鋼筋混凝土隧道管片生產振動工藝選擇

1、鋼筋混凝土隧道管片生產振動工藝選擇經(jīng)過十幾年的發(fā)展，國內已經(jīng)建成了106家管片廠，滿負荷產能可達到每天2650環(huán)，在總量增加的同時，各管片廠由于建廠條件不一，工藝路線各異，所能夠產生的經(jīng)濟價值和質量效益差別很大，通過分析比較各廠的工藝路線，發(fā)現(xiàn)其中最主要的原因是由于管片生產理論的滯后，導致部分管片廠在缺乏理論指導的條件下，在確定管片生產關鍵工藝的選擇過程中發(fā)生偏差，留下了生產技術環(huán)節(jié)上的短板，部分管片廠投產后沒能實現(xiàn)設想中的效益最大化。在容易發(fā)生偏差的幾個管片生產技術環(huán)節(jié)中，又以振動工藝的選擇失當最為突出，本文擬通過理論結合生產實踐的方式，介紹管片生產振動工藝的選擇方法。鋼筋混凝土管片可采用自

2、流平混凝土進行生產，也可以采用振動密實混凝土進行生產，由于在得到相同終凝強度的混凝土構件條件下振動密實混凝土的配方價遠低于自流平混凝土，所以在實際生產中，絕大部分的管片以振動密實混凝土進行生產。為振動密實混凝土選擇正確的振動工藝，將可以獲得好的混凝土配方價、模具費攤銷和振動能耗方面的經(jīng)濟性指標，同時可以得到好的混凝土耐久性，還可以獲得降低振動噪聲等的多重效益，是管片廠工藝選擇的最重要環(huán)節(jié)。管片生產的混凝土澆注振動分為插入式振動棒振動、附著式振動器振動和整體振動臺振動等基本方式。插入式振動棒振動在澆注混凝土的同時，把插入式振動棒插入混凝土內部，把振動棒本身的振動傳遞到與之接觸的混凝土中進行振動的

3、擴散傳遞，以達到把混凝土振動密實的作用，由于振動棒所產生的振動密實有效范圍大約為以振動棒為中心半徑350mm以內，這種振動方法要求操作者在不超過振動棒作用半徑的位置上作多點插入振動，以使管片個點混凝土均被有效振動密實。由于振動發(fā)生在混凝土內部，在單個點上混凝土達到正振動點的時間其實并不長，故不容易發(fā)生因長時間振動導致的混凝土離析。如果發(fā)生操作工人漏振，則漏振部位混凝土的密度將不足。插入式振動棒振動適用范圍廣，對模具形狀、管片混凝土方量大小、水灰比不敏感。但插入式振動棒的振動頻率和振幅不可調。插入式振動棒振動對模具無特殊要求，對模具的損傷表現(xiàn)為振動棒把模具內表面打出坑點。此外，操作振動棒的過程中

4、，因為操作者難以真正觀察到混凝土下面鋼筋和埋件的分布情況，所以難以完全避免振動棒敲擊鋼筋和埋件的事故。插入式振動棒振動能耗較低，人工費用高，而由于國產振動棒的壽命較短，長期生產所產生的振動棒采購成本并不低。附著式振動器振動附著式振動器被安裝在模具內弧面下面，附著式振動器被壓縮空氣帶動工作起振，帶動其上的內弧面鋼板一起作類似鼓膜被敲擊時一樣的振動，這種振動被傳遞到與內弧面鋼板接觸的混凝土中，在混凝土內部，這種振動擴散傳遞，受到振動的混凝土達到密實效果。由于附著式振動器的水平作用距離在700mm左右，模具內弧面下方振動器的分布一般在700mm左右，而在相鄰振動器范圍內，會產生振動器附近激振作用大，

5、遠離振動器的位置激振作用小，且由于振動波干涉的原因，在相鄰振動器作用范圍重疊位置，會發(fā)生由于振動干涉導致的在某一點、某一時段內振動被互激倍增或被互相削弱的情況，導致局部混凝土過振或欠振，該情況會隨機發(fā)生，并無規(guī)律。而在相對遠離振源的端頭板和角部等位置，激振作用相對較小，易產生欠振現(xiàn)象。一般情況下，當振源附近混凝土達到正振動點時，遠離振源的地方會欠振，當遠離振源的地方達到正振動點時，振源附近混凝土會過振，欠振位置混凝土密度會較低，過振位置混凝土會發(fā)生離析，大骨料會下墜，砂和水泥漿會上浮。無論欠振或過振，混凝土的均質性均受到挑戰(zhàn)，混凝土的強度將得不到保證。無論在何種情況下，由于管片混凝土在受到附著

6、式振動器所產生的振動傳遞沿高度方向是能量遞減的，管片靠近內弧面的位置的大骨料分布密度均比靠近外弧面的位置的分布密度高，管片必然產生比較多的混凝土內部的均質性問題。附著式振動器的振動頻率可通過人為調整供氣球閥的開度來作小范圍調整，此種調整無法精確控制頻率，無法實現(xiàn)同一模具上各振動器的真正強制同步，且全靠人工掌握。在同一片模具的不同振動器之間，由于各自不同的振動工況的互相作用（主要是受從相鄰振動器傳遞來的振動波的干擾），振動器在犧牲輸出功率的前提下稍趨向同步，而該種同步實際的效果并非各點振動工況高度一致，且會因為氣壓波動或灌注混凝土體積變化等因素被隨時打破。附著式振動器要求模具是柔性的，一旦模具剛

7、度過大，振動作用就會被模具本身吸收消耗，而另一方面，模具剛度太低，模具的耐久性又將受到挑戰(zhàn)。柔性模具的底模是軟的，通常為筐式結構，不會象日式模具那樣大量使用垂直筋板加強。而上模部分也做成軟模，側板的高度通常為模具型腔的深度一樣，側板和端頭板位于底模的邊沿上方，以鉸鏈、合模螺栓和定位球頭球窩實現(xiàn)定位。側板和端頭板下的密封膠條與內弧面鋼板接觸實現(xiàn)密封。這樣上下模之間的聯(lián)系僅限于鉸鏈、合模螺栓、定位球頭球窩和密封膠條，這樣底模在被附著式振動器帶動振動時，上模對其的約束非常小，激振力的損失也就少。因為振源在模具內弧面下方，跟鋼筋籠和埋件不直接接觸，故附著式振動不會影響鋼筋和埋件。但由于振源附件模具內弧

8、面鋼板的彈性變形跳動非常厲害，故可見主筋與內弧面鋼板之間的粗骨料經(jīng)常會因為鋼板和鋼筋之間互相敲擊彈射粗骨料，來回彈跳的粗骨料易把主筋下方的內弧面鋼板打出淺溝。附著式振動器振動由于采用壓縮空氣驅動，壓縮空氣的能源轉換率很低，能耗很高，人工費用低，而由于所用振動器數(shù)量龐大，價值又高，加上要配套大排量的空壓機和儲氣罐、管路、干燥機、水油分離器等，采購和使用成本很高。整體振動臺振動整體振動臺振動利用電振動馬達驅動，現(xiàn)代的整體振動臺配合使用變頻器，可實現(xiàn)模具程序化的變頻變幅振動，因此可根據(jù)混凝土澆注的個階段對振動的不同要求編制最適合的振動程序，實現(xiàn)按須的程序化振動。由于使用電馬達提供振力，整體振動臺可實

9、現(xiàn)真正的強制同步振動，完全避免了鋼筋和埋件被打或者粗骨料敲擊內弧面鋼板的問題。激振力的傳遞是通過整個內弧面鋼板進行，當混凝土被灌注后，混凝土內部各處受到的激振力的頻率、振幅和相位高度一致，混凝土的均質性非常好，且振動時間可很短，振動頻率達可到大部分作用于小骨料的高頻段（可到4500rpm），混凝土不易發(fā)生離析。由于激振力強大，可進一步降低混凝土的水灰比，實現(xiàn)半干硬性甚至干硬性混凝土的下料振動。由于水灰比可有效降低，混凝土密度可更高，耐久性更好。整體振動臺振動用電振動馬達直接驅動，換能效率遠高于氣動振動器，而且振動時間短，能耗遠低于附著式振動器振動，但仍然高于插入式振動棒振動。由于系統(tǒng)故障率低，

10、把購置成本、模具攤銷費用、電費、工費，維護費用等因素考慮在內，使用整體振動臺的綜合成本非常低。整體振動臺噪聲強度低，振動對工人健康的影響小。整體振動臺振動要求使用日式高剛性體系模具。模具的剛度大，有利于振動的傳遞。日式高剛性體系模具在底模內使用大量的垂直筋板，把筐式結構加強成為網(wǎng)格狀的箱體結構，底模的剛度比歐式柔性模具大的多。日式高剛性體系模具上模的高度比型腔深度要大，在底模外沿型腔以下延伸出經(jīng)過機械加工的壓合平面，該壓合平面和底模側面的機械加工承接平面壓緊，合模螺栓擰緊，上下模即成為剛性非常好的整體。這類模具的重復精度高、耐久性好。手持的插入式振動棒振動對操作者的依賴大，對人的傷害大，效率低

11、，目前的應用日漸式微。以下著重對比附著式振動和整體振動臺振動的差異。振動效果：附著式振動器振動的頻率、振幅難以準確調整，下料過程不同階段的頻率和振幅需求難以滿足，不同的振動器振動的相位難以統(tǒng)一，造成混凝土容易發(fā)生離析，管片內部各處混凝土的均質性不好，局部密度偏低，要求的混凝土水灰比較大，振動時間長，外弧面附近容易發(fā)生浮漿過厚的現(xiàn)象。整體振動臺振動的頻率、振幅可調，可對下料過程不同階段所須的頻率和振幅作程序化的控制，各振動器的振動相位完全同步，不容易發(fā)生混凝土離析，管片內部混凝土均質性好，密度高，要求的混凝土水灰比較小，振動時間短，可避免外弧面附近發(fā)生浮漿過厚的現(xiàn)象。適應性：附著式振動器振動對管

12、片尺寸的適應性強，大小管片都能對付，但對于大直徑，厚度大的管片，單純使用附著式振動器振動易產生澆注振動時間過長、混凝土離析分層的問題。附著式振動器振動較適合于管片訂單數(shù)量少、模具投入數(shù)量少、無后續(xù)同規(guī)格管片訂單，對管片內在質量和隧道壽命要求較低的臨時項目。電振動馬達驅動的整體振動臺振動適合于單片自重6噸以內的管片，而重量大的管片更適合使用液壓振動臺，液壓振動臺可克服單純使用附著式振動器振動產生的澆注振動時間過長、混凝土離析分層的問題。但液壓振動臺因為首期投資大，限制了其在目前大直徑管片訂單數(shù)量少、生產期短的條件下的推廣。整體振動臺振動較適合于管片訂單數(shù)量大、模具投入數(shù)量多、有后續(xù)同規(guī)格管片訂單

13、，對管片內在質量和隧道壽命要求較高的長期項目。振動能耗：附著式振動器振動的模具，以地鐵常用的6米或6.2米直徑，1.米環(huán)寬，300mm厚的管片模具為例，通常使用4個VSP6623或VSP4423振動器，每個振動器的耗氣量為1800L/min，4個振動器每分鐘要用0.60.7MPa的壓縮空氣7.2立方米，考慮到有兩片模具同時工作的機會，通常會使用一臺10M3/min排量的空壓機，此空壓機的電功率一般為60Kw左右。按照國內同行普遍能達到的水平每片1.5方混凝土的管片使用附著式振動器振動時間5分鐘計算，共耗電5KWH。同樣方量的管片模具使用電振動馬達驅動的整體振動臺振動的話，振動臺將裝備4臺3Kw

14、馬達，共12Kw，因為整體振動臺的激振作用大，振動時間較短，按照國內同行普遍能達到的水平每片1.5方混凝土的管片使用附著式振動器振動時間3.5分鐘計算，共耗電0.7KWH。模具壽命：附著式振動器振動的模具是歐式柔性模具體系，一方面由于模具自身剛度低；二來由于模具上模的組裝是采用人工定位后焊接連接點，以后無條件做機械加工和熱處理，焊接應力釋放會導致模具變形；其三因為模具各相鄰部件接受到的振動的頻率、振幅和相位差異，相鄰部件之間的振動摩擦很厲害，模具變形發(fā)生得較早，在不作模具整修的條件下，按能滿足國內三環(huán)拼裝和內寬度要求的模具壽命大約在6001000循環(huán)。整體振動臺振動模具剛度很高，在焊接成型后經(jīng)

15、過熱處理消除焊接應力后，才做機加工，所以模具形體保持很好。其次，模具各部件接受到的振動的頻率、振幅和相位一致，相鄰部件間不易發(fā)生振動摩擦，模具磨損少。國內運行得好的整體振動臺振動模具以進行了2800循環(huán)的生產，未經(jīng)過大修，目前模具狀況還很好，仍在使用當中。首期投資：以地鐵使用的6米左右直徑管片模具使用意大利SOMAI為例，每個附著式振動器約合人民幣3800元，每環(huán)模具大約使用1621個，加上空壓機及管路等，一組10套模具容量的生產線上，振動方面總投資約為90萬元109萬元。整體振動臺單價約40萬元/臺，如果一條10套模具容量的生產線配置2臺振動臺，成本約80萬元。由于附著式振動器模具鋼材用量少

16、，加工費用較低，目前國內附著式振動器模具和整體振動臺模具單價差異較小，含振動器附著式振動器模具單價通常比整體振動臺模具高24萬元/套，把空壓機、管路和隔音房建造成本考慮在內的話，相對于3千萬元左右的建廠投資來講兩者差別不大。設備攤銷：兩種振動方式設備攤銷的差異主要表現(xiàn)在模具和振動器兩方面。由于兩種設計理念的差異，模具使用壽命差距很大，按照目前大約70萬元/套的模具單價計算，附著式振動器模具可使用1200循環(huán)，每環(huán)模具攤銷583元；整體振動臺模具可使用3000循環(huán)，每環(huán)模具攤銷233元。附著式振動器屬于消耗品，通常在使用8001500個循環(huán)后開始進入故障期，須更換分配器滑片及維修，3000循環(huán)后

17、開始報廢部分振動器，每環(huán)管片攤銷的振動器成本約為2126元/環(huán)。整體振動臺使用電振動馬達，馬達損壞后將重繞線圈或更換換軸承，振動臺其余部分可以長期連續(xù)工作，振動臺氣囊要定期更換，綜合攤銷費用不超過5元/環(huán)。綜合使用成本：振動環(huán)節(jié)可比綜合使用成本包括：工人工資、振動系統(tǒng)的設備投資攤銷、設備的使用維護成本（包括易耗零件和耗材）、電費、影響混凝土配方價的變化、等。項目附著式振動器振動整體振動臺振動備注工人工資7.507.50振動系統(tǒng)設備成本215含購置成本及耗材模具成本攤銷514233扣除振動器后電費35.103.78混凝土配方價節(jié)約部分0-23生產速度差異導致的固定費用攤銷1009883合計158

18、6.61109.28管片成本占比10.67%7.4%按15000/環(huán)計算利潤差異03.27%按照年產10000環(huán)管片計算，使用整體振動臺振動每年可增加477萬元利潤。而且使用整體振動臺振動還帶來管片產能增加導致的工人計件工資提高、工人工作積極性增加可忍受更高要求的管理以及由于工資高而工人流動性下降等的方便。設備管理：附著式振動器振動的模具使用的振動器數(shù)量龐大，故障發(fā)生點在模具內弧面下，非常分散，安排檢修工作很困難。模具在維修保養(yǎng)時要停臺，在進入故障期后，振動器本身維護保養(yǎng)的工作量很大，而且該振動方式對于模具的損害較厲害，模具的維護保養(yǎng)的工作量也很大。附著式振動要求使用大排量空壓機，大排量空壓機

19、、干燥機和油水分離器的維護保養(yǎng)工作量也不小。整體振動臺元器件數(shù)量少，故障頻率低，而且故障點集中在振動點處，安排檢修工作很容易。振動臺在維修保養(yǎng)時可以用其他振動方式進行生產，模具無須停臺，而且該振動方式對于模具的損害小，模具剛度大，耐久性好，模具的維護保養(yǎng)的工作量也很小。環(huán)保：附著式振動器須使用錠子油和空壓機油潤滑，潤滑油氣化后排放到大氣中去。工作噪聲大約在98110分貝，如果建隔音房，關上隔音門后，門外1米處的噪聲大約比沒關門時低35分貝，仍然會傷害振動點附近工人的聽覺。該噪聲產生的原件是振動器本身，機理是壓縮空氣的爆鳴聲，仔模具上作減噪處理無作用。傳統(tǒng)的整體振動臺工作時的噪聲大約在9598分

20、貝，主要噪聲產生的原件是模具的活動部件，機理是活動部件受振相互敲擊發(fā)聲，通過使用分離式輪子、整體蓋板和減少模具設計的活動零件等方法，結合使用復合振動下料技術，目前已有管片廠成功地把噪聲降低到8588分貝。振動過程不會產生外泄氣化油霧污染。附著式振動器適用于大型及露天作業(yè)構件模具，例如箱式梁等。對于管片模具，它較適用于大直徑、訂單數(shù)量少的臨時工程。在歐洲，因為盾構隧道多為設計施工總承包，每個項目的管片數(shù)量不太大，可不考慮模具和設備壽命差異，而且相對于歐洲的工資水平，模具設備的攤銷占管片成本構成比例遠低于在我國的情況，再者，歐洲對原材料的控制乃至外加劑的使用條件遠優(yōu)于我國，所以附著式振動器在歐洲得到廣泛使用，但在國內的使用遇到不少問題。大直徑、訂單數(shù)量不太大的管片項目，電驅動整體振動臺的激振力不足，只能使用液壓振動臺，通常管片廠難以承受液壓振動臺的首期投資，