預制混凝土管片生產線建設及前沿技術分析

樊杰FAN Jie

（中鐵十四局集團房橋有限公司，北京 102400）

1 綜述

近幾年，隨著國內隧道建設的如火如荼，盾構技術的發展也日趨成熟。預制混凝土管片是盾構法施工的主要裝配構件，是隧道的最內層屏障，承擔著抵抗土層壓力、地下水壓力以及各種外部荷載的作用，其質量直接關系到隧道的整體質量和安全，因此對管片的內在質量和外部公差尺寸有著非常嚴格的要求。由于預制管片體型較大、形式多樣、使用時需求量較大等特點，一般選擇臨近工地現場建設預制混凝土管片生產線，其結構設計合理與否直接影響到管片的生產速度及質量，需要總體設計人員有著較高的綜合知識體系，另外具備一定的預制產品生產管理經驗。

2 關鍵工藝參數與計算

2.1 管片參數

預制混凝土管片本身屬性，如大小、重量、分塊等是預制混凝土管片生產車間建設最基礎的參數；決定了車間的規模及生產形式，各項設備、設施的參數。（表1）

表1 管片參數影響因素表

這里建議根據對未來需求的預測，提出一定的設計裕度，以便能在節省費用的前提下滿足未來的生產。比如某條生產線在建設之初考慮用于生產6.4m 外徑的管片，由于進行了預留設計，可實現少量增加投資的情況下生產外徑9m 以下多型號的管片的能力。

2.2 生產線設計產能

管片需求是從盾構下井到全線洞通期間，管片開始生產最少要提前2 個月，這樣保證管片能夠達到下井的強度要求，也能讓生產人員熟悉相關設備與流程。

根據管片需求計劃，管片生產車間的產能、水養池的大小，堆場的大小、人員配備也就確認下來了。表2 是某地鐵甲項目6.4m 型管片需求計劃（單位：環）。

表2 某地鐵甲項目6.4m 型管片需求計劃（單位：環）

考慮到管片生產受到春節假期影響，一年有效工作月份取11 個月，可得出管片平均月需求為879 環。另外考慮到冬季施工效率下降，該計劃匹配生產線的設計產能宜取大于900 環/月為宜。

2.3 蒸養參數

采用蒸汽蒸養升溫加快混凝土中水泥水化反應的方法為蒸養，蒸養具有顯著提高混凝土的早期強度，加快模具周轉，提高生產效率，現廣泛用于預制混凝土管片的生產。蒸養分為靜停、升溫、恒溫及降溫4 個階段，一般升溫速率15℃/小時，降溫速率20℃/小時。蒸養參數的變化對管片成型質量與后期性能有很重要的影響。因而蒸養設計不當，不但不能取得提高效率的預期，反而容易出現質量缺陷和混凝土性能不達標，將會造成嚴重的經濟損失及不良社會影響。

蒸養參數是管片生產線最重要的參數之一，它和生產節拍息息相關。恒溫區一般設定溫度為50℃±5，為了提高生產效率最高不超過60℃。管片生產最低要求是靜停時間不少于2 小時，蒸養時間不小于4 小時，才能保證成型脫模強度及管片的外弧面成型質量。

蒸養分3 種形式：濕蒸、干蒸、干濕結合，目前絕大多數企業都采用濕蒸形式。

2.4 生產節拍

生產節拍就是每生產1 塊管片所需的時間，公式為：生產節拍=單塊模具振動時間+澆筑室單塊模具運轉時間。

由于是流水線生產，節拍決定了管片生產線產能；它與混凝土質量、流水線運行效率、附著振動模具設計優劣、生產管理水平等都有直接的關系。其中以附著振動模具設計最為重要，以6.4m 管片模具為例，同樣條件下，振動設計好的模具振動僅需3.5 分鐘，而差的模具可能需要5 分鐘。考慮到生產線運轉的平穩和安全性，還有其他工序必要的保障時間，生產節拍也并非越快越好。

同樣以上述甲項目（6.4m 管片為6 分塊設計）為例，生產線正常投產按照每天2 個班，每個班工作10 小時，每個月28 天計算。為完成產能計劃，設計節拍T 應滿足：10×2×28×60≥900×T×6，計算可得T≤6.22min。

考慮到生產線運轉的實際情況，該項目生產線的設計節拍時間可取為6min=單塊振動時間（4.5min）+單塊運行時間（1.5min）。原則上，實際生產中我們應盡力保障單塊運行時間的穩定，同時通過優化配比等措施控制振動時間在4min 左右時效益更好。

2.5 模具數量

模具數量的設置是生產線布局的重要組成部分。為滿足循環生產的條件，需保證管片脫模時強度達標，蒸養制度和時間是決定脫模的最重要因素。

仍以甲項目生產線為例，6.4m 管片生產應考慮節拍裕度，取生產節拍5.5min。此時按照蒸養時間不低于4 小時需要44 個模具，靜停不低于2 小時需要22 個模具，加上主線上運行的12 個模具，共需要78 個模具，13 環（6 個模具/環），同時考慮到冬季蒸養效率的下降，設計方案中增加配置一套模具至14 套為最佳。

3 生產線工藝模式

目前生產線有著多種工藝模式，各有優缺點，分別是：通窯鏈條工藝模式，以法國CBE 為代表；獨立窯子母車工藝模式，以華森為代表；新勢力智能制造模式，結合各種模式的優點設計的新式生產線。

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線平行，澆注工作線和蒸養線上的模具通過鏈條帶掛鉤的形式逐一驅動模具前進，澆注工作線和蒸養線之間的模具通過橫移小車運輸，蒸養窯是通窯的管片生產線。其升溫區、恒溫區及降溫區難以實現溫度梯度。圖1 是通窯鏈條式生產線簡圖。

圖1 通窯鏈條式生產線簡圖

3.2 獨立窯子母車工藝模式

獨立窯子母車模式是澆注工作線與進窯子母車線和出窯子母車線相互平行，進窯子母車線和出窯子母車線之間放置蒸養窯，蒸養窯與這兩條線垂直，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輸到澆注工作線，澆注工作線澆注好的模具通過滾輪和傳送帶方式送到進窯子母車的子車接收位，進窯子母車的子車將模具接收到進窯子母車線，然后送入蒸養窯。該模式生產線特點是理論蒸養溫度曲線嚙合與理論曲線，一個模具壞了不影響生產線運行。圖2 是獨立窯子母車式生產線簡圖。

圖2 獨立窯子母車式生產線簡圖

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年新發展出的概念，結合各種模式的優點設計制造的新式管片生產線。其澆注工作線和蒸養線平行，澆注工作線通過聯動滾輪驅動模具前進，澆注工作線和蒸養線之間的模具通過2 個AGV 小車運輸，蒸養線上沒有驅動，蒸養好模具通過出模AGV 小車運輸到澆注工作線的AGV 送模工位，澆注好的模具送入AGV 出模工位，由進模AGV 小車將模具送入蒸養室內，送入蒸養室的模具一直不動，直到蒸養完成。其蒸養窯進行隔斷，在單獨的蒸養隔斷窯內進行靜停、升溫、恒溫及降溫4 個階段，很好的保證了蒸養溫度曲線。該模式生產線特點是產出管片質量高，系統容易實現智能化升級。

3.4 各工藝模式生產線的比較（表3）

表3 各工藝模式生產線的比選表

4 關鍵設備設施的確定

4.1 蒸汽鍋爐

蒸汽鍋爐是給蒸養室提供加熱能量的。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

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

4.3 攪拌站

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

5 一些前沿技術應用

目前，隨著國內人口的老齡化，以及年輕人就業的多樣化，管片生產線上那種重體力、重復性工作很難吸引到年輕人到一線工作，現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，管片生產線的自動化智能化提升迫在眉睫。作者將目前所知的管片生產線一些前沿應用進行了歸類，其中一些已經取得成功，還有一些正在研發試驗階段，供讀者參考。

5.1 自動化技術

即通過對生產線運轉定位控制及相關工序模擬設備的研發實現機械替代工人標準化作業的過程。較成功的自動化技術目前有自動接氣、自動蓋板、自動脫模裝置等，可實現完全的人工替代，安全性和效率也較高。正在研發中的有鋼筋籠自動入模、自動開合模裝置、自動振搗等技術。圖3 為自動接氣和自動振搗系統設計圖。

圖3 自動接氣和自動振搗系統設計圖

5.2 智能化技術

通過使用機器臂及編程模擬工人作業動作，從而代替原來生產線上的重復作業，如機器人清模、機器人噴涂脫模劑、機器人抹面、機器人打碼等，目前能實現部分代替人工，減少作業強度。

5.3 檢測監測技術

主要是一些生產輔助技術，如管片尺寸的3D 檢測、模具振動力檢測裝置等技術，目的是為了提高生產質量，降低廢品率。目前3D 檢測技術已較成熟，可實現實體管片和模具尺寸的檢測；模具振動力檢測正在研發中。

6 結論

本文主要介紹了預制混凝土管片生產線建設的要點，并對工藝參數計算、生產線模式對比、關鍵設備選定等方面進行了深入探討。另外本文指出了生產線結合自動化和智能化技術是未來行業的發展方向，希望各位同行們和作者一起將這些前沿技術的研發工作推進下去。