预制混凝土管片生产线建设及前沿技术分析

樊杰FAN Jie

（中铁十四局集团房桥有限公司，北京 102400）

1 综述

近几年，随着国内隧道建设的如火如荼，盾构技术的发展也日趋成熟。预制混凝土管片是盾构法施工的主要装配构件，是隧道的最内层屏障，承担着抵抗土层压力、地下水压力以及各种外部荷载的作用，其质量直接关系到隧道的整体质量和安全，因此对管片的内在质量和外部公差尺寸有着非常严格的要求。由于预制管片体型较大、形式多样、使用时需求量较大等特点，一般选择临近工地现场建设预制混凝土管片生产线，其结构设计合理与否直接影响到管片的生产速度及质量，需要总体设计人员有着较高的综合知识体系，另外具备一定的预制产品生产管理经验。

2 关键工艺参数与计算

2.1 管片参数

预制混凝土管片本身属性，如大小、重量、分块等是预制混凝土管片生产车间建设最基础的参数；决定了车间的规模及生产形式，各项设备、设施的参数。（表1）

表1 管片参数影响因素表

这里建议根据对未来需求的预测，提出一定的设计裕度，以便能在节省费用的前提下满足未来的生产。比如某条生产线在建设之初考虑用于生产6.4m 外径的管片，由于进行了预留设计，可实现少量增加投资的情况下生产外径9m 以下多型号的管片的能力。

2.2 生产线设计产能

管片需求是从盾构下井到全线洞通期间，管片开始生产最少要提前2 个月，这样保证管片能够达到下井的强度要求，也能让生产人员熟悉相关设备与流程。

根据管片需求计划，管片生产车间的产能、水养池的大小，堆场的大小、人员配备也就确认下来了。表2 是某地铁甲项目6.4m 型管片需求计划（单位：环）。

表2 某地铁甲项目6.4m 型管片需求计划（单位：环）

考虑到管片生产受到春节假期影响，一年有效工作月份取11 个月，可得出管片平均月需求为879 环。另外考虑到冬季施工效率下降，该计划匹配生产线的设计产能宜取大于900 环/月为宜。

2.3 蒸养参数

采用蒸汽蒸养升温加快混凝土中水泥水化反应的方法为蒸养，蒸养具有显著提高混凝土的早期强度，加快模具周转，提高生产效率，现广泛用于预制混凝土管片的生产。蒸养分为静停、升温、恒温及降温4 个阶段，一般升温速率15℃/小时，降温速率20℃/小时。蒸养参数的变化对管片成型质量与后期性能有很重要的影响。因而蒸养设计不当，不但不能取得提高效率的预期，反而容易出现质量缺陷和混凝土性能不达标，将会造成严重的经济损失及不良社会影响。

蒸养参数是管片生产线最重要的参数之一，它和生产节拍息息相关。恒温区一般设定温度为50℃±5，为了提高生产效率最高不超过60℃。管片生产最低要求是静停时间不少于2 小时，蒸养时间不小于4 小时，才能保证成型脱模强度及管片的外弧面成型质量。

蒸养分3 种形式：湿蒸、干蒸、干湿结合，目前绝大多数企业都采用湿蒸形式。

2.4 生产节拍

生产节拍就是每生产1 块管片所需的时间，公式为：生产节拍=单块模具振动时间+浇筑室单块模具运转时间。

由于是流水线生产，节拍决定了管片生产线产能；它与混凝土质量、流水线运行效率、附着振动模具设计优劣、生产管理水平等都有直接的关系。其中以附着振动模具设计最为重要，以6.4m 管片模具为例，同样条件下，振动设计好的模具振动仅需3.5 分钟，而差的模具可能需要5 分钟。考虑到生产线运转的平稳和安全性，还有其他工序必要的保障时间，生产节拍也并非越快越好。

同样以上述甲项目（6.4m 管片为6 分块设计）为例，生产线正常投产按照每天2 个班，每个班工作10 小时，每个月28 天计算。为完成产能计划，设计节拍T 应满足：10×2×28×60≥900×T×6，计算可得T≤6.22min。

考虑到生产线运转的实际情况，该项目生产线的设计节拍时间可取为6min=单块振动时间（4.5min）+单块运行时间（1.5min）。原则上，实际生产中我们应尽力保障单块运行时间的稳定，同时通过优化配比等措施控制振动时间在4min 左右时效益更好。

2.5 模具数量

模具数量的设置是生产线布局的重要组成部分。为满足循环生产的条件，需保证管片脱模时强度达标，蒸养制度和时间是决定脱模的最重要因素。

仍以甲项目生产线为例，6.4m 管片生产应考虑节拍裕度，取生产节拍5.5min。此时按照蒸养时间不低于4 小时需要44 个模具，静停不低于2 小时需要22 个模具，加上主线上运行的12 个模具，共需要78 个模具，13 环（6 个模具/环），同时考虑到冬季蒸养效率的下降，设计方案中增加配置一套模具至14 套为最佳。

3 生产线工艺模式

目前生产线有着多种工艺模式，各有优缺点，分别是：通窑链条工艺模式，以法国CBE 为代表；独立窑子母车工艺模式，以华森为代表；新势力智能制造模式，结合各种模式的优点设计的新式生产线。

3.1 通窑链条工艺模式

通窑链条模式是浇注工作线和蒸养线平行，浇注工作线和蒸养线上的模具通过链条带挂钩的形式逐一驱动模具前进，浇注工作线和蒸养线之间的模具通过横移小车运输，蒸养窑是通窑的管片生产线。其升温区、恒温区及降温区难以实现温度梯度。图1 是通窑链条式生产线简图。

图1 通窑链条式生产线简图

3.2 独立窑子母车工艺模式

独立窑子母车模式是浇注工作线与进窑子母车线和出窑子母车线相互平行，进窑子母车线和出窑子母车线之间放置蒸养窑，蒸养窑与这两条线垂直，浇注工作线与出窑子母车线平行，出窑子母车线通过子车将模具运输到浇注工作线，浇注工作线浇注好的模具通过滚轮和传送带方式送到进窑子母车的子车接收位，进窑子母车的子车将模具接收到进窑子母车线，然后送入蒸养窑。该模式生产线特点是理论蒸养温度曲线啮合与理论曲线，一个模具坏了不影响生产线运行。图2 是独立窑子母车式生产线简图。

图2 独立窑子母车式生产线简图

3.3 智能管片制造工艺模式

智能管片制造模式是由十四局房桥智能制造于2020年新发展出的概念，结合各种模式的优点设计制造的新式管片生产线。其浇注工作线和蒸养线平行，浇注工作线通过联动滚轮驱动模具前进，浇注工作线和蒸养线之间的模具通过2 个AGV 小车运输，蒸养线上没有驱动，蒸养好模具通过出模AGV 小车运输到浇注工作线的AGV 送模工位，浇注好的模具送入AGV 出模工位，由进模AGV 小车将模具送入蒸养室内，送入蒸养室的模具一直不动，直到蒸养完成。其蒸养窑进行隔断，在单独的蒸养隔断窑内进行静停、升温、恒温及降温4 个阶段，很好的保证了蒸养温度曲线。该模式生产线特点是产出管片质量高，系统容易实现智能化升级。

3.4 各工艺模式生产线的比较（表3）

表3 各工艺模式生产线的比选表

4 关键设备设施的确定

4.1 蒸汽锅炉

蒸汽锅炉是给蒸养室提供加热能量的。一般使用常压锅炉，蒸汽包处工作压力8~10kg/cm2，小直径管片生产一般需要2T 的常压锅炉，大直径（10m 直径以上）管片需要3T 的常压锅炉。蒸汽主管路通径一般不小于100mm，也不建议大于150mm，需采取管道保温措施。

4.2 空气压缩机

空气压缩机主要是给附着式振动模具提供空气动力的，其中也包括气缸、气动扳手气动工具。一般使用螺杆压缩机，配套储气罐和空气干燥机，在模具有4 个及以下振动器时，可采用在10kg/cm2输出10m3的压缩机，模具有6个及以上振动器时采用在10kg/cm2输出20m3的压缩机。南方必须配备高性能干燥机，压缩空气主管路直径一般等于压缩机出口管径，但不建议大于150mm。

4.3 搅拌站

搅拌站是提供高强度混凝土给生产线浇注用的。由于管片的混凝土强度一般要求最小是C50，塌落度为50~70mm，搅拌站每盘的实际搅拌方量明显小于名义方量。另外需注意，混凝土搅拌及运输时间应小于节拍时间。基础都比较低，在排放冷凝水的同时还要考虑防止雨水倒灌。

5 一些前沿技术应用

目前，随着国内人口的老龄化，以及年轻人就业的多样化，管片生产线上那种重体力、重复性工作很难吸引到年轻人到一线工作，现在的操作工人年龄都在50 岁左右，再往后将面临用工荒。故此，管片生产线的自动化智能化提升迫在眉睫。作者将目前所知的管片生产线一些前沿应用进行了归类，其中一些已经取得成功，还有一些正在研发试验阶段，供读者参考。

5.1 自动化技术

即通过对生产线运转定位控制及相关工序模拟设备的研发实现机械替代工人标准化作业的过程。较成功的自动化技术目前有自动接气、自动盖板、自动脱模装置等，可实现完全的人工替代，安全性和效率也较高。正在研发中的有钢筋笼自动入模、自动开合模装置、自动振捣等技术。图3 为自动接气和自动振捣系统设计图。

图3 自动接气和自动振捣系统设计图

5.2 智能化技术

通过使用机器臂及编程模拟工人作业动作，从而代替原来生产线上的重复作业，如机器人清模、机器人喷涂脱模剂、机器人抹面、机器人打码等，目前能实现部分代替人工，减少作业强度。

5.3 检测监测技术

主要是一些生产辅助技术，如管片尺寸的3D 检测、模具振动力检测装置等技术，目的是为了提高生产质量，降低废品率。目前3D 检测技术已较成熟，可实现实体管片和模具尺寸的检测；模具振动力检测正在研发中。

6 结论

本文主要介绍了预制混凝土管片生产线建设的要点，并对工艺参数计算、生产线模式对比、关键设备选定等方面进行了深入探讨。另外本文指出了生产线结合自动化和智能化技术是未来行业的发展方向，希望各位同行们和作者一起将这些前沿技术的研发工作推进下去。