时速140Km城市轨道交通大直径盾构管片生产关键技术研究

温少鹏

【摘 要】随着大直径盾构隧道工程建设的蓬勃发展，大直径盾构管片的生产工艺和质量控制越来越受到各方关注。本文以成都轨道交通18号线工程盾构管片预制为例，分析并研究时速140Km大直径盾构管片的生产工艺设计和质量控制关键技术，旨在指导类似直径盾构管片的生产施工，提高盾构管片实体质量，并为后期相关工程提供借鉴。

【关键词】大直径管片；生产技术；工艺设计；质量控制

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号线工程概况。

成都轨道交通18号线工程为新机场线，线路全长约61.78Km，共设车站9座，设计时速140公里。全线约60.5 Km，盾构隧道设计采用的1.5m及1.8m幅宽管片共31751环（其中1.5m管片8097环，1.8m管片23654环）。根据施工工程筹划，管片月高峰需求强度约2000环/月。

1.2 盾构管片主要技术参数。

（1）管片混凝土强度为C50砼，抗渗等级为P12；管片采用错缝拼装方式，衬砌环纵、横缝采用弯螺栓连接。每环衬砌环由7块管片组成，包括4块标准块（圆心角56.8422°）、2块邻接块（圆心角56.8422°）和1块封顶块（圆心角18.9474°）。成环后外径8300mm，内径7500mm，厚400mm，幅宽1800mm和1500mm。

（2）本工程管片有直线、左转及右转三类，包含A、B、C、D四种配筋类型，每类配筋管片均有普通管片和增设注浆孔两种型号，并增加了2种切割环管片，共计52种不同型号的盾构管片。

1.3 管片厂产能。

（1）根据管片需求，成都轨道交通18号线计划由WJ和XJ两个管片厂进行生产供应，其中WJ管片厂设生产线1条，投入模具8套，进行幅宽1.5m管片生产供应，设计日生产20环；XJ管片厂设生产线2条，投入模具24套，生产供应幅宽1.8m管片，设计日产能60环。

（2）管片厂均由钢筋加工、混凝土生产、管片生产线、水养护池、管片堆场、锅炉蒸汽养护等组成。

2. 管片生产关键技术

管片生产关键技术点主要包括主要工艺设计、生产质量控制两项。

2.1 工艺设计方面。

目前国内管片厂普遍淘汰了使用地模（固定模具法）进行管片，生产工艺均按自动化流水线生产设计。工艺设计主要包括流水节拍设计、起重设备设计、堆存容量设计、模具设计、钢筋笼制作设计等参数设计。

2.1.1 流水节拍设计。

工程设计中需重点注意考虑的是流水节拍控制。进行流水节拍设计需考虑各项流水作业所需的时间，以满足各工序的要求为最小节拍时间，同时需考虑管片生产中静停、升温与降温时间带来的流水节拍需求，进行整体考虑，一般都先进行作业线节拍设计，然后根据流水线节拍设计，选择养护线工位，确定静停、升温与降温工序的时间要求。受拆装榫影响，XJ管片厂每条生产线设计作业线2条，设计流水节拍8min，设计每条作业线工位15个，根据静停时间、蒸养时间及降温时间，设计选用3条养护线，每条养护线静停工位3个，蒸养工位12个，降温工位3个，共计48个养护工位（不含生产线浇筑后的工位）。

2.1.2 起重设备设计。

起重设备设计除需满足吊装尺寸、重量要求外，还需考虑起重机运行速度与起重设备运行工作级别。一般在厂房的起重设备及养护水池起重设备，由于运行频繁，均采用A5及以上的工作级别。养护水池的门机对大车、小车行走速度及吊钩的升降速度要求较高，需根据管片生产节拍合理选择。成都轨道交通18号线管片厂车间内桥机均选择A6桥机。

2.1.3 堆存容量设计。

管片厂堆存容积需满足管片堆存发运需求，在设计中还需考虑水养护池7天堆存的要求。由于养护水池进行水养护时，存在倒换水池工艺要求，成都轨道交通管片18号线管片厂均设计了8个养护水池，每个水池容量满足1天管片生产堆存要求，以满足水养护7天要求。endprint

2.1.4 模具设计。

模具选型需除按规范满足各种尺寸及精度要求外，还需注意考虑混凝土浇筑振捣方式、模具使用精度问题。本工程依照國内大直径管片振动器选择方式，未采用整体振动台而采用附着式振捣器进行混凝土浇筑振捣，对模具的开合方式选择上，由于整体平开模具侧面（管片环与环结合面）对模具刚度要求高，精度降低快而未采用，选用的是铰接方式进行模具侧面进行开合，模具端面（管片环与环结合面）一般均采用铰接方式进行开合。本线管片设计采用的定位榫具有剪力榫功能，实现了二者的功能结合，通过3维运动模拟剪力榫结构的运动，发现无法采用普通铰接方式实现模具开合，为此，通过将模具铰接处内移动并在榫处倒角方式，实现侧模的开启、闭合，并使用拆装方式实现端模开闭。

2.1.5 钢筋笼制作。

管片钢筋笼制作一般在胎膜架上制作。胎膜架根据使用分为正弧和反弧二种，本线管片厂胎膜架选择反弧式胎膜架进行管片钢筋笼制作。相比正弧胎膜架，反弧式胎膜架的人体学程度更高，充分利用了物体重力协助钢筋就位，降低了工人的体力劳动强度；管片钢筋笼外弧面精度高；管片钢筋笼制作中增加了翻转过程，更有利于对焊接质量的检查；相应的缺点是内弧面精度没有正弧式胎膜架高，且吊装翻转增加了工序。

2.2 质量控制技术。

（1）成都地区大直径管片生产施工更无相关经验和技术参考。通过本线管片生产技术探索和施工经验积累，加强管片生产过程质量关键技术的研究，对于相关盾构管片生产质量有着重要意义。

（2）管片生产质量控制是对各关键工序的控制。管片生产流程见下图1所示。

质量控制关键为配合比设计、原材料进场检测、管片气泡防治、过程质量控制等，尤其需注意的是管片蒸养、管片振捣和模具精度检测。

2.2.1 配合比设计。

（1）混凝土的质量对于整个建设工程的质量具有决定性的意义。本线管片混凝土设计要求强度等级C50，抗渗等级P12，可以通过正交设计方法，考虑不同影响因素（见表1），制定多种试验方案，分析不同方案的试验结果，确定最优化配合比（试验方案及结果表见表2）。

（2）通过试验方案及结果表，结合不同混凝土配合比施工情况，最终决定采用方案P5，坍落度设计要求50～70mm。

2.2.2 原材料进场检测。

（1）混凝土原材料的好坏和选配是否恰当也直接影响着混凝土工程的质量。混凝土因材料选用不当产生质量缺陷或裂缝，一般认为是因为混凝土材料（包括水泥、粗细骨料）变形受约束所引起的内应力大于材料抗拉强度的缘故。

（2）本工程通过建立原材料进场检验制度，坚决落实进场材料从源头抓起的管理理念。首先所有材料进场必须附带合格证明，经过材料员初步验收，再通知试验人员对原材料进行取样检测，最后按照30%的频率对原材料进行第三方检测机构送检，经过三次检测合格后，方可投入工程使用。对于不合格材料，立即要求退场，并建立不合格台帐，对其供应商后续进场材料进行加倍检测。

2.2.3 钢筋下料和钢筋骨架制作。

（1）为确保钢筋骨架焊接精度，简化施工流程，实现高效化、模块化和规范化，纵向主筋、榫孔处马蹄型钢筋、分布筋、箍筋等采用数控钢筋加工设备施工，且本工程箍筋均在模型框架上进行焊接，将C型弯钩按照图示位置焊接在箍筋上以形成箍筋网片。

（2）钢筋骨架骨架制作在胎模架上制作。本工程用于盾构管片钢筋骨架制作的胎膜架因无相关施工经验，技术人员根据管片配筋图纸并结合施工焊接人员的操作经验，进行了钢筋骨架胎膜架的设计和制作，该胎膜架仅适用于外径8.3米、内径7.5米、厚度0.4米、幅宽1.8米和1.5米盾构管片的钢筋骨架骨架制作。

（3）钢筋骨架组装及焊接的具体施工流程为：安装和固定箍筋网片→穿装主筋→安装附加筋→安装预埋板（切割环管片）→焊接主筋和箍筋网片→焊接附加筋、预埋钢板等→焊接完成→检查焊点质量。

2.2.4 混凝土浇筑振捣质量控制。

（1）本工程中单环管片最大混凝土用量为17.867m3，相较于时速80Km的成都轨道交通线路盾构管片（外径6m，内径5.4m，厚度300mm，幅宽1.2m和1.5m）的单环管片最大混凝土用量为8.06m3明显偏大，对拌和楼混凝土运输、混凝土振捣、下料方式等提出更高要求。

（2）本工程混凝土生产采用HL240-2S3000强制式搅拌楼，单个双卧轴强制式搅拌机混凝土生产能力为240 m3/h，即每罐次混凝土产量3m3，远大于单片最大理论方量2.34 m3；混凝土拌制完成后经高料斗沿轨道运输至生产线浇筑工位。

（3）施工中严格要求混凝土浇筑环节，采用分层下料方式，以连续浇筑成型，浇筑过程中观察手孔弯管、注浆管等预埋件，如有松动或脱落，经立即更换。振捣方式采用的是附着式振动器，单个模具下方均匀布置有5个附着式振动器。运行维护人员每班前检查附着式振动器故障情况，确保工作稳定，防止因附着式振动器损坏引起欠振问题，影响管片实体质量。

2.2.5 管片收水抹面。

（1）收水抹面工序质量控制要确保脱模后管片外弧面光滑平整，本工程结合以往施工经验，对收水抹面工序进行了细节把控。

（2）管片蒸养前需进行收水抹面，收水抹面应该视气温及混凝土凝结情况而决定，一般在浇筑后50min左右进行。收水抹面工序主要在管片静养区实施，本线管片均按4次收水抹面进行，确保混凝土在静停过程中不会因重力作用而下坠造成管片厚度不匀，静停结束后进入养护窑进行蒸汽养护。

2.2.6 管片蒸养质量控制。

（1）养护窑严格按照升温速度不宜超过15℃/h，降温速度不宜超过20℃/h，恒温最高温度不宜超过60℃，管片在恒温阶段相对湿度不小于90%进行养护，防止裂缝发生。endprint

（2）养护过程需严格控制养护时间，根据生产工艺试验，管片厂设计养护时间为静停2小时，然后升温2小时，恒温2小时，降温1小时。需要注意的是虽然规范中要求使用真空吸盘的脱模强度可按15MPa控制，但吸盘脱模后即进入管片翻转环节，对混凝土强度仍然要求高，使其脱模强度达到20MPa以上，避免后续吊装转运中造成管片“内伤”。

2.2.7 模具精度检测与维护。

（1）模具精度直接关系到成品管片的幅宽、厚度等外观尺寸参数是否合格；在实际施工过程中，要及时检查并处理模具变形、盖板密封胶条老化、振捣器损坏、合模螺栓松动、边模刨毛等情况，模具端模盖板变形和密封胶条老化易引起混凝土振捣漏浆现象，振捣器损坏会导致漏振发生，合模螺栓松动、边模刨毛会引起管片尺寸偏差和脱模拉边、掉边现象。

（2）对于模具精度，要求每套钢模具周转100次必须进行精度检测，其宽度、弧弦长允许误差为±0.4mm，内腔高度允许误差为-1mm～+2mm；同时结合施工实际，开展模具不定期随机抽检，发现尺寸超出规范要求后及时进行处理，以确保成品质量。

2.2.8 管片气泡防治。

2.2.8.1 盾构管片在生产中易出现较多气泡，易形成渗漏通道，影响管片的耐久性，因而管片气泡的防治一直是盾构管片生产领域的重要课题。

2.2.8.2 本工程盾构管片因结构特点，管片气泡基本出现在两侧和端面位置，特别是榫槽、止水槽等位置。管片气泡产生的因素较多，主要涉及混凝土原材料、配合比设计、模具结构、脱模剂、振捣工艺等方面，本文不做赘述。对于管片气泡防治，除本文中提到的原材料控制及配合比设计等方面优化外，本工程总结经验如下：

（1）坍落度控制。

混凝土的坍落度反映出混凝土的配合比。对混凝土盾构管片，若坍落度较小，在振捣过程中，混凝土将凝固得很快而无法振捣，易形成蜂窝、空洞，本工程将坍落度控制在50～70mm。

（2）模具结构。

本工程盾构管片模具端模和侧模采用榫槽設计，止水槽和榫槽深度较深，且管片厚度达400mm，施工实践发现，该设计间接影响气泡的排出。本工程混凝土在振捣过程中，混凝土中的水分、气泡集中在模具榫槽处，脱模后就表现为榫孔处气泡较多。通过与设计进行技术沟通，结合盾构隧道管片拼装情况，对管片结构榫槽进行了优化，取消了端模榫槽。

（3）振捣工艺。

为有效减少管片侧模气泡，本工程采用附着式振捣+高频振捣棒辅助的振捣方式。每块模具下方分布安装3个附着式振捣器，采用自动化程序控制振捣的频率和速度，强振3分钟以振捣密实，弱振3分钟以尽量排出气泡，同时施工人员采用附着式振捣棒在侧模位置快插慢拔，确保气泡从榫槽位置排出。

（4）脱模剂。

脱模剂由于表面张力大，对气泡的排斥性强，利于气泡析出或减小。管片脱模一般分为油性和水性脱模剂，大多采用水性脱模剂并掺兑水使用。脱模剂稀释比例过低，脱模剂对气泡会有一定的吸附作用，稀释比例过高，混凝土会粘膜，气泡吸附于模具内腔表面，难以排除。

2.2.8.3 本工程通过生产性试验，通过对比不同掺兑水比例对管片表面外观质量、脱模剂粘稠度、脱模效果、气泡数量等项目的影响，确定了掺兑比例为1：3，采用该比例施工，管片脱模方便、表面光洁且气泡少。

2.2.9 管片裂纹分析及防治。

2.2.9.1 本工程盾构管片直径和体积较大、厚度较厚，易产生表面收缩裂纹。通过施工发现，大多数裂纹集中出现在管片外弧面，偶有出现在侧面及榫槽位置，内弧面裂纹暂未发现。

2.2.9.2 通过分析本工程管片裂纹成因，针对裂纹情况，主要采取以下措施有：（1）通过加快高料斗运输速度，以减少混凝土浇筑时间，降低管片内部水化热引起的内外温差的影响，减少温度应力造成的表面裂纹。（2）细化管片收水抹面工序，要求收面3～4次，收面完成后及时覆盖薄膜进行保湿，防止因水分流失造成的管片外弧面干缩裂纹。（3）加强管片蒸养过程控制，该过程是产生裂纹的主要影响因素，控制恒温温度为55℃，适当降低蒸养温度，以减少温差裂纹。（4）采用自动化仪表和手持式测温枪实时监控管片入池养护温度和水养阶段温度，确保7天水养要求，管片出池后进行喷淋养护，减少管片表面龟裂现象。

3. 结束语

城轨交通钢筋混凝土衬砌管片生产技术及质量控制需注意生产工艺选择与过程质量控制的紧密衔接，并抓好细节控制，尤其加强工艺优化和质量控制创新。只有严格遵守相关质量管理制度和生产操作规程，落实管片生产施工组织和质量管理相关技术要求，才能确保管片生产质量有序受控。

参考文献

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