預(yù)制混凝土管片生產(chǎn)線建設(shè)及前沿技術(shù)分析

樊杰FAN Jie

（中鐵十四局集團(tuán)房橋有限公司，北京 102400）

1 綜述

近幾年，隨著國(guó)內(nèi)隧道建設(shè)的如火如荼，盾構(gòu)技術(shù)的發(fā)展也日趨成熟。預(yù)制混凝土管片是盾構(gòu)法施工的主要裝配構(gòu)件，是隧道的最內(nèi)層屏障，承擔(dān)著抵抗土層壓力、地下水壓力以及各種外部荷載的作用，其質(zhì)量直接關(guān)系到隧道的整體質(zhì)量和安全，因此對(duì)管片的內(nèi)在質(zhì)量和外部公差尺寸有著非常嚴(yán)格的要求。由于預(yù)制管片體型較大、形式多樣、使用時(shí)需求量較大等特點(diǎn)，一般選擇臨近工地現(xiàn)場(chǎng)建設(shè)預(yù)制混凝土管片生產(chǎn)線，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理與否直接影響到管片的生產(chǎn)速度及質(zhì)量，需要總體設(shè)計(jì)人員有著較高的綜合知識(shí)體系，另外具備一定的預(yù)制產(chǎn)品生產(chǎn)管理經(jīng)驗(yàn)。

2 關(guān)鍵工藝參數(shù)與計(jì)算

2.1 管片參數(shù)

預(yù)制混凝土管片本身屬性，如大小、重量、分塊等是預(yù)制混凝土管片生產(chǎn)車間建設(shè)最基礎(chǔ)的參數(shù)；決定了車間的規(guī)模及生產(chǎn)形式，各項(xiàng)設(shè)備、設(shè)施的參數(shù)。（表1）

表1 管片參數(shù)影響因素表

這里建議根據(jù)對(duì)未來需求的預(yù)測(cè)，提出一定的設(shè)計(jì)裕度，以便能在節(jié)省費(fèi)用的前提下滿足未來的生產(chǎn)。比如某條生產(chǎn)線在建設(shè)之初考慮用于生產(chǎn)6.4m 外徑的管片，由于進(jìn)行了預(yù)留設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)少量增加投資的情況下生產(chǎn)外徑9m 以下多型號(hào)的管片的能力。

2.2 生產(chǎn)線設(shè)計(jì)產(chǎn)能

管片需求是從盾構(gòu)下井到全線洞通期間，管片開始生產(chǎn)最少要提前2 個(gè)月，這樣保證管片能夠達(dá)到下井的強(qiáng)度要求，也能讓生產(chǎn)人員熟悉相關(guān)設(shè)備與流程。

根據(jù)管片需求計(jì)劃，管片生產(chǎn)車間的產(chǎn)能、水養(yǎng)池的大小，堆場(chǎng)的大小、人員配備也就確認(rèn)下來了。表2 是某地鐵甲項(xiàng)目6.4m 型管片需求計(jì)劃（單位：環(huán)）。

表2 某地鐵甲項(xiàng)目6.4m 型管片需求計(jì)劃（單位：環(huán)）

考慮到管片生產(chǎn)受到春節(jié)假期影響，一年有效工作月份取11 個(gè)月，可得出管片平均月需求為879 環(huán)。另外考慮到冬季施工效率下降，該計(jì)劃匹配生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)產(chǎn)能宜取大于900 環(huán)/月為宜。

2.3 蒸養(yǎng)參數(shù)

采用蒸汽蒸養(yǎng)升溫加快混凝土中水泥水化反應(yīng)的方法為蒸養(yǎng)，蒸養(yǎng)具有顯著提高混凝土的早期強(qiáng)度，加快模具周轉(zhuǎn)，提高生產(chǎn)效率，現(xiàn)廣泛用于預(yù)制混凝土管片的生產(chǎn)。蒸養(yǎng)分為靜停、升溫、恒溫及降溫4 個(gè)階段，一般升溫速率15℃/小時(shí)，降溫速率20℃/小時(shí)。蒸養(yǎng)參數(shù)的變化對(duì)管片成型質(zhì)量與后期性能有很重要的影響。因而蒸養(yǎng)設(shè)計(jì)不當(dāng)，不但不能取得提高效率的預(yù)期，反而容易出現(xiàn)質(zhì)量缺陷和混凝土性能不達(dá)標(biāo)，將會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失及不良社會(huì)影響。

蒸養(yǎng)參數(shù)是管片生產(chǎn)線最重要的參數(shù)之一，它和生產(chǎn)節(jié)拍息息相關(guān)。恒溫區(qū)一般設(shè)定溫度為50℃±5，為了提高生產(chǎn)效率最高不超過60℃。管片生產(chǎn)最低要求是靜停時(shí)間不少于2 小時(shí)，蒸養(yǎng)時(shí)間不小于4 小時(shí)，才能保證成型脫模強(qiáng)度及管片的外弧面成型質(zhì)量。

蒸養(yǎng)分3 種形式：濕蒸、干蒸、干濕結(jié)合，目前絕大多數(shù)企業(yè)都采用濕蒸形式。

2.4 生產(chǎn)節(jié)拍

生產(chǎn)節(jié)拍就是每生產(chǎn)1 塊管片所需的時(shí)間，公式為：生產(chǎn)節(jié)拍=單塊模具振動(dòng)時(shí)間+澆筑室單塊模具運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間。

由于是流水線生產(chǎn)，節(jié)拍決定了管片生產(chǎn)線產(chǎn)能；它與混凝土質(zhì)量、流水線運(yùn)行效率、附著振動(dòng)模具設(shè)計(jì)優(yōu)劣、生產(chǎn)管理水平等都有直接的關(guān)系。其中以附著振動(dòng)模具設(shè)計(jì)最為重要，以6.4m 管片模具為例，同樣條件下，振動(dòng)設(shè)計(jì)好的模具振動(dòng)僅需3.5 分鐘，而差的模具可能需要5 分鐘?？紤]到生產(chǎn)線運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)和安全性，還有其他工序必要的保障時(shí)間，生產(chǎn)節(jié)拍也并非越快越好。

同樣以上述甲項(xiàng)目（6.4m 管片為6 分塊設(shè)計(jì)）為例，生產(chǎn)線正常投產(chǎn)按照每天2 個(gè)班，每個(gè)班工作10 小時(shí)，每個(gè)月28 天計(jì)算。為完成產(chǎn)能計(jì)劃，設(shè)計(jì)節(jié)拍T 應(yīng)滿足：10×2×28×60≥900×T×6，計(jì)算可得T≤6.22min。

考慮到生產(chǎn)線運(yùn)轉(zhuǎn)的實(shí)際情況，該項(xiàng)目生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)節(jié)拍時(shí)間可取為6min=單塊振動(dòng)時(shí)間（4.5min）+單塊運(yùn)行時(shí)間（1.5min）。原則上，實(shí)際生產(chǎn)中我們應(yīng)盡力保障單塊運(yùn)行時(shí)間的穩(wěn)定，同時(shí)通過優(yōu)化配比等措施控制振動(dòng)時(shí)間在4min 左右時(shí)效益更好。

2.5 模具數(shù)量

模具數(shù)量的設(shè)置是生產(chǎn)線布局的重要組成部分。為滿足循環(huán)生產(chǎn)的條件，需保證管片脫模時(shí)強(qiáng)度達(dá)標(biāo)，蒸養(yǎng)制度和時(shí)間是決定脫模的最重要因素。

仍以甲項(xiàng)目生產(chǎn)線為例，6.4m 管片生產(chǎn)應(yīng)考慮節(jié)拍裕度，取生產(chǎn)節(jié)拍5.5min。此時(shí)按照蒸養(yǎng)時(shí)間不低于4 小時(shí)需要44 個(gè)模具，靜停不低于2 小時(shí)需要22 個(gè)模具，加上主線上運(yùn)行的12 個(gè)模具，共需要78 個(gè)模具，13 環(huán)（6 個(gè)模具/環(huán)），同時(shí)考慮到冬季蒸養(yǎng)效率的下降，設(shè)計(jì)方案中增加配置一套模具至14 套為最佳。

3 生產(chǎn)線工藝模式

目前生產(chǎn)線有著多種工藝模式，各有優(yōu)缺點(diǎn)，分別是：通窯鏈條工藝模式，以法國(guó)CBE 為代表；獨(dú)立窯子母車工藝模式，以華森為代表；新勢(shì)力智能制造模式，結(jié)合各種模式的優(yōu)點(diǎn)設(shè)計(jì)的新式生產(chǎn)線。

3.1 通窯鏈條工藝模式

通窯鏈條模式是澆注工作線和蒸養(yǎng)線平行，澆注工作線和蒸養(yǎng)線上的模具通過鏈條帶掛鉤的形式逐一驅(qū)動(dòng)模具前進(jìn)，澆注工作線和蒸養(yǎng)線之間的模具通過橫移小車運(yùn)輸，蒸養(yǎng)窯是通窯的管片生產(chǎn)線。其升溫區(qū)、恒溫區(qū)及降溫區(qū)難以實(shí)現(xiàn)溫度梯度。圖1 是通窯鏈條式生產(chǎn)線簡(jiǎn)圖。

圖1 通窯鏈條式生產(chǎn)線簡(jiǎn)圖

3.2 獨(dú)立窯子母車工藝模式

獨(dú)立窯子母車模式是澆注工作線與進(jìn)窯子母車線和出窯子母車線相互平行，進(jìn)窯子母車線和出窯子母車線之間放置蒸養(yǎng)窯，蒸養(yǎng)窯與這兩條線垂直，澆注工作線與出窯子母車線平行，出窯子母車線通過子車將模具運(yùn)輸?shù)綕沧⒐ぷ骶€，澆注工作線澆注好的模具通過滾輪和傳送帶方式送到進(jìn)窯子母車的子車接收位，進(jìn)窯子母車的子車將模具接收到進(jìn)窯子母車線，然后送入蒸養(yǎng)窯。該模式生產(chǎn)線特點(diǎn)是理論蒸養(yǎng)溫度曲線嚙合與理論曲線，一個(gè)模具壞了不影響生產(chǎn)線運(yùn)行。圖2 是獨(dú)立窯子母車式生產(chǎn)線簡(jiǎn)圖。

圖2 獨(dú)立窯子母車式生產(chǎn)線簡(jiǎn)圖

3.3 智能管片制造工藝模式

智能管片制造模式是由十四局房橋智能制造于2020年新發(fā)展出的概念，結(jié)合各種模式的優(yōu)點(diǎn)設(shè)計(jì)制造的新式管片生產(chǎn)線。其澆注工作線和蒸養(yǎng)線平行，澆注工作線通過聯(lián)動(dòng)滾輪驅(qū)動(dòng)模具前進(jìn)，澆注工作線和蒸養(yǎng)線之間的模具通過2 個(gè)AGV 小車運(yùn)輸，蒸養(yǎng)線上沒有驅(qū)動(dòng)，蒸養(yǎng)好模具通過出模AGV 小車運(yùn)輸?shù)綕沧⒐ぷ骶€的AGV 送模工位，澆注好的模具送入AGV 出模工位，由進(jìn)模AGV 小車將模具送入蒸養(yǎng)室內(nèi)，送入蒸養(yǎng)室的模具一直不動(dòng)，直到蒸養(yǎng)完成。其蒸養(yǎng)窯進(jìn)行隔斷，在單獨(dú)的蒸養(yǎng)隔斷窯內(nèi)進(jìn)行靜停、升溫、恒溫及降溫4 個(gè)階段，很好的保證了蒸養(yǎng)溫度曲線。該模式生產(chǎn)線特點(diǎn)是產(chǎn)出管片質(zhì)量高，系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)智能化升級(jí)。

3.4 各工藝模式生產(chǎn)線的比較（表3）

表3 各工藝模式生產(chǎn)線的比選表

4 關(guān)鍵設(shè)備設(shè)施的確定

4.1 蒸汽鍋爐

蒸汽鍋爐是給蒸養(yǎng)室提供加熱能量的。一般使用常壓鍋爐，蒸汽包處工作壓力8~10kg/cm2，小直徑管片生產(chǎn)一般需要2T 的常壓鍋爐，大直徑（10m 直徑以上）管片需要3T 的常壓鍋爐。蒸汽主管路通徑一般不小于100mm，也不建議大于150mm，需采取管道保溫措施。

4.2 空氣壓縮機(jī)

空氣壓縮機(jī)主要是給附著式振動(dòng)模具提供空氣動(dòng)力的，其中也包括氣缸、氣動(dòng)扳手氣動(dòng)工具。一般使用螺桿壓縮機(jī)，配套儲(chǔ)氣罐和空氣干燥機(jī)，在模具有4 個(gè)及以下振動(dòng)器時(shí)，可采用在10kg/cm2輸出10m3的壓縮機(jī)，模具有6個(gè)及以上振動(dòng)器時(shí)采用在10kg/cm2輸出20m3的壓縮機(jī)。南方必須配備高性能干燥機(jī)，壓縮空氣主管路直徑一般等于壓縮機(jī)出口管徑，但不建議大于150mm。

4.3 攪拌站

攪拌站是提供高強(qiáng)度混凝土給生產(chǎn)線澆注用的。由于管片的混凝土強(qiáng)度一般要求最小是C50，塌落度為50~70mm，攪拌站每盤的實(shí)際攪拌方量明顯小于名義方量。另外需注意，混凝土攪拌及運(yùn)輸時(shí)間應(yīng)小于節(jié)拍時(shí)間。基礎(chǔ)都比較低，在排放冷凝水的同時(shí)還要考慮防止雨水倒灌。

5 一些前沿技術(shù)應(yīng)用

目前，隨著國(guó)內(nèi)人口的老齡化，以及年輕人就業(yè)的多樣化，管片生產(chǎn)線上那種重體力、重復(fù)性工作很難吸引到年輕人到一線工作，現(xiàn)在的操作工人年齡都在50 歲左右，再往后將面臨用工荒。故此，管片生產(chǎn)線的自動(dòng)化智能化提升迫在眉睫。作者將目前所知的管片生產(chǎn)線一些前沿應(yīng)用進(jìn)行了歸類，其中一些已經(jīng)取得成功，還有一些正在研發(fā)試驗(yàn)階段，供讀者參考。

5.1 自動(dòng)化技術(shù)

即通過對(duì)生產(chǎn)線運(yùn)轉(zhuǎn)定位控制及相關(guān)工序模擬設(shè)備的研發(fā)實(shí)現(xiàn)機(jī)械替代工人標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)的過程。較成功的自動(dòng)化技術(shù)目前有自動(dòng)接氣、自動(dòng)蓋板、自動(dòng)脫模裝置等，可實(shí)現(xiàn)完全的人工替代，安全性和效率也較高。正在研發(fā)中的有鋼筋籠自動(dòng)入模、自動(dòng)開合模裝置、自動(dòng)振搗等技術(shù)。圖3 為自動(dòng)接氣和自動(dòng)振搗系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖。

圖3 自動(dòng)接氣和自動(dòng)振搗系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

5.2 智能化技術(shù)

通過使用機(jī)器臂及編程模擬工人作業(yè)動(dòng)作，從而代替原來生產(chǎn)線上的重復(fù)作業(yè)，如機(jī)器人清模、機(jī)器人噴涂脫模劑、機(jī)器人抹面、機(jī)器人打碼等，目前能實(shí)現(xiàn)部分代替人工，減少作業(yè)強(qiáng)度。

5.3 檢測(cè)監(jiān)測(cè)技術(shù)

主要是一些生產(chǎn)輔助技術(shù)，如管片尺寸的3D 檢測(cè)、模具振動(dòng)力檢測(cè)裝置等技術(shù)，目的是為了提高生產(chǎn)質(zhì)量，降低廢品率。目前3D 檢測(cè)技術(shù)已較成熟，可實(shí)現(xiàn)實(shí)體管片和模具尺寸的檢測(cè)；模具振動(dòng)力檢測(cè)正在研發(fā)中。

6 結(jié)論

本文主要介紹了預(yù)制混凝土管片生產(chǎn)線建設(shè)的要點(diǎn)，并對(duì)工藝參數(shù)計(jì)算、生產(chǎn)線模式對(duì)比、關(guān)鍵設(shè)備選定等方面進(jìn)行了深入探討。另外本文指出了生產(chǎn)線結(jié)合自動(dòng)化和智能化技術(shù)是未來行業(yè)的發(fā)展方向，希望各位同行們和作者一起將這些前沿技術(shù)的研發(fā)工作推進(jìn)下去。