芯模振動制管工藝在觀景口水利樞紐頂管隧洞中的應(yīng)用與改進

翁 超

（中鐵十八局集團有限公司，400707，重慶）

重慶市觀景口水利樞紐輸水線路總長21.53km，其中隧洞總長16.31 km，采用預(yù)制管道的隧洞長14.73 km。隧洞頂管施工采用芯模振動預(yù)制干硬性混凝土管技術(shù)，設(shè)計承受2 100 t頂力，控制管道端面平整度誤差不超過3 mm，確保管材可承受的頂力和精度滿足超長距離頂管施工的需要。

一、芯模振動制管工藝

芯模振動制管工藝利用主機設(shè)備所產(chǎn)生的高頻振動作用，打破注入模具內(nèi)原有的干硬性混凝土松散結(jié)構(gòu)，建立新的成管道形狀混凝土密實構(gòu)造，并產(chǎn)生足以使成型的管道能夠立即脫模且混凝土在發(fā)生強度前可直立不變形的密實構(gòu)筑強度，將焊接成型的鋼筋骨架裝上保護層定位卡，放置在底托盤上，外模吊入并與底托盤鎖緊定位，然后將模具運送至主機設(shè)備的生產(chǎn)工位。

攪拌完成的混凝土料自儲料斗內(nèi)澆筑入成型工位的模具內(nèi)，待被澆筑的混凝土料達到模具高度的1/4或者300～500 mm位置時，開啟振動器成型，此時震動頻率較快，10 s左右達到成型震動頻率3 800 r/min，同時將混凝土料不斷注入模具內(nèi)振動成型。當(dāng)振動成型至管道插口位置時，布料機被移動離開，碾壓裝置進入生產(chǎn)工位輔助碾壓成型，一般碾壓成型時的振動頻率為4 000 r/min。成型后的管道被起吊（同時脫內(nèi)模）運離工位，帶外模的管道被運至脫模區(qū)脫外模。芯模振動制管工藝流程見圖1。

圖1 芯模振動制管工藝流程

二、生產(chǎn)質(zhì)量問題分析及解決措施

1.脫模后部分管道出現(xiàn)細微環(huán)向裂紋

（1）原因分析

現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，部分管道在脫模后產(chǎn)生細微的環(huán)向裂紋，結(jié)合芯模振動制管工藝特點，相關(guān)技術(shù)人員對該現(xiàn)象進行試驗分析，得出裂紋產(chǎn)生原因：

①混凝土配合比的級配不合理。芯模振動制管工藝中混凝土的黏聚性極其重要，成型干硬性混凝土級配和砂率是影響混凝土各項性能的重要參數(shù)。觀景口水利樞紐頂進管道生產(chǎn)過程中混凝土砂率0.44和二級配碎石為合理參數(shù)，可通過調(diào)整單一細度模數(shù)的細骨料優(yōu)化混凝土拌和物級配，提高混凝土的黏聚性。②混凝土拌和質(zhì)量不滿足要求?；炷涟韬唾|(zhì)量對芯模振動工藝產(chǎn)品有重大影響，而實際生產(chǎn)中存在為加快施工進度而拌和時間不足問題，導(dǎo)致混凝土拌和物和易性、黏聚性等指標(biāo)不滿足要求。③模具擺動導(dǎo)致管道產(chǎn)生裂紋。模具采用定制鋼模，精度滿足要求，但在吊裝過程中易擺動。

（2）解決措施

①在原有混凝土配合比基礎(chǔ)上進行優(yōu)化，調(diào)整砂的級配。將細骨料改為細度模數(shù)更小的天然砂和細度模數(shù)較大的人工砂，使混凝土原始空隙率和最終空隙率均控制在極優(yōu)的狀態(tài)，使管道混凝土配合比更適用于芯模振動制管工藝，提高管道外觀質(zhì)量。管道混凝土配合比優(yōu)化前后對比見表1。

表1 管道混凝土配合比優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對比

②嚴格控制混凝土拌和時間，優(yōu)化澆筑振搗工藝。嚴格控制混凝土拌和時間為180 s，采用干硬性混凝土要保證混凝土密實度，需保證混凝土維勃稠度值滿足20～40 s的要求，滿足要求的混凝土進入布料機由振動器進行振動。

振動器振動同時控制喂料速度，適當(dāng)調(diào)整布入模具的混凝土量，防止因混凝土出現(xiàn)空腔而降低密實度。干硬性混凝土中拌和物的水泥漿液少，在低頻振動作用下整體混凝土拌合物的液化程度低，混凝土拌和物的密實度與流動、充填模具的效率下降。故在混凝土入模后采用使水泥漿液易液化的高頻振動方式，保證足夠的連續(xù)振動時間，使干硬性混凝土拌和物充分液化，達到流動和密實混凝土的作用。通過實驗分析，確定分8層布料，每層0.75 m3，第1層不振動，從第2層澆筑時振動，振動頻率為2 600 r/min，第3層至第5層振動頻率為3200 r/min，第6層至第8層振動頻率為3 500 r/min，每層振動時間為4 min。

③加工專用工裝解決管道在脫模及調(diào)運過程中晃動的問題，并加強起吊及落地吊運速度控制，緩慢提升、下降，吊運專用工裝見圖2。

圖2 管道吊運工裝

2.插口破損

（1）原因分析

除前述易造成管道出現(xiàn)環(huán)向裂縫的原因外，以下兩點原因同樣易造成管道插口破損。

①蒸養(yǎng)參數(shù)設(shè)置不合理，蒸養(yǎng)在提高混凝土早起強度的同時，干硬性混凝土內(nèi)部的膨脹和遷移會造成定向孔隙、孔結(jié)構(gòu)粗化等不良現(xiàn)象，不合理的蒸養(yǎng)制度造成脫模后插口破損。②底托模具存在缺陷，導(dǎo)致脫模時底托上口與管道插口接觸部位損壞，插口破損嚴重。

（2）解決措施

在解決環(huán)向裂縫措施的基礎(chǔ)上，增加以下措施解決管道插口破損問題：①優(yōu)化調(diào)整蒸養(yǎng)參數(shù)。通過實驗分析，管道脫模后延長靜停時間至4 h，提高管道升溫前的初始結(jié)構(gòu)強度，升溫開始后每小時升溫不超10℃直到45℃，并在40～50℃的范圍內(nèi)保持恒溫4 h，然后降溫3 h，每小時降溫不超10℃。通過合理預(yù)養(yǎng)、限制升溫速度等措施減少混凝土的結(jié)構(gòu)性破壞，進而在蒸養(yǎng)結(jié)束后的脫模過程中減小管道插口破損率。②優(yōu)化底托模具上口。采用砂輪機打磨坡口以利于管道成型及脫模，避免管道脫模時造成插口破損。

三、結(jié)果與展望

采取改進措施后，生產(chǎn)的管道無環(huán)向裂縫，證明改進措施對解決環(huán)向裂縫有效；對生產(chǎn)管道檢查和統(tǒng)計的結(jié)果表明，插口破損率由78%降低至21%，證明改進措施對降低插口破損率同樣有效。

隨著我國經(jīng)濟社會不斷發(fā)展和城市化進程的加快，地下管線的需求量增大，非開挖技術(shù)將向規(guī)?；?、規(guī)范化、國際化的方向發(fā)展。作為頂管施工配套使用的預(yù)制管道需求量將越來越大，芯模振動制管工藝因其自動化程度高、節(jié)能環(huán)保、工序少等諸多優(yōu)勢也將得到更多關(guān)注與發(fā)展。