矩形顶管及其生产工艺装备的研制和应用

吴贤荣 仲长平 方德田

（扬州中意水泥制品有限公司）

收稿日期：2015-4-7

前言

顶进施工法用钢筋混凝土方涵（以下简称矩形顶管）是国外在20世纪90年代开发应用的新型顶管技术，由于其具有断面利用率大、覆土浅、施工成本低等优点，该项技术可用于城市交通人行地道、车行地道、地下管线共同沟、引水和排水管道工程等，矩形顶管是供矩形顶管掘进使用最主要的结构材料。

扬州中意水泥制品有限公司（简称中意建机）本着精致、整合、创新的发展战略，组织精干力量与上海城建市政集团预制构件厂合作，于2014年3月份开始对矩形顶管的生产、工艺、全套工艺装备、模具等进行研制，现已研制成功，并投入批量生产。

本文主要介绍淮安市现代轨道交通一期工程下穿隧道所用超大型矩形顶管的生产工艺及中意建机为矩形顶管的生产所开发的全套工艺装备、模具的研制和应用情况。

1 工程概况及产品特点

本工程为淮安市现代轨道交通一期工程，位于淮安市楚州大道、深圳路等五处下穿隧道工程，约250节。顶管外形为矩形，规格尺寸较大，在制作、施工上具有一定的难度。

该型顶管外廓尺寸为70 0 0mm×430 0mm×150 0mm（内净尺寸：60 0 0mm×330 0mm×150 0mm），管壁厚度500mm。混凝土设计强度等级为C50，抗渗等级为P8。顶管两端内外分别为预埋钢套环和钢环。两顶管之间接头形式为F型承插式契形胶圈连接（如图1所示）。

该顶管的生产具有以下特点：

（1）重量重、体积大：单节顶管总重约为40t（混凝土约为15m3，内部钢筋、预埋钢板等重约4.5t）。这为顶管的制作、吊装和运输带来了难度。

（2）钢筋骨架制作难：外弧主筋粗，周长约36m，每环由4根各有两个圆弧的直径为22mm HRB400螺纹钢组成，方形且带两个圆弧的钢筋加工成型难度较大。

（3）钢套环制作难：四个角的圆弧成型难度大，直边容易变形。

（4）顶管翻身难度大：顶管先得由制作位置翻转180°后堆放，装车运输，到推进工地后再进行90°翻身，由于重量重、体积大，在安全和技术方面存在一定的难度，必须突破传统小顶管翻身方式，创新翻身工艺方法。

（5）预埋件种类、数量多：制作、安装难度大，生产工效低。

2 生产工艺及装备

2.1 工艺流程

工艺流程：原材料进厂—原材料复试—钢筋半成品制作—钢筋骨架、钢套环、预理件等制作—钢模清理、涂脱模剂—钢套环入模安装—钢筋骨架人模、预埋件定位—合模、吊装孔定位、模板精度检测—混凝土浇筑、抹面—自然或蒸汽养护—脱模、起吊至堆场—洒水养护—翻身、灌注密封胶、钢套环防腐—顶管修补标识、顶管出厂。

2.2 主要生产工艺及装备

（1）钢筋弯弧要点及弯弧机

矩形顶管主筋的制作难点是外弧主筋，每环外弧主筋由4根各有两个圆弧的钢筋组成，在钢筋弯曲前，先在每段弧交界点做好标记，然后用三辊弯弧机两边分别弯制R450弧，直线段留出来不弯。弧全部弯制好以后，放在标准靠模检查，符合要求后，在弯弧机操作平台上做好移动轮移动位置标记，以便下次快速制作。三辊弯弧机需具有点动和倒转的功能。

采用普通三辊弯弧机生产，由于钢筋较粗，工人劳动强度大，生产工效较低，一台弯弧机不能满足生产需要。

建议最好采用数控弯弧机生产，但数控弯弧机投资比较大。我公司生产现采用钢板卷板机一次可卷16根钢筋的弧（如图2所示），生产效率高，可满足生产的需要。

（2）钢套环加工、专用胎架及防腐要点

钢套环下料尺寸一定要按图纸下料，并保证它的公差在允许范围，过紧起吊会对钢套环造成损坏，施工过程中不易安装；过松会使水泥浆外流、漏水。制造方形钢套环的关键是4个圆弧角，4个角要特别成型，钢套环焊接连接时一定要焊实，钢板接口实行双面坡口，焊接后确保焊接点强度同母材强度，焊好后再进行打磨，形成表面平整与光滑。

钢套环在焊接组装时必须在水平专用胎架（如图3所示，已申报实用新型专利）上组装，且胎架的尺寸还要考虑焊接收缩因素，这样既可保证钢套尺寸，又能保证钢套环口的水平。

钢套环防腐处理采用环氧涂料。具体要求是先涂环氧富锌底漆二度，待固化后再涂环氧沥青涂料二度。

（3）矩形顶管用吊具及翻身架简介

针对顶管体积大、重量重的特点，为了更好地保证顶管的起吊和翻身，特研制出新型顶管专用吊具及翻身架，已申报实用新型专利（如图4～图6所示）。

翻身架可实现顶管180°翻身，翻身装置采用机械自锁翻转，自锁作用可以有效保证顶管在翻身过程中的安全，并防止吊装孔出现混凝土破裂现象。

国内普遍采用的吊具存在笨重、插销进出困难、使用不方便等问题。我公司研制的该套新型顶管专用吊具由方形横担式吊架、吊臂、下挂吊索、插销等组成，使用方便、可靠。

（4）矩形顶管钢筋骨架成型及靠模

矩形顶管钢筋骨架成型是在靠模上焊接进行的（如图7所示），靠模制作的质量直接关系到钢筋骨架放入钢模（模板）中的精度及钢筋保护层的厚度。设计要求内外侧保护层均为35mm，箍筋（纵筋）间距150mm，顶管厚度500mm。考虑到钢筋弯弧、钢筋骨架组装、焊接过程中存在误差，将内外靠模各向中间缩进10mm。箍筋（纵筋）间距按设计要求150mm。靠模立柱设置要适当，太密影响钢筋骨架组装，太稀钢筋骨架会变形，影响钢筋骨架精度，长度方向每边设置3根立柱，宽度方向每边设置2根立柱，立柱采用角钢，内外立柱上面按内层主筋间距打孔，孔中水平穿入钢筋，在组装钢筋骨架过程中，先将内层主筋靠在立柱边放在水平钢筋上，形成一层层间距相等的主筋，然后再将箍筋和其他辅助钢筋与内层主筋焊接，内层焊接完成后再放置外层主筋，并将外层主筋与箍筋焊接。

（5）钢模组装及钢模

模具组装非常关键，模具组装的速度直接影响到生产效率的高低，经过反复推敲、试验，模具组装工序效率最高的方法应为：先支内模，焊接承口内衬钢环，钢套环连接筋应先焊接好后再放入底模，承口内衬钢环四个角的连接筋应在钢筋骨架放入模后再焊接，钢筋骨架入模后焊接压浆孔、注浆孔、预埋钢板，焊接完后组装外模。通常矩形管节设计有8只吊装孔，每侧各2只。顶面和顶面各两只是方便厂内起吊移位和装车用，侧面的两个中心孔用于厂内翻管，侧面另两只偏心孔用于现场顶管安装起吊，所以要求吊装孔的安装尺寸必须准确；否则，容易造成顶管起吊时偏斜或无法起吊，直接影响管节的移位、翻转、装车和顶进轴线偏移。为保证吊装孔的位置准确，我公司设计将吊装孔定位在外模上而不是固定在钢筋骨架上（已申报实用新型专利），待外模组装好后再焊接插口内外预埋钢环（如图8、图9所示）。

模具及特点：采用中意建机自己设计制造的模具，该模具主要的特点为模具整体加工，尺寸精确，底模、外模、内模、内角模焊接成型后分别采用数控机床加工中心整体一次性加工，保证了模具尺寸准确无误，内外模装配后无间隙，各圆弧段平滑过渡，从而保证了混凝土制品承插口尺寸及外表光洁度；钢模结构新颖，装拆方便，底模固定在基础上，内模、内角模全部采用铰链与底模连接，外模与底模采用定位销连接，拆模时只要将固定螺栓松开，内角模向内侧倾倒，外模可直接吊起移开即可；吊装孔固定直接设计在外模上，保证了矩形顶管吊装孔位置准确，确保矩形顶管在吊装、翻转时的平稳；根据用户底模承口体与底模架可分离，上移承口体可生产不同长度的矩形顶管，实现一模多用，为用户节约模具投资。

（6）混凝土搅拌及混凝土成型工艺装备

混凝土搅拌采用中意建机设计制造的HZS50搅拌站（如图10所示），该搅拌站的特点为采用双卧轴搅拌机，搅拌速度快而均匀；电脑自动控制计量，配料准确；搅拌的混凝土质量稳定可靠，完全满足高标号混凝土的搅拌要求。

混凝土成型工艺主要有浇注（加辅助振动）成型工艺、芯模振动成型工艺、高频竖向振动成型工艺等成型工艺方式。

浇注（加辅助振动）成型工艺的优点为成型工艺简单、小批量生产灵活、产品外观光滑、漂亮，可生产大规格和多孔方涵产品。缺点为规模生产时模具投入大、产能小、工人劳动强度大，相对另外2种工艺方式，原辅材料、人工及其他生产成本高。

芯模振动成型工艺采用干法生产，芯模高频整体振动使混凝土液化密实，同时使水泥有一定的活化以提高混凝土强度，混凝土密实度高，可以立即脱模，大量减少了成型模具数量及总体费用，与湿法工艺相比，可减少原材料的成本和降低人工费用等。

但由于芯模振动成型原理方式为激振力横向传递、沿法线方向激振力衰减，在生产方型构件时混凝土所受激振力强度大小不一，四直角处所需振力要求最高，实际传递的振力最小。通常芯模振动成型工艺不生产大口径的预制混凝土方涵，一般口径在2500mm×2500mm以下的单仓预制混凝土方涵。

高频竖向振动成型工艺主机采用大型高频板式竖向振动原理，可预制混凝土检查井和箱涵；接口部分辅助加压振动，瞬时脱模，由于也是高频干法生产，具有与芯模振动成型工艺一样的优点。

由于竖向垂直振动受重力影响及整体设备参振部分质量大，竖向振动成型的激振力衰减比横向传递激振力的芯模振动要快。所以输出能量也就是设备的装机容量大，此工艺成型方式最适合制造平面面积大、竖向矮的混凝土制品。

该工艺方式生产的制品与芯模振动成型工艺相似，生产的制品强度高、抗渗性能好，生产大小混凝土方涵的适应性能强，模具费用低。但产品表面不如浇注成型工艺生产的制品光滑，主机设备一次性投入较大。

通过以上分析，我公司采用浇筑加插入式振动成型工艺（如图11所示）成型矩形顶管，成型时布料应均匀，分5层振动密实、压口，为防上部环裂，静停一小时后插口复振、压实、收光。

（7）蒸汽养护工艺及装备

采用帆布罩进行蒸汽养护（如图12所示），由于产品壁较厚，使用低升温速度及低温蒸养，每小时升温速度不超过20℃，最高温度不超过60℃，达70%设计强度时脱模。

（8）脱模及矩形管节的翻转

脱模时的矩形顶管表面温度与环境温度之差不得大于20℃。依据经相同条件养护混凝土试件强度值达设计要求脱模强度以上，方可进行拆模。

拆模顺序为：拆卸端模、外侧模固定螺栓，清理干净放在指定位置；清除混凝土残积物，移出端、外模；松动内角模、外模调节支杆、固定螺栓，清理干净放在指定位置；将千斤顶（4个）同步上升，以便矩形顶管与模具脱离，然后吊装至存放场养护。

由于在工厂内生产的标准管节一般按垂直方向下料成型，即生产时顶管的插口在上，钢承口在下，脱模后由于承口钢圈露出混凝土端面不便存放和运输，所以需要旋转承口和插口方向，即承口钢圈要向上，这样也方便填止水槽密封胶。通常做的圆管直径小，容易翻转，但这么大型的矩形管翻转是存在较大难度并不安全的，为避免安全事故并保证管节翻转到位，工厂要特制翻管架，管节翻转时一定控制好速度和平衡度，使管节顺利平稳翻转到位。

3 产品质量控制措施及主要技术指标

首先对混凝土的和易性、流动度、混凝土用外加剂及掺加的混合材进行了大量的试验和优化，使混凝土浇注成型的产品初步达到了内外壁表面光滑平整、边角无缺陷的质量状况，生产的矩形顶管产品钻芯取样混凝土强度达到56MPa以上。

我公司由于强化了质量管理和制定了质量控制点的作业程序，使出厂的矩形顶管产品边角齐整、内外壁表面光亮整洁、无裂纹、混凝土强度高、接口密封性能好，获得了用户的赞誉。

钢筋断料、成型、钢筋骨架制作每道工序必须在班组、质检员和车间质检部门的监督下进行，工人持证上岗，在上岗之前都要接受质量部门的质量技术交底，操作工作应熟悉规范和标准。

钢筋弯曲应严格按设计图纸要求，进行弯曲加工。

钢筋进入弯弧机时应保持平衡、匀速，防止平面翘曲，成型后表面不得有裂缝。

（1）骨架成型、焊接

钢筋成型骨架必须在符合设计要求的靠模上制作。

骨架首先必须通过试生产，检验合格后方可批量加工生产。

钢筋骨架焊接应严格控制焊接质量，焊缝不得出现咬肉、气孔、夹杂现象。钢筋的弯曲按设计和现行国家标准加工制作，焊缝、高度符合规范要求，焊接后焊丝及焊渣清除干净。

焊接成型的钢筋骨架经检验合格后实行挂牌堆放，堆放整齐稳定。钢筋骨架允许误差需符合规范、标准要求。

（2）模具清理

组模前必须认真清理模具，把模具上的混凝土残积物全部清除。

模具内表面使用电动钢丝球清理，严禁使用铁器清刮。

清理模具外表面时，特别要注意清除测量尺寸所在位置的混凝土残积物。

（3）喷涂脱模剂

喷涂脱模剂由专人负责。

喷涂脱模剂前先检查模具内表面是否留有混凝土残积物，如有及时清模返工。

模具内表面均匀涂刷薄层脱模剂，底部有淌流的脱模剂积聚应用海绵清理干净。

（4）钢筋骨架入模

由吊机配合专用吊具把钢筋骨架吊放入模具，操作时桥吊司机与地面操作者密切配合，两端由操作者扶牢，明确手势指挥，对准位置轻吊、轻放，以免钢筋骨架与模具发生碰撞。

钢筋骨架放入模具后要检查保护层是否匀称，任何一侧保护层大于规定公差，或严重扭曲的钢筋骨架都不得使用，吊离模具运走，经返工合格后方可使用。

各个模具节点就位后安装连接螺栓校紧。由专人按规定安装预埋配件。

钢筋骨架入模后，按要求将每只钢筋骨架一一进行校正。对注浆孔、预埋件的位置、保护层等进行校正、实测，方可进行混凝土的浇筑振捣。

（5）组模

组模前应检查模具各部件、部位是否洁净，脱模剂喷涂是否均匀，不足的地方要清抹、补漏。

检查底模板与侧模板、端模板的连接缝胶条是否移位或脱落，如有此现象，要及时修正。

把外侧模板与底模板边缘就位吻合，用专用工具紧固调整螺栓由中间位置向两端顺序拧紧，严禁反顺序操作，以免导致模具变形精度损失。

钢模组合好后核对吻合标志，由专人负责对模具内面进行宽度测量。未经检验的模具，不得使用。

吊装孔安装主要是要注意锚固钢筋焊接牢固。

（6）混凝土搅拌

混凝土基准配合比经试配试验确定。每天混凝土开拌前根据气候、气温和骨料含水率的变化，出具当日搅拌的混凝土配合比，搅拌站不准随意更改配合比。若混凝土出现异常情况，确实要需调整配合比，由搅拌站及时通知实验室或技术部门解决。

混凝土配合比材料允许偏差：水、水泥、外掺剂分别为±1%，粗、细骨料为±2%。

混凝土搅拌时间最低限为90秒，掺有外加剂时，搅拌时间要适当延长，冬季的搅拌时间应比以上规定时间延长50%。

混凝土拌出后由实验室取样做拌合物质量检验及试块制作。混凝土试块留置每个工作班不少于3组。其中1组进标养室标养，作28天强度试验（其中有1组作备用）；另2组同方涵构件同条件养护，测得折模强度、出厂时的抗压强度。

（7）混凝土浇筑

浇筑前必须按规定对组装好的模具进行验收，发现任何不合格工序应通知上道工序返工，经验收合格后可以浇筑。

坍落度控制在40mm±10mm范围内。

根据混凝土坍落度情况选择合适的振动时间。

混凝土振捣由专业混凝土工进行，采用振捣棒振捣方式，振动至混凝土与侧板接触所处不再有喷射状气、水泡，表面浮浆不再下沉为止。振动实后振棒必须慢慢拔出，振捣过程中注意预埋管件及吊装孔位置的振捣质量。

（8）表面收水

去掉上部多余混凝土进行粗抹。然后使用木抹进行收水，使构件面平整。使用钢抹精工抹平，力求使表面光亮无印。每个矩形顶管收水过程不少于4次。确保生产的构件内实外美，平整光滑。混凝土表面压光完进入静养阶段。

（9）蒸养

矩形顶管采用帆布罩式无压蒸养方式。混凝土经收水压光后静养1～2小时后，进行无压蒸养。升温梯度每小时不得超过20℃，最高温度为60℃；降温梯度每小时不得超过10℃，在整个蒸养过程中有专人负责检查并作好记录。

（10）脱模

脱模时的矩形顶管的混凝土强度不低于设计强度的60%。

（11）产品的外观质量控制

要避免混凝土表面产生麻面、气孔或细小裂纹，不仅要保证混凝土足够的带模养护时间，加强振动工艺，对模具表面平整度以及每次是否清理干净都要求非常严格，并要有选择性地使用脱模剂，控制好脱模剂涂刷厚度和均匀度，并保证脱模后混凝土的及时保养。

（12）矩形管节的翻转

养护3d后吊至翻管架翻身，翻身后浇注聚胺脂密封胶、钢板防腐、堆放、养护出厂。

（13）矩形管节的运输

由于是超宽超重构件，去工地途中部分路段和收费站的通道还比较窄小，沿途又难免一些弯道，白天车流量又较大，所以需考察好路线，选择合适的车辆在合适的时间运输，白天是无法运输的，一般都是在夜间车辆较少的情况下减慢速度行驶（如图13所示）。

（14）允许偏差

预制混凝土构件完工后根据设计图纸要求及《混凝土结构工程结构施工及验收规范》（GB50204-2002）（2011年版）的规定检查其允许偏差。

钢套环允许误差：长和宽±2.0mm，竖向宽度±1.0mm。

插口误差：插口外圈长和宽（-2.0，0）mm，插口内圈长和宽±2.0mm，插口长度±2.0mm。

承口误差：承口内圈长和宽±2.0mm，承口长度±2.0mm。

壁厚误差：±3. 0mm。

4 应用

研制的矩形顶管完全满足设计、使用要求，所生产的矩形顶管产品已应用于淮安市现代轨道交通一期工程，研制的模具及工艺装备除供自己使用外，还供应给四川国统、南宁等生产厂家。

结论

（1）顶进施工法用钢筋混凝土方涵（矩形顶管）的研制成功，生产出的产品完全满足设计、使用要求，既解决了淮安市现代轨道交通一期工程位于楚州大道等五处下穿隧道工程的管材问题，又为我公司开发了一个新产品，为企业发展开辟了一条新路。

（2）矩形顶管主筋弯弧，采用钢板卷板机来卷弧，将每根钢筋上多处弧度的钢筋分段弯制，可以有效解决弯弧的难题，节约设备采购成本，提高生产效率。

（3）研制的吊具及翻身设备可以有效解决管材的吊运、翻身问题，既可保证管材、操作人员的安全，又能避免以往翻身方式对管材本身的损伤。

（4）矩形顶管钢筋骨架靠模设计可以很好地满足骨架的加工精度要求，便于生产。

（5）钢套环加工及水平胎架的设计制作，既可保证钢套尺寸，又能保证钢套环口的水平。

（6）由于矩形顶管中的预埋件太多，生产效率还有待提高，现每天一套模最多只能生产一节管材，还有待进一步改进。

（7）矩形顶模具及全套工艺装备的研发成功，为水泥制品行业生产矩形管材提供强有力的后盾。

（8）中意建机研发的全套矩形顶管工艺装备完全满足国内生产厂家的需要。