運(yùn)輸?shù)缆?，并配?臺(tái)龍門起重機(jī)和1臺(tái)汽車起重機(jī)可覆蓋整個(gè)堆場，便于管片的裝卸和轉(zhuǎn)運(yùn)。

2 機(jī)械化自動(dòng)流水線和傳統(tǒng)生產(chǎn)模式對比分析

（1）利用機(jī)械化自動(dòng)化控制技術(shù)保證流水線工藝順利實(shí)施。在計(jì)算機(jī)智能集中控制下，模具在循環(huán)流水生產(chǎn)線上按設(shè)定的節(jié)拍（6～8min一拍）自動(dòng)運(yùn)行；施工人員實(shí)行定人定崗的工序細(xì)分。通過計(jì)算機(jī)智能控制靜養(yǎng)區(qū)和蒸汽室的溫度以及濕度等養(yǎng)護(hù)條件，使混凝土管片生產(chǎn)的條件趨于一致，提高了管片的質(zhì)量及穩(wěn)定性。勞動(dòng)強(qiáng)度降低，效率提高，工人積極性更高，更容易管理。

（2）生產(chǎn)方式比較。傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式每天每套模具只能生產(chǎn)1～2次，且產(chǎn)量相當(dāng)?shù)汀Ｓ捎趶S房面積大，照明和蒸養(yǎng)費(fèi)用分?jǐn)偤芨?。另外行吊要在整個(gè)車間運(yùn)行，平均每片運(yùn)行距離大于100m；開合模工位采用人工操作，鋼筋骨架用行吊由鋼筋加工區(qū)吊入澆筑區(qū)再送至模具里；蒸汽養(yǎng)護(hù)在單個(gè)蒸養(yǎng)罩內(nèi)，人工控溫。上述原因造成管片生產(chǎn)成本大，質(zhì)量不穩(wěn)定。

管片流水線生產(chǎn)方式最多每天每套模具能生產(chǎn)3～4次，且產(chǎn)量翻倍。由于生產(chǎn)區(qū)的面積大幅度縮小，照明和蒸養(yǎng)費(fèi)用只有傳統(tǒng)方式的1/4；另外行吊只需要運(yùn)行于開模、合模工位處和管片降溫區(qū)，平均每片運(yùn)行距離小于50m；開合模工位采用空氣扳手作業(yè)方便快捷；鋼筋骨架由輸送架傳送至入模工位；蒸養(yǎng)護(hù)室共分成升溫區(qū)、恒溫區(qū)、降溫區(qū)，每個(gè)溫控區(qū)之間由隔溫裝置隔開，溫度由電腦自動(dòng)控制。該生產(chǎn)線生產(chǎn)管片成本僅為傳統(tǒng)生產(chǎn)方式的75%，且管片質(zhì)量穩(wěn)定。

3 盾構(gòu)管片機(jī)械化流水線設(shè)計(jì)原理介紹

機(jī)械自動(dòng)化生產(chǎn)線是模具在生產(chǎn)線上有規(guī)律的按著一定節(jié)拍行走，操作工人站在固定的工位上完成本工序的操作，完成一個(gè)等待下一個(gè)。混凝土的澆筑及振搗固定在生產(chǎn)線的某個(gè)位置上。澆筑室的上方是混凝土料斗，攪拌好的混凝土直接輸送至料斗中，等待澆筑，抹面后進(jìn)入養(yǎng)護(hù)窯蒸養(yǎng)。不管是固定式生產(chǎn)還是流水線生成都需要相同的工序，各生產(chǎn)工序流程圖如圖1。

圖1 管片生產(chǎn)工序示意圖

由于在管片制作過程中，有3個(gè)時(shí)間是必須保證的，一是管片澆筑后的靜停時(shí)間根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)要1～2h，二是蒸養(yǎng)時(shí)間一般不少于4h，三是混凝土攪拌時(shí)間每盤最快也要5min。這樣就確定了生產(chǎn)節(jié)拍是5min，也就是說生產(chǎn)線在正常生產(chǎn)的時(shí)候要每5min就要澆筑一個(gè)模具。也就是說澆筑線必需保證在5～6min內(nèi)完成一座模具的入窯準(zhǔn)備，66座模具在6h內(nèi)完成一次循環(huán)、在環(huán)境溫度允許的情況下完成每天3翻的生產(chǎn)要求。

流水線的運(yùn)行過程：流水線可采用的順時(shí)針或逆時(shí)針的循環(huán)方式，兩側(cè)擺渡車同時(shí)運(yùn)行到蒸養(yǎng)線，兩側(cè)蒸養(yǎng)窯門開啟后，左側(cè)擺渡車推進(jìn)器將一座靜養(yǎng)后的模具推入蒸養(yǎng)窯并將蒸養(yǎng)完畢的模具推出；擺渡車運(yùn)行到澆筑線，利用右側(cè)擺渡的推進(jìn)器將模具送入澆筑線的同時(shí)，將靜養(yǎng)完成后的模具推入到左側(cè)的擺渡車上；擺渡車再交替運(yùn)行到3或4條蒸養(yǎng)線將模具推入蒸養(yǎng)窯。通過以上的方式完成模具的周而復(fù)始的循環(huán)。

澆筑線的運(yùn)行過程：通過推進(jìn)器和平移小車的傳遞完成工位的交替，在澆筑線從左到右需完成管片脫模、模具清理、放鋼筋籠、放置預(yù)埋件、混凝土澆筑、混凝土靜養(yǎng)等工序。其平面布置圖如圖2所示。

圖2 流水線平面布置圖

4 盾構(gòu)管片流水線的各子系統(tǒng)配置及詳細(xì)說明

自動(dòng)化生產(chǎn)線上主要由控制系統(tǒng)、生產(chǎn)線、養(yǎng)護(hù)線、推進(jìn)系統(tǒng)、擺渡小車、混凝土的澆筑振搗系統(tǒng)、養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)和混凝土周轉(zhuǎn)系統(tǒng)組成。

4.1 控制系統(tǒng)

自動(dòng)化生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)非常關(guān)鍵，它是整條線的大腦，生產(chǎn)線上的所有動(dòng)作指令都是由控制系統(tǒng)發(fā)出的?？刂葡到y(tǒng)是由電腦軟件通過PLC控制各個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，由驅(qū)動(dòng)電機(jī)來完成相應(yīng)的動(dòng)作，其中包括：擺渡車前后行走、模具移動(dòng)、養(yǎng)護(hù)窯門的升降、振動(dòng)臺(tái)頂升和下降、模具夾緊和松開等一系列動(dòng)作。當(dāng)各個(gè)動(dòng)作到位后都有相應(yīng)的傳感器或接近開關(guān)把動(dòng)作情況反饋給PLC，PLC做出判斷后就會(huì)做出下一個(gè)動(dòng)作。

PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)由S7-200CN和KTP178 micro觸摸屏組成，通過USS協(xié)議控制2臺(tái)西門子M440變頻器（2.2kW）對擺渡車橫向移動(dòng)交流電機(jī)的速度進(jìn)行控制。該系統(tǒng)還需控制兩部擺渡車的在各條線的運(yùn)行位置及精確定位、擺渡車的推進(jìn)器的推進(jìn)和收回、蒸養(yǎng)窯門的開啟和關(guān)閉、澆筑3線的運(yùn)行狀態(tài)的反饋信號處理等方面。

HMI控制界面需顯示運(yùn)行狀態(tài)的動(dòng)態(tài)演示、澆筑線和蒸養(yǎng)線的標(biāo)識、各種反饋信號的顯示、日歷、每天管片生產(chǎn)的數(shù)量且可以清零、生產(chǎn)間隔時(shí)間顯示等。主控室及控制臺(tái)如圖3所示。

圖3 主控室及控制臺(tái)（中部HMI兩側(cè)為監(jiān)控）

監(jiān)控系統(tǒng)：分別在兩側(cè)擺渡車、澆筑工位、整條流水線處安裝監(jiān)控探頭，共計(jì)4部，便于主控人員實(shí)時(shí)了解生產(chǎn)狀態(tài)，并可將信息進(jìn)行為期1個(gè)月的存儲(chǔ)，以供管理人員調(diào)用。

溫度控制系統(tǒng)：蒸養(yǎng)室溫度由PID自動(dòng)調(diào)節(jié)，并通過溫度傳感器、電磁閥控制蒸養(yǎng)窯內(nèi)每個(gè)區(qū)間的蒸氣通氣量。觸摸屏可以實(shí)時(shí)顯示蒸養(yǎng)室的溫度曲線及設(shè)定參數(shù)。

模具類型智能識別系統(tǒng)：本系統(tǒng)自動(dòng)可識別模具編碼，并將編碼內(nèi)容進(jìn)行生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫管理，數(shù)據(jù)庫可輸入產(chǎn)品編號、產(chǎn)品用戶和工地名稱等，并將各數(shù)據(jù)自動(dòng)編制、打印出生產(chǎn)報(bào)表。

4.2 推進(jìn)系統(tǒng)

為了保證推進(jìn)系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性，我公司開發(fā)管片流水線推進(jìn)系統(tǒng)全部采用機(jī)械式傳動(dòng)和推進(jìn)。

推進(jìn)系統(tǒng)主要包括：澆筑線模具的整體推進(jìn)和蒸養(yǎng)線模具的依次入蒸養(yǎng)窯。澆筑線推進(jìn)系統(tǒng)在模具的下方通長鋪設(shè)推進(jìn)裝置，每個(gè)模具設(shè)置1個(gè)推點(diǎn)以保證模具的中心距離控制在5m，為模具的端模操作預(yù)留0.8m的空間。澆筑線推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)置在入窯口的位置上，保證模具依次進(jìn)入蒸養(yǎng)窯，入窯后模具的運(yùn)動(dòng)依靠模具之間的傳遞實(shí)現(xiàn)。

推進(jìn)系統(tǒng)工作流程說明：推進(jìn)系統(tǒng)的每個(gè)運(yùn)行動(dòng)作全部由PLC控制，在接到PLC的推進(jìn)指令后，電機(jī)通過減速機(jī)驅(qū)動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)開始運(yùn)動(dòng)到達(dá)指定位置并觸動(dòng)限位開關(guān)后，PLC發(fā)出退回指令，推進(jìn)裝置返回初始位置。

推進(jìn)系統(tǒng)的安全措施：在澆筑線和蒸養(yǎng)線窯口位置，為了防止模具的慣性竄動(dòng)，在模具制定位置上設(shè)置有彈性限位裝置。限位開關(guān)等關(guān)鍵控制點(diǎn)用冗余設(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠性（如圖4所示）。

圖4 推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

4.3 擺渡車

擺渡車是把模具從澆筑線運(yùn)送到蒸養(yǎng)線線和從蒸養(yǎng)線運(yùn)送到澆筑線的轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備。每條線的模具在動(dòng)作之前擺渡車都要在這條線的兩端。因?yàn)?，一座模具在其中的一個(gè)擺渡車上向前推出，另一個(gè)擺渡車就必須在這條線的另一端接住前面的模具，擺渡車把等待養(yǎng)護(hù)的管片運(yùn)送到養(yǎng)護(hù)窯養(yǎng)護(hù)，把養(yǎng)護(hù)好的管片運(yùn)送到生產(chǎn)線脫模，這樣就形成了循環(huán)。擺渡車的每一個(gè)運(yùn)行動(dòng)作全部由PLC控制，并利用接近開關(guān)和光電開關(guān)進(jìn)行精確定位（如圖5所示）。

圖5 擺渡車結(jié)構(gòu)示意圖

4.4 混凝土的澆筑振搗系統(tǒng)

澆筑系統(tǒng)是用來完成管片澆筑成型的組成單元。主要包括封閉式澆筑室、澆筑控制臺(tái)、托舉臺(tái)、混凝土料斗、自動(dòng)門、液壓系統(tǒng)、附著式振動(dòng)器氣路快接裝置等結(jié)構(gòu)。

混凝土澆筑振搗系統(tǒng)工作流程為：首先在PLC的控制下模具被推進(jìn)系統(tǒng)推到澆筑室固定位置后，通過操控液壓開關(guān)將模具與托舉臺(tái)夾緊并將托舉臺(tái)頂起，托舉指示燈亮起后操作人員進(jìn)入澆筑室將附著式的氣路接通，退出澆筑室關(guān)閉自動(dòng)門后混凝土料斗下料并進(jìn)行振搗。澆筑完成后依次完成關(guān)閉混凝土料斗、關(guān)閉振動(dòng)器、打開自動(dòng)門、放下托舉臺(tái)、進(jìn)入澆筑室分離氣路接頭、給PLC發(fā)送澆筑完成信號，準(zhǔn)備下一座模具混凝土澆筑（如圖6所示）。

4.5 養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)

養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)是由熱源、溫度傳感器、溫度控制器組成。管片養(yǎng)護(hù)的溫度要求相對比較嚴(yán)格，升溫速度不超過15℃/h，降溫速度不超過20℃/h。管片養(yǎng)護(hù)分預(yù)養(yǎng)（與靜停同時(shí)進(jìn)行）、升溫、恒溫、降溫4個(gè)過程。每個(gè)區(qū)域都在溫度控制器上設(shè)定好溫度范圍，溫度控制器會(huì)根據(jù)傳感器反饋回來的溫度自動(dòng)控制各個(gè)區(qū)域的溫度，來保證管片的蒸養(yǎng)條件。

圖6 混凝土澆筑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

4.6 混凝土周轉(zhuǎn)系統(tǒng)

混凝土周轉(zhuǎn)系統(tǒng)包括：主體結(jié)構(gòu)框架、軌道、周轉(zhuǎn)料斗、行走機(jī)構(gòu)、液壓機(jī)構(gòu)、進(jìn)出攪拌站自動(dòng)門。實(shí)現(xiàn)功能：將混凝土從攪拌站運(yùn)送到固定澆筑口，提供混凝土周轉(zhuǎn)效率降低運(yùn)輸費(fèi)用。主體框架需具備足夠的強(qiáng)度以滿足周轉(zhuǎn)料斗的安全運(yùn)行；周轉(zhuǎn)料斗設(shè)置有行走機(jī)構(gòu)和液壓機(jī)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)料斗行走和放料口的開合，側(cè)面安裝電動(dòng)振動(dòng)器以便于混凝土的流動(dòng)。周轉(zhuǎn)料斗的運(yùn)動(dòng)及定位采用傳感器和繼電器半自動(dòng)控制，放料口的開合采用手工控制，進(jìn)出攪拌站自動(dòng)門的開合采用PLC自動(dòng)控制。

5 結(jié)束語

通過對廠區(qū)合理布置、設(shè)備優(yōu)化配置，對流水線的不斷完善，優(yōu)化后的管片流水生產(chǎn)擴(kuò)大到鋼筋加工、焊接、澆筑、養(yǎng)護(hù)每個(gè)環(huán)節(jié)，管片生產(chǎn)采用機(jī)械化流水生產(chǎn)技術(shù)，施工快捷，使用機(jī)具設(shè)備配套，可操作性強(qiáng)。由于堅(jiān)持方案先行，大膽創(chuàng)新，積極采用新技術(shù)、新工藝極大的提高了生產(chǎn)質(zhì)量。模板及行吊能高效重復(fù)利用，各步工序銜接緊湊，可節(jié)省勞動(dòng)力，節(jié)約費(fèi)用，降低造價(jià)。利用混凝土自動(dòng)送料線減少混凝土坍落度損耗，起到節(jié)能降耗的目的。與傳統(tǒng)的固定模具人工振搗比較，盾構(gòu)管片自動(dòng)化流水線施工更加高效、環(huán)保、節(jié)能。

本文對地鐵盾構(gòu)管片生產(chǎn)機(jī)械化流水技術(shù)的研究，極大地提高了管片的生產(chǎn)效率，節(jié)省了人力物力和財(cái)力，具有重要意義。