|
摘 要 文章介绍了地铁盾构管片的生产工艺、自动化生产线的工作原理，以及自动化生产线生产的优点与效果, 并且阐述了自动化生产线存在的不足及注意事项。
关键词 盾构管片 生产工艺 自动化生产线
1前 言
目前城市地铁开始高速发展， 而在城市内进行区间隧道施工，对文明施工、地面沉降控制等要求都比较高， 因此明挖法和传统的矿山法隧道施工已逐渐被文明施工、地面沉降容易控制、造价低、机械化程度高的盾构法隧道施工所取代。 隧道施工质量的好坏最终由地铁管片衬砌的质量来决定,因而盾构施工最关键的一个部件就是隧道衬砌———地铁管片。
随着市政总公司于2007 年底中标深圳地铁 2号线三个区间的盾构项目，经过半年多的前期准备，2008 年 11 月， 深圳市隧道工程有限公司预制管片厂在深圳市南山区正式成立。
为了选择一种合适的管片生产方法， 在管片厂筹建期间， 总公司及管片厂有关领导进行了详细的市场调查。根据调研显示，目前地铁管片的生产方式有两种： 自动化流水线生产方式与传统固定模生产方式。目前，地铁管片生产在国内大多采用的是传统固定模生产方式（图1），该生产方式有一个比较显著的缺点： 生产效率较低, 模具的利用率也相对较低。在收集了大量的素材及相关数据进行分析比较后，市政管片厂最终选择了自动化流水线生产方式（图2）。 本文根据市政管片厂自动化流水线生产方式的特点， 结合其在深圳地铁 2 期工程 2222 标及3153 标管片生产中所积累的生产经验，对市政管片厂自动化流水线管片生产方式的特点及使用效果进行分析总结。
2管片生产工艺
管片生产过程包括：钢筋下料、钢筋笼制作、钢模准备、混凝土浇筑、蒸养、脱模、修补、养护、管片存储、管片运输等步骤。
首先是按照设计图纸的要求， 对钢筋原材进行下料、加工，然后将加工好的钢筋构件分别固定在靠模上，采用 CO2气体保护焊将其焊接成笼。 利用行车将钢筋笼吊入准备好的模具后，将模具关好，就可进入管片浇筑环节。 浇筑所用的混凝土通过行车运送到模具上方，采用吊斗就位浇混凝土的方式进行。管片浇筑成型后，生产工人先对其进行光面处理，静养一定时间后再进行蒸汽蒸养；经过蒸养，管片混凝土达到脱模强度后， 通过行车和特定吊具将管片吊离模具，再转运至养护池进行养护；水养 14 d 后转入堆场堆放整齐，再进行自然喷水保湿养护；养护时间最少14 d 以上；管片养护时间累计达到 28 d 后，最后根据工地的需要，将管片运往地铁施工现场。
3自动化生产线
3.1 自动化生产线生产方式的简单介绍
传统的生产方式是模具在生产车间内按环成排固定摆放， 操作工人在各个模具之间来回移动完成各个工艺的操作。 而自动化生产线是模具在生产线上，管理人员在控制台上通过电脑控制系统，根据现场施工情况控制模具的移动。 各操作工人只需站在固定的工位上完成本工序的操作， 完成一个等待下一个。振动房固定在生产线的中间位置上，振动房的上方是混凝土料斗， 搅拌好的混凝土直接输送至料斗中； 模具通过生产线移动到振动房后， 将料斗打开，就可以进行浇筑。 浇筑好的管片移出振动房后，由外面的生产人员进行光面处理， 静养一定时间后通过生产线移进蒸养房蒸养。 在浇筑好的管片移出振动房的同时， 另一个空模具移进振动房进行混凝土浇筑，如此循环操作。尽管流水线生产的操作手法有所不同， 但生产管片的工序与固定式生产是一样的（图 3）。
3.2 自动化生产线的工作原理
自动化生产线由控制系统、生产线、养护线、平移小车、浇筑系统、振动系统和养护系统组成（图 4）。
（1）控制系统自动化生产线的控制系统非常关键， 它是整条线的大脑， 生产线上的所有动作指令都是由控制系统发出的， 并且它要使生产线的每个动作都要协调一致。 控制系统是由电脑软件通过 PLC 控制各个驱动电机， 由驱动电机或者驱动电机带动液压泵站来完成相应的动作，其中包括：平移小车前后行走、模具移动、蒸养房窑门的开关、附着式振动器的开关、模具夹紧和松开、 混凝土料斗的移动和下料等一系列动作。 当各个动作到位后都有相应的传感器或接近开关把动作情况反馈给PLC，PLC 做出判断 后就会做出下一个动作。
（2）平移小车
平移小车是把模具从生产线运送到养护线和从养护线运送到生产线的转运设备， 它是一个液压系统，所有动作都是液压驱动，每条线的模具在动作之前小车都要在这条线的两端。因为，有一个模具在其中的一个车上向前推出， 另一个小车就必须在这条线的另一端接住前面的模具， 小车把等待养护的管片运送到蒸养房养护， 把养护好的管片运送到生产线脱模，从而形成了循环。
（3）浇筑系统
浇筑系统是用来完成管片浇筑成型的组成单元。 它的构成非常简单， 就是一个可以在两条生产线上方只能垂直生产线方向行走的料斗小车。 料斗小车只有两个动作： 一是前后行走来对准每条线的模具下料口； 二是料斗门的开关来完成混凝土的浇筑。
（4）振动系统
振动系统是管片生产的必要设备， 一般在自动化生产线上均采用整体式振动台， 即模具与振动台通过机械方式固定在一起，随同振动台整体振动，达到混凝土振实的目的。市政管片厂采用的不是用整体式振动台，而是在模具上安装附着式振动器，通过空压机产生的气流带动模具上的振动器， 从而对混凝土进行振实， 相关操作在控制台上通过人工遥控完成。
（5）养护系统
养护系统是由热源、温度传感器、温度控制器组成。管片养护的温度要求相对比较严格，升温速度不超过15℃/h，降温速度不超过 20℃/h。 管片养护分预养（与静停同时进行）、升温、恒温、降温四个过程，每个区域都在温度控制器上设定好温度范围， 温度控制器会根据传感器反馈回来的温度， 自动控制各个区域的温度，来保证管片的蒸养条件。
4自动化生产线在市政管片厂的应用
由于市政管片厂面积只有12 000 m2，按照常规的管片厂布局需要，场地显得比较窄小，因而厂房及各生产车间的布局显得至关重要， 必须充分利用好管片厂的每一寸空间，并配以完善有效的管理制度对员工进行管理，才能确保管片生产的顺利进行。为此，总公司及管片厂相关领导根据管片生产的特点，除了制定好相关管理制度、建立组织机构、明确岗位职能外， 还根据管片厂的实际情况及管片生产的需要反复考虑， 最后制定了符合市政管片厂自身发展的厂区布置图（图 5）。
此外，在确保管片生产顺利进行的基础上，管片厂根据生产的工艺流程，结合自动化生产线的特点，进行了适当的改良，既节省了成本，又有效提高了管片生产效率，具体表现在以下几个方面。
4.1 用平移小车代替叉车转运
按照以往的布局惯例， 管片转运一般采用叉车进行。考虑到厂内空间窄小， 长时间使用叉车不仅费用高、消耗大，而且存在一定的安全隐患。 经过认真对比后，管片厂采用平移小车来取代叉车。平移小车轨道从堆场开始，先后经过生产车间、钢筋车间，最后直通到管片养护池边上。 这样仅仅只需支付一点电费，管片脱模后就可以通过平移小车运送到养护池， 而出池后的管片又可以通过平移小车转运到堆场，整个过程既安全省事又经济实用。
4.2 用真空吸盘取代传统的脱模吊具
以往管片脱模时采用的是传统的吊具，吊具上带有4 根弯螺杆，起吊时将吊具上的弯螺杆插入管片螺栓预留孔中，用螺母锁紧后，通过行车起吊。 该吊具的缺点是：脱模时管片必须有足够高的强度，否则在螺栓孔周围会出现由起吊荷载引起的裂纹，而且弯螺杆安装时比较麻烦，还必须调节好四根钢丝绳的长度，保持起吊平衡，否则管片很容易就会跌落，存在一定的安全隐患。 采用真空吸盘后，这些问题都相继解决。 顾名思义，真空吸盘就像一个大吸盘，启动后可以将管片牢牢吸住，然后轻松吊起，杜绝了管片螺栓孔破裂的现象。 一旦出现吸力不够或者重心不稳的情况，吸盘就会自动报警，从而又解决了管片跌落的隐患。加上采用的是电脑控制，使用起来既安全又省时省力， 大大提高了生产效率。
4.3 改建蒸养房，适当控制供汽时间，节省燃油费用
由于管片厂采用的是柴油锅炉机，功率较大，平均每小时耗油125 L，按照正常情况，多生产一个循环，最少需要4~6 h 蒸养才能保证脱模强度。 为了降低成本，市政管片厂通过大量的研究和统计后，采取了一些行之有效的措施：除了改建蒸养房、降低蒸养房空间、加强蒸养房的密封性减少蒸汽外泄外，还有效地降低了柴油成本，总结出了以下两个节能方案：
（1）对生产计划进行适当调整，蒸汽养护尽量选择在气温较高的时候进行，从而减少蒸养时间（最少减少一小时），降低柴油消耗。
（2）在锅炉通汽2 h 后，停炉 1.5 h，利用锅炉及管道里的蒸汽自然蒸养， 等管道里的气压降到一定程度后再重新起炉， 这样在蒸汽养护的过程中就可以省掉1.5 h 以上的燃油费。
5自动化生产线的优点及效果
经过一年多的生产实践， 从生产运营效果上比较，自动化流水线生产方式比传统生产方式具有下述优势。
5.1 降低生产能耗
自动化流水线生产方式比传统生产方式具有显著的节能效果,主要体现在以下两个方面:
（1）行车运行能耗降低
传统生产方式模具是固定不动的， 所有的钢筋笼都必须用行车送到模具位，行车必须频繁地来回长距离运行； 同时管片出模也需要用行车频繁地长距离运送。 因此，采用传统生产方式时，行车运行时间长，能耗大。
自动化流水线生产方式由于吊装钢筋笼的工位是固定的，脱模工位也是固定的，只要在最初布置工位时保证钢筋笼存放位与钢筋吊装工位很近，就能减少行车频繁地长距离运行。同样，由于出模行车的停放点与脱模工位设置合理， 也大大减少了行车的运行距离，这样不仅降低了行车的能耗，提高了生产效率，同时也延长了行车的使用寿命。
（2）减少了养护蒸汽能耗
传统生产方式是采用简易帆布遮盖的方式进行单个模具蒸养，由于帆布的保温隔热效果差，密封性差， 因此在蒸养的过程中大量的热量透过帆布散失掉，或因遮蔽不严而外逸出来，这样大大地浪费了养护蒸汽的热量。
自动化流水线生产方式的管片养护则是在一个密闭的蒸养室里进行，由于蒸养室隔热效果好，密封性好，热量损失非常小；同时还能充分利用管片在凝固过程中内部放出的热量。所以，自动化流水线生产方式更能充分的节约蒸汽能耗，据统计，比传统生产式大约要节约60％。
5.2 提高了生产效率
传统生产方式因模具固定，为适应模具，人工、材料和吊装设备就必须处于不断地运动状态；又由于工位的不固定，钢筋笼的起吊、管片的起吊和混凝土起吊之间相互干扰很大， 而且行车需长距离地运行，所以大量的时间浪费在人员的调整、行车的协调和运行上面，大大地降低了生产效率，一般一套模具一天最多可完成2 个循环生产任务。
自动化流水线生产方式因各工位固定， 只要合理地布置场地，可达到混凝土起吊、钢筋笼吊装和管片的起吊工序互不干扰、同时进行，而且行车也无需长距离运行，人员也不用来回移动，这样大大地节省了各工序的时间，提高了生产效率。一般一套模具一天可完成3 个循环生产任务， 最高可达 4 个循环生产任务。
5.3 降低了人工费
采用传统方式生产， 生产车间每班需要 20 人，按双班轮班，则每天需要 40 人；而采用自动化流水线生产方式，生产车间每班只需 15 人，按双班轮班，则每天需要30 人， 即采用自动化流水线生产方式，生产车间可以少用10 人，按每位工人一年工资 3 万元计算，每年可节约人工费 30 万元。
5.4 节约了生产用地面积
按日产20 环管片，传统生产方式需十套管片模具计算占地面积。
（1）传统生产方式占地面积计算
单个钢模占地面积为：长为 6 m，宽为 4 m（均按操作空间1 m 计算 ）； 十套模具占地面积共计 ：6×4×6×10=1 440 m2。
（2）自动化流水线生产方式占地面积计算
流水线长85 m，宽 16 m，占地面积为 85 m×16m=1 360 m2。
从以上对比可以看出， 自动化流水线生产方式占地面积比传统方式占地面积小80 m2，但流水线蒸养房顶部可用作钢筋笼存放区， 其面积为：40 m长×9.5 m 宽=380 m2， 可节约钢筋笼堆放场地面积380 m2， 故自动化流水线生产方式可节约占地面积460 m2，大大提高了厂区场地使用率。
5.5 提高了管片质量
自动化流水线生产方式比传统生产方式更能保证管片的质量，生产出来的管片质量更为稳定。这是由于自动化流水线生产方式各工作位固定不变，工人只需负责自己工作位的工序，简化了各工作位工人的工作复杂性，使各工序的质量控制更容易掌控，提高了管片浇筑质量的稳定性。更为重要的是，管片蒸汽养护温度和养护时间控制的更为精确可靠，因为传统生产没有办法精确控制养护温度和养护时间， 而影响管片质量的一个非常重要的因素是养护温度和养护时间。 由于流水线生产出来的管片的蒸汽养护温度和时间是通过电脑来准确控制的， 因此其质量能得到很好的保证， 这是传统生产法达不到的一个显著优点。
5.6 提高了安全文明生产程度
自动化流水线生产方式各工位固定， 工人在自己岗位完成各自工位生产工序，无需来回走动，生产线过程井然有序，文明化程度大大提高。同时由于车间行车无需频繁地吊着重物在车间来回运行，工人也无需在车间来回走动， 使得出现安全事故的概率大大降低，提高了生产车间的安全生产程度。
6自动化生产线的不足及注意事项
6.1 自动化生产线对混凝土的要求比较高
与传统生产方式中模具固定的不同， 自动化生产线生产过程中模具是在不断移动的, 这就要求混凝土的坍落度不能过大， 同时初凝速度也要尽量的提前，否则就会在管片外弧面的下端产生堆积现象,从而影响管片的外观质量； 固定式生产就不会存在这种情况。这就要求技术人员和搅拌站操作人员要严格控制好混凝土坍落度及配合比， 使混凝土的初凝时间适合生产线的需要。
6.2 自动化生产线对设备的质量及检修要求较高
在固定模生产方式里， 每个模具是相互独立各不联系的，即使其中有一个或几个模具出现问题，也不影响其他模具的正常生产，灵活性相对较高；而自动化生产线全程由电脑操控，一环紧扣一环，一旦控制系统、振动台或者平移小车任何一点出现问题，都会导致生产线的整体瘫痪, 致使生产线上的所有操作工人将处于长时间的等待状态当中, 造成极大的浪费。 所以在选用设备的时候, 在这三个关键点上一定要保证其可靠性, 同时必须加强生产线的检修工作，确保生产线的正常运行。
6.3 自动化生产线对工人的熟练程度要求较高
由于生产线生产过程中各操作工人的工位是固定的，完成本工序的操作后再等待下一个，如果前面的工人操作不熟练，将会影响到后面工人的操作，从而影响到整个生产线的生产效率。因此，各工位上的员工都要求能够熟练操作。
6.4 自动化生产线对工人的规范操作要求较高
自动化生产线采用气动振捣混凝土， 模具浇筑好移出振动房前， 必须先将连接在模具上的气管拔掉，以免模具移动时将气管拉断。管片进入蒸养房养护前， 必须将模具上的芯棒拔掉， 以免管片蒸养完后， 芯棒和混凝土硬化在一起， 从而损坏管片和模具。 这些都要求工人平时养成规范操作的好习惯，避免出错。
6.5 自动化生产线对电力的要求较高
由于自动化生产线全程由电脑控制，一旦停电，整个生产线将会全部停止工作，这样，很容易会造成原材料及劳动力的浪费。因此，厂内最好配备一台发电机，以便急用。
7结 语
随着城市地铁的高速发展， 市场上对盾构管片的需求量逐渐增大， 自动化生产线已慢慢成为未来管片生产的一个发展方向。 虽然目前该技术还不是很成熟，但是通过不断地整改和完善，可以预见在不久的将来，自动化生产技术将被管片生产行业广泛采用。
参考文献
References
[1] 张凤详, 傅德明, 杨国详, 项兆池. 盾构隧道施工手册[M]. 北京: 人民交通出版社, 2005
Zhang Fengxiang, Fu Deming, Yang Guoxiang, Xiang Zhaochi. Construction Manual of Shield Tunnels [M]. Beijing: China Communications Press, 2005
[2] 中华人民共和国国家标准. GB50446-2008 盾构法隧道施工与验收规范[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2008
National Standard of People's Republic of China. GB50446 -2008 Code for Construction and Acceptance of Shield Tunnelling Method [S]. Beijing: China Architecture & Building Press, 2008
[3] 深圳市新力源建材实业有限公司. 市政总公司地铁管片厂建厂方案[R]. 2008
Shenzhen Xinliyuan Building Materials Industrial Co., Ltd. Cosntruction Scheme of Metro Segment Factory of Municipal General Corporation [R]. 2008
[4] 深圳市华森机电技术有限公司. 盾构管片生产设备[R]. 2007
Shenzhen HUASEN Electromechanical Tech Co., Ltd. Production Equipments of Shield Segment [R]. 2007
[5] 白 云, 丁 志. 隧道掘进机施工技术[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2008
Bai Yun, Ding Zhi. Construction Technology of Tunnel Boring Machine [M]. Beijing: China Architecture and Building Press, 2008
|
