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盾構隧道預制鋼筋混凝土管片生產施工技術

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上一篇：富水軟弱地層深基坑支護鎖扣鋼管樁施工技術

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（一五七）盾構隧道預制鋼筋混凝土管片生產施工技術
1. 技術背景
目前，隨著經(jīng)濟的發(fā)展和生產力水平的提高，盾構法施工在城市軌道交通工程中的應用越來越
廣泛。隧道盾構法施工可實現(xiàn)掘進、出土、襯砌等環(huán)節(jié)的自動化、智能化和施工遠程控制信息化，
掘進速度較快，施工勞動強度較低，施工安全性較高。國內市政隧道廣泛采用盾構法施工，施工過
程中沉降小、安全高效。
盾構混凝土管片是盾構隧道的基本構成，管片的力學性能及耐久性對盾構隧道的施工及使用年
限都具有重大的影響，保證管片的性能、質量等是盾構隧道施工不可忽視的部分，而管片生產是決
定管片性能、質量的關鍵。管片轉場吊運時易導致管片吊裝孔破損，在管片安裝過程中，由于管片
自重較大，一旦吊裝孔出現(xiàn)破壞，易造成管片脫落，可能傷及作業(yè)人員和設備，造成重大事故。
衡陽市合江套湘江隧道在工程實施過程中，總結摸索出了盾構隧道預制鋼筋混凝土管片生產施
工技術。該技術通過對模具的精度控制、鋼筋安裝、混凝土配合比控制、無壓蒸養(yǎng)和浸水養(yǎng)護多種
養(yǎng)護方式，保證管片性能及質量，利用有軌龍門吊進行管片吊運，并采用一種新型吊運夾具，在吊
運過程中減少對管片的磨損，解決管片吊運作業(yè)效率低下、縮短吊車使用周期、消除管片吊運交叉
施工等問題。
2. 技術簡介
2.1 定位式管片模具高精度合模原理
定位式管片模具主要由底架、2 個側模、2 個端模、2 個頂模、定位機構、開合機構、振動器及
進氣機構組成，側模、端模和頂模均可以相對于底架作轉動，通過操作雙向螺桿進行開合模的操作，
采用定位機構對模板的合模位置進行限位。
合模順序為端模-側模-頂模，側模通過平移關模，將模板沿導軌滾輪移動至吻合標志。端模板
與側模板、側模板與底模板采用螺栓連接。頂模為翻轉式，通過翻轉實現(xiàn)合模，方便灌注混凝土。
圖2.1管片模具三維圖
2.2 無壓蒸養(yǎng)工藝原理
在模具底部的蒸汽管道上均勻開滿小孔，蒸養(yǎng)時蒸汽從小孔中均勻地噴出來，使整個模具均勻
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地升溫。
蒸汽養(yǎng)護升溫采用2-2-3-2 方式，即管片成型后，靜停2 小時，升溫2 小時，升溫速率為
15-20℃/h，到達養(yǎng)護溫度后恒溫養(yǎng)護3 小時，降溫2 小時，降溫速率不大于20 ℃/h ，脫模。
圖2.2無氧蒸養(yǎng)溫度、時間曲線圖
2.3BIM+物聯(lián)網(wǎng)技術原理
建立管片BIM 模型，并用3D 打印設備進行打印，利用3D 打印模型及BIM 模型進行技術交底，
將制作完成并晾干后的管片貼上RFID 電子標簽，與BIM+物聯(lián)網(wǎng)施工信息化管理平臺中的管片一一
綁定，將管片信息錄入BIM+物聯(lián)網(wǎng)施工管理平臺，用于管片后續(xù)運輸及施工過程的信息化管控。
圖2.3管片模型
3. 適用范圍
適用于工程建設領域設有吊運孔的鋼筋混凝土預制構件的生產，尤其適用于采用盾構法施工的
地下隧道工程的管片生產。
4. 施工工藝流程及操作要點
4.1 施工工藝流程
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圖4.1施工工藝流程圖
4.2 施工操作要點
4.2.1 管片廠場地布置
1 施工便道：遵循方便施工開展及滿足施工機械設備需要。
2 場地硬化：遵循滿足施工需要，即：管片生產車間、大型機械專用通道、大型設備堆放場、
管片堆放場、腳手架和材料堆放區(qū)等。
3 管片廠房建設：滿足施工現(xiàn)場、駐地建設的基本要求，滿足原材料堆放、半成品加工、鋼筋
籠焊接、管片澆筑、鋼筋籠存放要求，并根據(jù)功能進行分區(qū)。
4 管片水養(yǎng)池建設：滿足400 片管片同時養(yǎng)護的需求，同時需布置管片吊運工具。
5 生活住宿和辦公區(qū)：本著人性化設計，滿足施工班組、工區(qū)員工及外來人員辦公、生活、活
動的需要。
4.2.2 建立管片BIM 模型
建立管片結構及鋼筋立BIM 模型，利用模型文件進行管片生產技術交底，并在隧道933 環(huán)管片
上預埋RFID 芯片，并將模型導入BIM+物聯(lián)網(wǎng)施工信息化管理平臺，用于與各管片一一綁定。
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圖4.2.2-1 管片結構及鋼筋模型
4.2.3 模具整體性加工
1 模具清洗
模具組裝前，對模具進行清洗，模具內表面使用海綿及膠片配合清理，清理模具外表面時，特
別要注意清除控制模具水平的所有點位的混凝土殘積物，不得有混凝土殘積物。
2 組模
定位式管片模具主要由底架、2 個側模、2 個端模、2 個頂模、定位機構、開合機構、振動器及
進氣機構組成，側模、端模和頂模均可以相對于底架作轉動，通過操作雙向螺桿進行開合模的操作，
模具拼裝采用定位式方案，采用定位機構對模板的合模位置進行限位，從而保證模具的設計尺寸和
精度。
合模順序為端模-側模-頂模，側模通過平移關模，將側模板向內輕輕推進就位，用手旋緊定位
螺栓，使用模端的推上螺栓，將模板沿導軌滾輪移動至吻合標志。將端模板與側模板連接螺栓裝上，
用手初步擰緊后用專用工具均衡用力擰至牢固，特別注意嚴格使吻合標志完全對正位，并擰緊螺栓，
不得用力過猛。把側模板與底模板的固定螺栓裝上，用手擰緊后再用專用工具由中間位置向兩端順
序擰緊。頂模為翻轉式，通過翻轉實現(xiàn)合模，為方便灌注混凝土，兩模間留出充分的操作空間。
3 噴涂脫模劑
脫模劑為水溶性脫模劑，先使用霧狀噴霧器薄涂，然后用拖布抹均勻，務必使模具內表面全部
均布薄層脫模劑，如兩端底部有淌流的脫模劑積聚，應用棉紗清理干凈，涂刷完后，檢查模具拐角、
棱角、手孔盒處是否有漏涂現(xiàn)象，若有應補涂。
4.2.4 模具檢測
每次鋼模合攏后，用內徑千分尺檢查鋼模的內凈寬度尺寸，并記錄于鋼模檢查表中。如圖所示。
在施工中尤其要注意，在裝配好模具后及放入鋼筋籠之前必須對鋼模內弧面寬度和外弧面寬度進行
檢測。每周需檢查鋼模所有的定位、螺栓連接、緊固、轉動部位的潤滑，緊固螺栓、定位機構、彎
螺栓每周都需要加注油脂，否則會影響模具的開合，降低工作效率，影響模具使用壽命。
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圖4.2.4-1 鋼模精度檢測示意圖
4.2.5 鋼筋加工及安裝
1 鋼筋骨架制作
鋼筋入場前，必須經(jīng)過檢驗，合格后方可入場。鋼筋按照下料表進行切斷及彎曲，主筋呈圓弧
狀，加工時要保證送料平臺彎弧機構、接料平臺在同一平面上，避兔主筋出現(xiàn)扭曲、不在同一平面
上的現(xiàn)象，鋼筋成型后表面不得有裂紋。加工后的受力鋼筋及構造鋼筋長度允許偏差為±10mm，彎
起鋼筋的彎折位置允許偏差為±10mm，彎起鋼筋的彎折角度允許偏差為2°，箍筋寬和高允許偏差
為±5mm。
圖4.2.5-1 弧形主筋示意圖
2 鋼筋安裝
當鋼筋骨架連接時，應按下料表核對鋼筋級別、規(guī)格、長度、根數(shù)及胎具型號；鋼筋骨架采用
高精度鋼胎卡具拼裝，保證鋼筋骨架兩端平面平齊，排放環(huán)型鋼筋，再在環(huán)形鋼筋內圈插入各類主
筋，然后焊接上下弧面的主筋，最后焊接各類型的構造鋼筋；鋼筋采用低分焊接工藝。焊接過程中
焊縫不得出現(xiàn)咬肉、假焊、火渣現(xiàn)象，且點焊牢固，防止在吊運時鋼筋骨架松動變形。
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圖4.2.5-2 管片鋼筋模型
3 鋼筋骨架入模
鋼筋籠經(jīng)檢查合格后，在鋼筋籠上指定位置裝上保護層卡具后由橋吊配合專用吊具把鋼筋籠吊
放入模具，對準位置輕吊、輕放，不得令鋼筋籠與模具發(fā)生碰撞。裝上頂部長系桿擰緊，長系桿螺
牙，螺母要注上機油，左右彎型模具系桿安裝時要特別注意順序位置，嚴禁錯序，未裝長系桿前不
得安裝彎曲螺栓。安裝預埋螺帽、預埋注漿管及剪力銷，安裝的預埋件與鋼模保持可靠的密貼，注
漿孔平整密貼于模板上，所有預埋件按照設計要求準確就位，進行位置校準后固定牢固，防止振搗
時移位，鋼筋骨架與金屬預埋件之間的凈距距離不得大于25mm。裝配好所有預埋件、鋼筋籠，并組
合好鋼模后，對模具外弧面寬度進行檢驗，核對吻合標志（即校對弧長等尺寸）。
4.2.6 混凝土澆筑
用龍門吊將裝滿混凝土的混凝土吊斗吊至模具上方，然后先模具兩端后中間進行放料, 分兩次
下料，每次一半?；炷练謱哟喂嘧ⅲ够炷猎谀＞邇染?，澆制順序為模具的兩端→模具中段。
分批啟動模具上自帶的附著式風動震動器振搗，利用混凝土分批放料以實現(xiàn)混凝土的分層震搗，先
開啟中間兩個振動器導流，待注滿后四臺振動器同時開啟；空模時禁止啟動振動器，否則將導致模
具損壞，震搗時間連續(xù)為6-8min，全部振搗完成后，整平中間部位混凝土。
4.2.7 混凝土光面
掀開中間的薄塑料布用手輕按有微凹痕后，進行面板拆卸，之后進行混凝土光面。
光面分粗、中、精三個程序，粗光面：使用鋁合金壓尺，刮平去掉多余混凝土（或填補凹陷處），
并進行粗磨。中光面：待混凝土收水后使用灰匙進行光面，使管片外弧面平整、光滑。精光面：使
用長匙精工抹平，力求使表面光亮無灰印。待混凝土達到一定的強度后，把螺孔桿拔除。在夏季施
工或冬季施工時，光面后在混凝土初凝前應先在長拉桿面上蓋上濕潤的養(yǎng)護布，如發(fā)現(xiàn)已出現(xiàn)收縮
裂紋應馬上用灰匙清除。
4.2.8 無壓蒸養(yǎng)
混凝土振動成型后必須靜置2 小時，當混凝土表面用手按壓有輕微的壓痕時，將用于蒸養(yǎng)的帆
布套套在模具上，布套下部與地面接觸的地方用木方壓實，然后在帆布套上預留的小孔中插入溫度
計，上述措施檢查無誤后開始通蒸汽。在布置于模具底部的蒸汽管道上均勻開滿小孔，蒸養(yǎng)時蒸汽
從小孔中均勻地噴出來，使整個模具均勻地升溫，而不會出現(xiàn)一端溫度高，一端溫度低的現(xiàn)象。升
溫時升溫速度控制在每小時15~20℃，防止升溫過快管片出現(xiàn)收縮裂紋，最高養(yǎng)護溫度在50~60℃，
恒溫時間3~4h。在整個過程中，由專職質檢員每半小時查看模具上的溫度計的讀數(shù)，以調節(jié)蒸汽通
入量的大小，使之符合上述要求。降溫時間不少于兩小時，降溫速度不大于20℃/h。
4.2.9 脫模
試磚強度達到21MPa 后，方可進行管片的脫模。首先拆卸系桿螺栓，清除混凝土殘積物，卸下
的系桿螺栓放置在模具托架橫梁上；之后拆卸側模與端模連結螺栓，后拆卸旁模與底模固定螺栓，
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收集齊全，清理干凈放入專用的箱（桶）內；使用專用工具將側模的定位螺栓及端模的推進螺栓拆
松，退位至原定位置后，兩手均衡用力，順著旁?；瑮U，分別把兩側模拉開至特設安全保險定位位
置；管片出模起吊時,采用專用水平起吊架將管片均勻吊起。
4.2.10 浸水養(yǎng)護
管片脫模后運輸?shù)金B(yǎng)護水池進行全天24 小時浸水養(yǎng)護，養(yǎng)護周期為28 天。管片水養(yǎng)池結構長
23.6m，寬88m，深度為3.5m，具體實施過程中可根據(jù)場地條件及生產能力進行調整。養(yǎng)護池底部安
放枕木，防止管片磕碰，由已預埋好的鐵皮進行固定，防止枕木上浮，管片側立養(yǎng)護，間距為0.5m。
4.2.11 管片生產、運輸BIM+物聯(lián)網(wǎng)應用
管片浸水養(yǎng)護并晾干后，利用噴漆在管片外側進行二次標記，并進行RFID 抗金屬電子標簽的粘
貼，RFID 抗金屬電子標簽采用附著方式，利用強力粘膠粘貼于管片內弧面。
RFID 抗金屬電子標簽粘貼完成后，在電腦端錄入相應構件信息，并在之后管片吊運的各個階段
通過手持機或電腦端進行等施工信息的關聯(lián)。在管片廠吊運碼頭、施工現(xiàn)場碼頭、堆放場地及下井
口布設有超高頻固定式讀寫器，對整個管片運輸過程進行管控。
圖4.2.11-1 RFID 標簽粘貼圖4.2.11-2 超高頻固定式讀寫器
4.2.12 管片吊運
管片從管片廠養(yǎng)護池運送至管片廠堆場位置及施工現(xiàn)場管片堆場位置運送至井口外端采用有軌
門吊運輸，吊運時使用夾具進行吊運，起吊吊鉤用一塊扁鋼通過轉動軸與吊運臂進行連接，吊鉤用
螺栓與扁鋼連接緊密，將吊運夾具左臂穿入吊運孔，吊鉤向上提升時，夾具左臂、右臂相互靠近，
夾具左臂插入右臂內，鎖定管片，進行吊運工作。
5. 材料與設備
5.1 材料
主要材料見表5.1。
表5.1 主要材料表
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序號材料名稱型號備注
1 混凝土C50、P12 管片生產
2 鋼筋HPB300 管片生產
3 預埋螺帽聚酰胺材料管片生產
4 剪力銷聚酰胺材料管片生產
5.2 設備
主要機械設備見表5.2。
表5.2主要機械設備表
序號設備名稱型號機具用途
1 汽車吊25T 管片吊運
2 有軌龍門架35T 管片吊運
3 鋼筋調直機GF4-10 鋼筋加工
4 鋼筋彎曲機CW40 鋼筋加工
5 鋼筋切割機GQ-40 鋼筋加工
6 電焊機40kVA 鋼筋焊接
7 混凝土輸送泵HBT80SEA-1818 混凝土澆筑
8 插入式振動器ZX-30 混凝土澆筑
9 發(fā)電機400KW 發(fā)電
10 發(fā)電機50KW 發(fā)電
11 吊具—— 管片吊運
12 平板小車—— 管片運輸
13 叉車25T 管片運輸
14 管片模具—— 管片生產
6. 效益計算分析
技術能夠快速、高效的對隧道管片進行吊運，通過吊運夾具進行吊運，不需要人工預先對管片
進行捆綁，減少了人工的投入，同時在吊運過程減少對管片的磨損，提高了作業(yè)效率；且施工簡單，
采用獨立場地進行流水式生產，生產速度快，提高了生產效率，縮短了施工工期，減少了管片修補
率，共計節(jié)約工期60 天，節(jié)約成本350 萬元，具體效益分析如下：
表6經(jīng)濟效益分析表
序號名稱計算說明
1
節(jié)約管片修補費
用
采用傳統(tǒng)管片生產方式管片破損率約為7.5%，采用本技術施工，管片破
損率為4%，管片共計8559 片，減少修補300 片管片。
隧道現(xiàn)場每天有3 個人進行修補作業(yè)，每天大約能修補10 塊破損管片。
修補每天使用人工3 人，260 元/天，腳手架、機械、電力、材料消耗
2000 元/天，每天費用共計2260 元，每塊管片修補的綜合費用約226
元。
節(jié)約的300 塊管片修補費用共計226×300=67800 元。
2
節(jié)約管片生產時
間
原管片生產工期計劃為546 天，采用本技術僅用486 天，節(jié)約工期60
天，管片廠施工工人累計為45 人，260 元/天，管片廠每天消耗機械、
電力等約48000 元。
管片生產累計節(jié)約費用共計260×45×60+48000×60=3582000 元
3 節(jié)約施工成本合計節(jié)約施工成本3582000+67800=3582000 元
7. 應用實例
7.1 工程概況
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衡陽市合江套湘江隧道位于衡陽市區(qū)北部，地處湘水、耒水、蒸水三水匯水口位置，是衡陽市
規(guī)劃二環(huán)線兩座過湘江通道之一。工程開工時間為2016 年3 月31 日，工期36 個月，隧道過江段采
用盾構法施工，盾構刀盤直徑11.65m，分為南北兩線穿越湘江，其中主線盾構段單洞合計長1867m
（南北線合計），南北兩線隧道間距為13.6m。主線明挖段南線882.394m，北線887.361m，匝道
三條，合計長約1655m。線路經(jīng)過處河床寬6lOm，水深15.30 - 12.70m，隧道最低點覆蓋層厚度
為9.14 米，隧道最大縱坡為5%（凹形曲線）。
根據(jù)襯砌環(huán)排布情況，北線隧道需467 環(huán)襯砌管片，南線隧道需466 環(huán)襯砌管，合計共需933
環(huán)。根據(jù)施工需要負環(huán)管片共需生產18 環(huán)，南北現(xiàn)各9 環(huán)。每環(huán)襯砌由九塊管片組成，其中一塊封
頂塊（F 塊），兩塊鄰接塊（L1\L2 塊），六塊標準塊（B1~B6 塊）。管片設計參數(shù)詳見下表：
表7.1 管片參數(shù)一覽表
項目特征
襯砌環(huán)直徑外徑11.3m，內徑10.3m
襯砌環(huán)分塊9 塊（40。x9）
襯砌環(huán)厚度50cm
襯砌環(huán)寬度2m(平均寬度）
襯砌環(huán)型式通用楔形環(huán)
楔形量55mm
拼裝方式錯縫拼裝
接觸面構造縱縫設置凹凸榫，迎千斤頂側換面設3mm 凸起面
連接方式
襯砌環(huán)間通過縱向均布的36 條M30 斜螺栓及18 個剪力銷連接；同環(huán)內塊與塊間
采用兩條M36 斜螺栓連接。
混凝土C50，抗?jié)B等級P12，
鋼筋HPB300、HRB400
7.2 施工情況
衡陽市合江套湘江隧道預制混凝土管片生產采用本技術施工。通過管片生產需求，設計布置管
片廠，通過對管片生產模具的四個階段的精度檢測控制、鋼筋制作及安裝、混凝土澆筑、混凝土光
面、無壓蒸養(yǎng)、脫模、浸水養(yǎng)護等步驟，保證管片的力學性能及質量，后期通過管片抗彎試驗、抗
滲試驗、抗拔試驗及水平三環(huán)試拼裝試驗檢測管片性能及質量，均符合設計及規(guī)范要求。通過有軌
龍門架配合夾具吊運的方式，減少了人力的投入，避免了交叉施工，有效減少了管片的磨損。
圖7-1管片廠圖7-2管片廠場地布置
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6
圖7-3管片鋼筋原材加工圖7-4預制管片鋼筋籠制作
圖7-5管片鋼筋龍骨圖7-6保護層卡具
圖7-7無壓蒸養(yǎng)圖7-8浸水養(yǎng)護
圖7-9超高頻固定式讀寫器圖7-10門架吊運及新型夾具
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7.2-11讀取電子標簽圖7-12抗彎性能試驗
圖7-13三環(huán)管片拼裝試驗圖7-14抗?jié)B漏試驗
圖7-15管片廠平面布置圖
8. 技術咨詢服務單位聯(lián)系方式
技術提供單位中建市政工程有限公司
主要完成人王斕胡建賓姜涌于藝林賀磊陳灃范強
技術咨詢聯(lián)系人王斕聯(lián)系電話17773410041

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