【doc】广州地铁二号线盾构预制混凝土管片研制与开发.doc

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1、广州地铁二号线盾构预制混凝土管片研制与开发广州地铁二号线盾构预制混凝土管片研制与开发ResearchandDevelopmentoftheTunnelShieldPrecastConcreteSegmentsfortheGuangzhouSubwayNo.2Line杜志军赵同顺柯德辉周佩沿(广州市建筑机械施工有限公司广州510115)摘要地下盾构施工技术中,作为支护结构的预制混凝土管片是其关键技术之一.奉文针对广州地铁:号线盾构管片抗渗混凝土配合比,浇捣,养护与脱模,钢筋骨架制作,大型高精度钢筋混凝土管片成型技术进行了试验研究,取得了一些适用性的成果,并应用于管片产品生产关键词盾构管片抗渗混凝

2、土真空脱模1育口言盾构法施工是一项世界先进水平的技术,采用盾构法进行地铁隧道掘进具有施工速度快,衬砌质量高,对环境影响小等优点.该工法于l8l8年由英国工程师布鲁诺尔(Brune1)发明,用于泰晤士河底下的隧道工程,l890年经格雷特黑德(T.HGreathead)成功开创气压法盾构施工技术而被广泛采用.特别是近20年来,盾构法施工技术已从气压盾构到泥水加压法盾构以及更新型的土压力平衡式盾构,已使盾构法能适用于任何水文地质条件F的隧道工程施工.二十世纪八十年代,我国引进该技术,其中1989年建成的上海延安东路穿越黄埔江的隧道工程就是时世界上第三条用盾构法施工的长大隧道,1998年建成的广州地铁

3、一号线亦采用了该技术地铁盾构施工技术中.作为支护结构的预制混凝土管片制造,安装技术是其关键技术之一,它作为成品直接拼装到隧道中,要求其具有高强度,高精度,高质量,高抗渗性能和较高的外观质量,它对隧道的长期稳定和安全运行起着至关重要的作用.地铁盾构管片的研究涉及到管片材料,管片结构形式与几何尺寸,管片的支护结构形式与连接形式,拼装方式,防水处理,管片的强度与耐久性等问题.针对广州地铁二号线宽度(长度)1.5m的大型盾构预制钢筋混凝土管片所进行的试验研究,取得了一些适用性的研究成果.该项成果应用于地铁管片生产,填补了国内管片生产的空白,并取得了良好的经济效益和社会效益杜志军等:广州地铁二号线盾构预

4、捌琨凝士管片研捌与开发2项目概况2.1工程概况该管片产品用于广州地铁二号线赤岗至鹭江区间隧道盾构工程.2.2生产设备溉况为使该大型高精度混凝土管片生产做到技术先进,经济合理,安全适用,符合国情,我们先后对国内外5个预制混凝土管片生产厂家进行了广泛的调研,在满足设计要求的前提下,建成了-国内一流的地铁盾构管片生产线.2.3主要技术指标该预制大型高精度钢筋混凝土管环每环由6块管片拼装组成,管环构造详见图l.其中:72.标准管片3块,与顶块相邻的645.管片2块,l5.封顶管片1块,块之间用螺栓连接.管片类型有标准型,左转弯型和右转弯型三种形式.管环内,外径为5.4rn,60m,每环宽度(长度)为1

5、.5m,砼强度等级为C50,抗渗等级为Sl2.灌浆孔螺栓管抗拔力为130kN,管片抗弯力为l20kN.剖面l2a-AIHb26,L|.l_L十A3t一【L-_号一0-L一一一一I田1管环构造圈压.鞫24生产工艺概况该项目主要内容包括模具,钢筋骨架及其成型技术,混凝土搅拌,混凝土养护与脱模技术等,工艺流程详见图2.砼搅拌采用微电脑程控自动计量,监控操作系统,管片生产采用专用钢模具,吊斗就位浇注方式,并采用无压蒸汽养护,喷淋养护和真空吸盘脱模等技术,确保管片质量.该生产工艺在国内居领先水平,且生产效率高.圈2工艺藏程田2.5产品验收情况该预制大型高精度钢筋混凝土管片试生产阶段完成后,2001年4月

6、5日由广州市质检站,广州地铁总公司建设事业部,广州地铁监理公司赤岗至鹭江区闯监理部,广州市盾建地下工程有限公司等单位对管片产品进行验收.试验结果为:该管片主要技术指标,包括管片几何尺寸,三环水平拼装误差,管片抗弯力,灌浆孔螺栓管抗拔力等指标均满足设计要求,其中一些指标高于现行国家标准地下铁道工程施工及验收规范(GB50299一l999)的要求,建议投产.该产品已于2001年用于广州地铁二号线赤岗至鹭江区间隧道盾构工程.广州建筑GUANGZHOUARCHITECTURE22年第2期3混凝土配合比试验与研究3.1混凝土配合比控制指标管片混凝土强度等级为C50,抗渗等级为Sl2,混凝土配台比需经过试

7、配确定,设计要求除满足强度要求外,其抗渗等级要比设计要求提高O.2MPa.3.2混凝土配台比试验地铁盾构管片质量和精度要求较高,在该新产品的研制与开发过程中,公司组织有关工程技术人员对无压蒸汽养护高抗渗矿渣粉混凝土进行了研究,对管片混凝土配合比进行_试验.3.2.1原材料地铁盾构预制混凝土管片的原材料应尽可能选用同一厂家同一品牌的产品,以便于管片产品质量的控制.特别是水泥的选用.将直接影响到管片产品的外观质量.3.2.2混凝土配合比试配在选定水泥,砂,石子等基本原材料的基础上.为了满足设汁要求的混凝土强度和抗渗性能,减少混凝土管片收缩变形,产生裂缝,外表麻面和气泡等不良现象,确保混凝土管片几何

8、尺寸的精度.根据不同环境温度进行了混凝土配合比室内试验和模拟混凝主管片无压蒸汽养护试验,采用高效减水剂,在抗渗混凝土中等量掺加水泥用量10%的矿渣粉,共做了25组混凝土配合比试验,选用了5种类型的外加剂做混凝土配合比,强度及抗渗试验.根据试验结果,拟采用5个混凝土配合比做管片生产试验.3.2_3管片生产试验为了进步验证混凝土配台比试验结果用于管片的可行性.优选混凝土配合比,较好地掌握管片生产可能发生的质量缺陷,优选5个配台比进行了lO片(次)模拟管片生产试验,基本上掌握了混凝土管片的生产工艺.对于混凝土管片出现的影响外观质量的侧端气泡产生原因进行了分析,进一步优化混凝土配合比,改进混凝土浇捣工

9、艺.在此基础上,再进行了5片(次)模拟管片生产试验,最终取得了较为理想的混凝土配合比(见表1),该配台比用于地铁盾构预制混凝土管片正式生产.表1混凝土配合比噩强度配台匕坍抗压强度MPa求泥矿渣粉落蒸汽标准养护抗渗用量用量水泥巾砂石子水矿渣粉外加剂度养护等级l,e,/mkg/m5257d28dcm5h3824211.752.970.4l0I】0.6%6521.7494602.Sl24模具安装,调试,维护与保养管片模具的精度和耐久性是影响管片质量的主要因素之一,广州地铁二号线地铁盾构工程设计采用单个管片长度为1.5m,是国内首次在地铁建设工程中采用大型地铁盾构管片.因此,对管片模具提出了更高的要求

10、,钢模具基本尺寸允许误差应满足表2要求.为此我公司委托有经验的钢模具制造商cEREsOLATUNNELB.AG公司设计与制造.壮志军等:广州地铁二号线盾构援翻晁凝土管片研崩与开发13表2钢模具基本尺寸允许误差单位:iqlo41钢模具安装钢模具安放在水平的,带有坚固混凝土基座的木枋面42钢模具调试钢惶投人使用前,应进行仔细的调试与测量,也括按顺序松,紧调节螺杆来打开和关闭模具侧板.捌节螺杆拧紧关闭模具时应使用扭扳手,力矩控制在200N-131.若超出允许公差.应及时进行调整4.3钢模具维护与保养模其扪阡与关闭应使用扭矩扳手,管片脱模后用高压守气或柔软的布清理模具表面和连接螺栓孔内的残留物+必要时

11、,可用薄刮铲清除水泥淤渣,碎屑.以确保模具的拼装精度使用期间,模具的凋节螺杆,调整螺栓应定期涂抹黄十油;模具闲置期间,应置于关闭状态,井做涂油防腐蚀处理,每半年保养次5混凝土浇捣与养护技术5.】涂刷混凝土脱模剂在清理十净的模具内表面均匀涂刷脱模剂,要求薄m均匀,无积油,淌油现象.52混凝土搅拌混凝.搅拌采刚SlC0MA公司的MPI500TN型搅拌机(站J,该站配有微电脑自动控制程序,在贮料罐门上安装有湿度感测探针,在搅拌机底盘上安装有湿度感测电极,自动探测骨料的拌合用水量和搅拌机内骨料的古水量,并可根据输人的配合比参数,自动扣除骨料的含水量而进行自动控制混凝t搅拌作业:j3混凝土浇捣采用吊1+

12、下料,第?次下料顺序为先低后商,从模具边缘向中问过渡.下料的同时即进行振捣,混凝土浇捣高度至25cm后,应依次关闭模具上盖板,然后,再从模具上盖板预留面插入振动器进行平行于内外弧面的振捣,同时进行第二次下料,混凝土在高频振动力作用下流动顺序为由高到低,最终混凝t填实整个模具.振捣结束后,上盖板预留面用刮尺沿模具外缘弧面找平.j4管片外弧面整修混凝上浇捣成型后,即可打开模具上盖板.进行管片外弧面整修.要求管片外弧面密实光滑平整,边棱完整无歃损,以提高管片的抗渗性能,减少盾构施工过程中对盾构机尾刷的磨损:5.5混凝土管片养护工艺混凝土管片养护分为三个阶段:第一阶段为在模具内的养护,即管片脱模之前的

13、养护;第二阶段为管片脱模之后的洒水喷淋养护,养护时间为7d;第三阶段为自然养护,养护时间为21d,可在堆场进行:当环境温度高于25时,模内混凝土管片可采用自然养护812h;当环境温度低于25时,模内混凝土管片采用无压蒸汽养护为了确保养护效果,采取控制升降温速率,控制最高养护温度等技术措施,并用电子温度感应仪监控蒸汽养护过程.无压蒸汽养护基本工艺为:静养+升温+恒温+降温,并根据广州气候条件,调整混凝土管片模内蒸养曲线.6混凝土管片脱模技术为缩短混凝土管片模内养护时间和生产过程中的辅助作业时间,加快模具周转,经14广州建筑GEANGZHOUARCHJrECTURE2002年第2期过对国内外生产厂

14、家的调研和技术论证,决定采用真空吸盘脱模技术.该技术具有以下优点:f1)当混凝土强度达到Cl8(约为设计强度的36%)时,即可脱模;(2)操作简单,迅速,劳动强度低;(3)利用真空吸附管片,对管片无损伤;(4)真空吸盘面积大,可防止脱模起吊过程中管片的摆动,避免管片与模具的磕碰而造成管片掉角,掉块等现象.真空吸盘主要原理:电动机带动真空泵通过单向阀抽空储气罐内的空气,使其产生大于或等于70%的真空度.真空吸盘放置在管片上弧面,依靠真空吸盘内的密封垫圈与大气隔绝,当操作控制器时,可使真空吸盘.与储气罐内的真空连通,依靠储气罐内真空与大气压之负羞,吸附起吊管片真空吸盘机的主要技术参数如下:真空吸盘

15、起吊能力:4200真空吸盘个数:3个操作真空度:70%90%真空吸盘自重:600kg电动机功率:1.5kW最大真空度:99%7混凝土管片质量测试与检验7.1混凝管片质量验收评定标准(1)混凝土管片物理力学性能应符合下列指标:管片混凝土抗压强度为50MPa;管片灌浆孔螺栓管抗拔力为130kN;管片抗弯力为l2OkN;管片混凝土抗渗压力为l_2MPa.(2)馄凝土管片表面平整,无缺棱,掉角,麻面和露筋;几何尺寸允许偏差值应符合设计要求.(3)混凝土管片三环水平拼装检验允许偏差应符合设计要求.72混凝管片检测器具与方法该大型地铁盾构钢筋混凝土管片精度要求很高.常规方法不能满足要求.必须使用特殊榆测测

16、试方法.在管片生产过程中,首先要控制钢模具尺寸精度.其次要检验管片产品的尺寸,符合各项指标后,才能出厂.7.21钢模具尺寸精度检验使用钢模具的4套专用量规(A型,B型,C型K型钢模具各一套).每次测量l6个点,可一次完成一套钢模具的测量.测量方法:根据所量测模具型号与转弯类型,装配相应的l6个标准垫块,垫块螺母的拧紧力为200N-m,然后将量规吊人微开的钢模具内定位,再关闭钢模具,用塞尺量测模具上l6个锥脚与侧板间隙,该间隙即为钢模具所测方向的尺寸误差.要求钢模具每生产400片混凝土管片时,进行一次检验.7.2.2混凝土管片尺寸检验单个管片宽度使用1500mm特大量程,精度为0.02lnm的游

17、标卡尺检验.外圆弧长用钢卷尺检验.7.2.3管片三环水平拼装检验在内径为5.4m,外径为6m,高度为0.3m的圆环形钢筋混凝土专用平台上进行,平台表面平整度误差小于025mill.主要检测器具为塞尺和钢卷尺.7.2.4管片力学性能检验(1)混凝土试块抗渗性能,强度试验在我公司的实验室进行;(2)管片力学性能检验委托广州建设工程质量安全检测中心按设计要求对产品进行随机取样检验,试验依据现行国家标准混凝土结构试验方法标准(GB50152-92)和预制砼构件质量检验评定标准(GBJ321901一杜志军等:广州地铁二号线盾柄预翻混凝土管片轩胄I与开发1573混凝土管片质检验结果根据管片生产质量保证体系

18、,对已生产的10800片管片进行了质量检测,产品合格率达99.95%一7.3.1混凝土管片检验结果(1)混凝土管片外形几何尺寸检验结果见表3.裹3混凝土管片外形几何尺寸检验结果单位:110111检测项】偏差值范围宽度(长度)加.2+045厚度加.82一+2.00弧长(非封顶蛙)0.00一:tO90弧长(封顶块)0.00一09O其它R寸满足管片质量验收评定标准(2)混凝土管片宽度(长度)偏差分布情况见表4.130kN提高15%;(3)混凝土管片抗弯(标准环A片)试验结果:该管片的正常使用荷载值(初开裂荷载)为192kN,比设计正常使用荷载值提高60%;破坏荷载值达480kN,比设计破坏荷载值提高

19、33%.7.33混凝土管片三环水平拼装检测结果检测结果见表5.裹5混凝土管片三环水平拼装检测结果单位:mrn检测项目偏差值范围环向缝阃隙O.2l-(】纵向缝阃隙O.20_9成环后内径(不放防水垫)1+2成环后外径(不放防水垫)-1一+2纵,环向螺栓全部穿进<+2裹4混凝土管片宽度长度)偏差分布单位:trtrn8结语管片偏差值范围tl占总量的百分率(%)O0.IO31.25O.IlO.2029l7O.2IO.3020.8303l04018.75O_4l0.500>0.500我公司在混凝土管片研制过程中,优选国内外先进设备,研制开发新的生产工艺,并在生产管理过程中严格控制质量,使所承担

20、的广州地铁二号线地铁盾构大型高精度预制钢筋混凝土管片研制与开发项目取得了成功,满足了广州地铁二号线盾构工程的需要,使地铁二号线的建设进度和建设质量均比一号线建设上了一个台阶.(3)混凝土管片外观质量:掉块,麻面等参考文献原因导致管片外观质量不合格5片,占生产1GB5016492混凝土质量控制标准总量的0.05%.l2】2GB502991999地下铁道工程施工及验收规范7.3.2混凝土管片物理力学性能检验结果13GBJ32190预制混凝土构件质量检验评定标准(1)混凝土管片抗渗压力经测试达到14Jq/T552000普通混凝土配台比设计规程1.2MPa:l5】5GB5015292混艇土结构试验方法标准(2)混凝土管片灌浆孔螺栓管极限抗拔力达150kN,比设计要求的极限抗拔力16广州建筑GUANGZItOUARCHFrECTURE2002年第2期