盾構隧道襯砌管片製作工法

《盾構隧道襯砌管片製作工法》是中鐵二十三局集團有限公司、中鐵十八局集團有限公司、北京住總集團有限責任公司、南京大地建設集團有限責任公司完成的建築類施工工法；作者分別是王喬、汪永進、李志鼎、陳英盈、龔文昌、葉爾威、楊安東、張震東、巍從新；適用範圍是各類盾構隧道高精度管片襯砌的工廠化預製。

《盾構隧道襯砌管片製作工法》主要的工法特點是管片鋼筋籠須在專用焊接靠模上定位，採用二氧化碳保護焊焊接成型；管片製做用模具為高精度鋼模；對管片製做工人的要求較高，對管理者的專業技能和管理能力要求也較高。

2008年1月31日，《盾構隧道襯砌管片製作工法》被中華人民共和國住房和城鄉建設部評定為2005-2006年度國家二級工法。

基本介紹

• 中文名：盾構隧道襯砌管片製作工法
• 工法編號： YJGF220-2006
• 完成單位：中鐵二十三局集團有限公司、中鐵十八局集團有限公司、北京住總集團有限責任公司、南京大地建設集團有限責任公司
• 主要完成人：王喬、汪永進、李志鼎、陳英盈、龔文昌、葉爾威、楊安東、張震東、巍從新
• 審批單位：中華人民共和國住房和城鄉建設部
• 主要榮譽：國家二級工法（2005-2006年度）

形成原因

管片作為盾構隧道的永久襯砌結構，它既有常規建築工程用構件的生產工藝流程和質量標準，又有其高精度、高強度及高抗滲等額外性能要求。2005年前管片已廣泛套用於很多隧道工程項目，如已建成的上海捷運、廣州捷運等，取得了相當大的成功。隨著各大城市地下軌道交通的進一步發展，它的發展前景將更加廣闊。

中鐵二十三局集團有限公司聯合中鐵十八局集團有限公司通過實踐摸索和創新，總結出《盾構隧道襯砌管片製作工法》，在上海捷運二號線西延伸工程、上海捷運九號線以及成都捷運一號線管片製做上得到套用，使用效果良好。

工法特點

《盾構隧道襯砌管片製作工法》的工法特點是：

1.管片鋼筋籠須在專用焊接靠模上定位，採用二氧化碳保護焊焊接成型。

2.管片製做用模具為高精度鋼模。

3.管片生產過程中使用了一些新設備和特製工裝。如專用的柔性吊、索具，真空吸盤等。

4.管片有一些特有的檢測試驗項目如檢漏試驗、拼裝試驗等。

5.因為管片的高質量要求，所以對管片製做工人的要求較高，一般需要經過專業人員進行培訓。對管理者的專業技能和管理能力要求也較高。

操作原理

適用範圍

《盾構隧道襯砌管片製作工法》適用於各類盾構隧道高精度管片襯砌的工廠化預製。

工藝原理

《盾構隧道襯砌管片製作工法》的工藝原理敘述如下：

嚴格控制各類混凝土用原材料，採用雙摻技術，配製出具有良好抗滲性能、抗裂性能的高強混凝土。混凝土在高精度模具內振搗成型。為提高模型周轉利用率，管片早期採用蒸汽養護，達到一定的強度後進行脫模，然後進入14天水養護，再進行自然養護。期間要抽取一定比例的管片作為樣品進行各項技術指標的檢測，然後根據樣品的檢測結果判定該批管片是否合格。合格的管片堆放在合格品堆場，等待出廠。

施工工藝

• 工藝流程

《盾構隧道襯砌管片製作工法》的工藝流程見圖1。

圖1 管片製做工藝流程圖

檢測流程

《盾構隧道襯砌管片製作工法》的檢測流程見圖2。

圖2 管片製做檢測流程圖

鋼筋工程施工要點

《盾構隧道襯砌管片製作工法》的鋼筋工程施工要點如下：

影響管片鋼筋籠弧度的因素主要有兩方面，一方面決定於構成鋼筋骨架主筋的弧度，所以加工的每一根主筋必須通過樣板檢測；另一方面決定於鋼筋籠焊接靠模。管片鋼筋籠採用CO₂低溫保護焊焊接成型，且焊點較多。在焊接的過程中，弧形鋼筋存在一定的延展變形，鋼筋籠焊接靠模可以通過自身的弧度約束弧形鋼筋的延展變形，從而保證製做出的鋼筋籠弧度準確性。鋼筋籠焊接靠模還通過固定鋼筋籠主筋位置、箍筋位置來保證鋼筋籠其他各項外形尺寸和鋼筋的位置。鋼筋籠焊接靠模設計製做的依據主要為管片設計施工圖。

鋼筋籠焊接靠模一般根據管片施工圖設計，一般為開合式，見圖3。通過靠模焊接出的鋼筋籠尺寸以及鋼筋尺寸位置偏差完全能夠達到設計使用要求，且焊接操作方便，鋼筋籠起吊方便，提高管片的製做效率。

圖3 鋼筋籠焊接靠模

模板工程施工要點

《盾構隧道襯砌管片製作工法》的模板工程施工要點如下：

一、模具精度控制

管片製造誤差和管片模具誤差對提高管片襯砌質量不可低估，誤差值必須嚴格控制在設計要求的範圍內。經驗表明不精細和不準確的模具經常導致管片質量不高，容易造成管片在隧道內拼裝時破損，降低隧道最後的質量。

管片模具的高精度和良好的耐久性是保證管片外形尺寸精度的前提。為了保證混凝土管片能夠符合設計和規範要求，在模具精度控制方面的工作內容包括鋼模的設計製造、驗收檢測，以及生產過程中的使用維護等。

模具的檢測工具主要有大量程內徑千分尺（精度值：0.01毫米），專用弧形檢測樣板。模具的弧弦長以及孔洞位置還須通過管片的三環試拼裝進行檢測。管片的檢測工具主要有大量程遊標卡尺（精度值：0.02毫米）。

二、模具的驗收檢測

每套鋼模要經歷四個階段的驗收。在鋼模進場前，對鋼模進行嚴格的出廠驗收。合格鋼模進場固定就位後，再次對鋼模的各項指標進行精確檢測驗收。每套鋼模生產三環後，需進行三環試拼裝驗收，並將管片實測數據和鋼模實測數據進行詳細對比，待三環試拼裝驗收結果、鋼模實測數據、管片實測數據符合設計和規範要求後，鋼模投入生產。每套鋼模生產100環後需進行周期檢測，以確定鋼模在較長時間的生產過程中是否變形。

三、模具的使用維護

對每次使用後的鋼模，確保在不損傷鋼模本體的前提下必須進行徹底清理。嚴格做到：鋼模內表面和接縫不留殘漿和殘渣顆粒，以保證鋼模的合模精度。

合模經質檢員檢測後，進行噴塗脫模劑的工序。脫模劑必須使用不損傷模體的專用工具均勻塗刷在鋼模與混凝土的所有接觸面上。塗抹後由質檢員檢查，消除影響管片質量的隱患。

根據鋼模供應商提供的操作手冊及鋼模維修手冊，對每一位鋼模操作工（模板工）進行上崗前的理論和實際操作培訓，考核合格後上崗，以確保模具使用壽命和管片生產精度。

混凝土工程施工要點

《盾構隧道襯砌管片製作工法》的混凝土工程施工要點如下：

一、混凝土澆築

混凝土振搗是管片成型質量的關鍵工序。管片外觀質量，特別是混凝土表面的氣泡、麻面多少和混凝土振搗質量息息相關。

從中國國內外現狀來看，2005年前製做管片的振搗工藝主要有兩種類型，分別為固定模具式和移動模具式，固定模具式是指把模具固定安放在一個位置，利用高頻插入式振動棒或附著式振盪器對其進行振搗密實，在原位置養護至產品脫模為止。管片的製做過程無需對模具進行移動。相反，移動模具式是把模具移動至每個作業位置。當管片鋼筋籠的鋼筋密度比較大，管片連線面的結構較複雜時，難以使用內部振盪器具，一般使用固定安放在某一場所的外部振蕩平台。經過比較權衡，採用高頻插入式振動棒和附著式結合振搗管片，能夠保證管片振搗質量。

振搗時間的長短、振點的布設是影響振搗質量的關鍵因素。在振搗過程中，嚴格做到分層布料，分層振搗。厚度每層不能超過25厘米，1.2米寬度方向不少於4點，振點按梅花形布設，振搗上層要插到下層10厘米左右。

振搗後的管片待混凝土不自行塌落後，可拆除蓋板進行收水抹面，目的是為了保證管片外弧面能夠達到光潔、密實，不允許出現任何收水裂紋，以提高管片的抗滲性能。在收水抹面過程中，每間隔30分鐘左右轉動一下芯棒，嚴格控制拆除芯棒的時間，確保預留孔洞光潔。

二、混凝土養護

管片混凝土的養護分早期蒸汽養護、14天水養護、自然養護三個階段。

管片早期採用蒸汽養護，能夠極大地提高模具的周轉利用率，但生產實踐表明，一旦溫控不當，特別在氣溫較低的情況下，管片很容易出現溫差裂縫。特別是在冬期施工（日平均溫度不超過5℃）過程中，溫差裂縫曾經出現。溫差裂紋一般分布在管片外弧面兩側，每隔50~60厘米有一條，長度一般在20厘米左右，寬度一般小於0.2毫米。嚴重時管片的端部同樣也會出現。

混凝土管片是捷運結構的重要部分，裂縫的存在對於捷運的安全運營是很大的威脅，尤其是地下條件複雜，承受荷載不易估計（如突如其來的地震），在混凝土水化熱逐漸發生形成的非線性溫度場作用下，在製做過程中產生的裂縫向縱深發展，形成較大的深層裂縫。在捷運以後的實際運營中，裂縫部分將是應力集中區域，這些裂縫破壞了結構的整體性，改變了設計安排的應力分布圖形，從而有使局部甚至整體結構發生破壞的可能。即使是一般的表面裂縫對混凝土管片的持久性，對整個結構的應力狀態在運行階段具有不可忽視的影響。

為解決裂縫問題，中鐵二十三局集團有限公司成立了專項課題組進行研究，經試驗分析確認，影響裂縫產生的主要有三個因素，首先是溫度應力（包括溫升、溫降梯度和內外溫差），其次是管片表面混凝土失水太快，再次是自身體積變形和混凝土乾縮。

對於管片蒸養溫控也作了大量的試驗，並得出了一些成果。管片靜養時間一般保持2~4小時，升溫每小時不大於15℃，最高溫度控制在55℃以下，降溫每小時不大於15℃，脫模溫差不超過20℃。管片從模具吊出後，不宜直接暴露在空氣中，需繼續用氈布對其進行遮覆，既可以進一步保證管片在空氣中的降溫速率，又可以保持管片表面濕潤，相當於對管片進行“二次降溫、降濕”。生產實踐表明，按上述措施進行溫控，能夠有效地避免蒸養微裂紋出現。

但在實際大規模的管片生產中，尤其是冬期施工條件下，管片實體溫度和環境溫度相差較大，而混凝土本身是熱的不良導體，要使管片按要求速率降溫至脫模溫度，往往需要較長的時間，降低模具的周轉利用率。在設計管片生產工藝時，儘量選擇保溫條件較好、避風的室內車間生產管片，降低管片實體和周圍環境的溫差。

管片脫模後放入池中養護14天，管片在池中應全部浸沒水中，入池時管片與水溫差不得大於20℃，吊入水池前必須對螺紋的預埋件塗嵌黃油或加悶蓋。管片在水池中堆放排列整齊，並擱置在柔性材料墊條上，擱置部位正確。另外，在水養護過程中，大量自由水為水泥水化產物結合和吸附，從而產生更多的水化產物使混凝土密實度增加，提高混凝土的抗滲、抗裂性能。14天水養護滿足後，管片運入專用堆場進行自然條件養護。

• 管片起吊駁運施工要點

《盾構隧道襯砌管片製作工法》的管片起吊駁運施工要點如下：

由於所設計的管片沒有起吊工藝孔，沿用傳統的起吊工藝，即通過在螺栓孔內插入銷子進行起吊，在螺栓孔的一側會產生應力集中，容易使管片產生局部裂縫和缺角掉邊的現象，而且工作效率較低。採用真空吸盤機進行管片起吊，在脫模工序中使用，徹底消除脫模應力對管片內在質量的影響，而且還極大地提高了工作效率。真空吸盤脫模管片見圖4。

圖4 真空吸盤起吊管片

另外在捷運二號線西延伸工程區間隧道管片加工中採用軟性接觸專用吊具及柔性索具，效果明顯，能確保吊裝管片在外觀上沒有明顯的痕跡和損壞。

勞動力組織及生產班次安排

《盾構隧道襯砌管片製作工法》的勞動力組織及生產班次安排如下：

一、勞動力組織

生產一線工人特別是關鍵崗位的工人應由具有管片生產經驗的員工組成，且所有生產工人全部進行生產前上崗培訓和教育工作。具體工種見表1。

表1用人數量為日產管片30環時的用工人數。

二、每套管模年產能

管片生產班次和日平均氣溫、工效有關，在上海的氣溫條件下，一般每套鋼模的年產量在500環左右。採用此技術生產管片，每套鋼模的年產量可達550餘環管片。

材料設備

《盾構隧道襯砌管片製作工法》所用的材料及設備明細如下：

管片用混凝土應為具有良好抗滲性能、抗裂性能的高強混凝土，強度等級、抗滲等級由設計確定。混凝土的坍落度宜控制在2~4厘米範圍內。管片用鋼材的勻質性必須好，這樣能夠確保鋼筋在彎弧的過程中弧度控制能夠達到標準要求，從而保證鋼筋骨架焊接成型後的外形尺寸。

其他加工機械設備、部分成品檢測設備見表2。

質量控制

《盾構隧道襯砌管片製作工法》的質量控制要求如下：

一、管片質量控制標準

管片製做執行《地下鐵道工程施工及驗收規範》GB 50299-99（2003版）、《凝土結構工程施工及驗收規範》GB 50204-2002以及設計要求。

1.管片允許偏差

表3 管片製做允許偏差表

序號	內容	允許誤差（毫米）
1	管片寬度	±0.3
2	管片內半徑	±1
3	管片外半徑	+2，-0
4	管片弧弦長	±1.0
5	螺栓孔直徑與孔位	±1

外觀質量要求：管片表面應密實、光潔、平整、邊棱完整無缺損，外觀色澤均勻。

2.混凝土管片整環拼裝檢驗允差

在鋼模複試合格後進行三環管片試生產及三環水平拼裝，以檢驗管片鋼模的製做質量；每生產100環抽查3環做一次三環水平拼裝檢驗。每次進行管片三環水平拼裝時，必須調整管片水平拼裝台座的水平度，符合要求後方可進行拼裝。拼裝檢測要求見表4。

表4 混凝土管片整環拼裝允許偏差表

序號	項目	允許偏差（毫米）	檢測頻率	檢測方法
1	環縫間隙	≤1.0	每環測6點	插片
2	縱縫間隙	≤1.0	每環測6點	插片
3	成環後內徑	±1	測8條	用鋼捲尺
4	成環後外徑	+2，0	測8條	用鋼捲尺

對應的環向螺栓孔的不同軸度≤1毫米。

3.管片檢漏

將管片放在專用檢漏試驗台上，在0.8兆帕水壓力維持3小時條件下，滲透深度不超過保護層5厘米為合格。

除以上檢測項目外，每個標段首次製做管片還需要進行結構性能試驗，結果必須符合設計要求。

二、質量控制措施

1.建立質量保證體系，健全各項檢查檢驗制度。每個關鍵工序由專人控制，從制度和人員控制上保證質量。

2.從原材料採購、進場、使用需層層把關，確保原材料質量。原材料質量是保證管片高強度和高抗滲性能的基礎。

3.管片精度是以鋼模加工裝配和振搗後的精度作保證，管片模具需要定時進行維修和保養，確保足夠精度。

4.在管片製做過程中，強化質量意識，堅持“百年大計，質量第一”的方針，在質量檢查過程中需要堅持檢查及時、數據準確、執行標準嚴格的原則。

安全措施

採用《盾構隧道襯砌管片製作工法》施工時，除應執行國家、地方的各項安全施工的規定外，尚應遵守注意下列事項：

1.嚴格貫徹執行國家頒發的有關安全生產的法律、法規，加強內部安全管理，落實各項安全防護措施。

2.明確落實生產現場安全生產第一責任人，配置專職安全管理人員。建立健全安全生產保證體系，落實各級安全責任制，完善各項安全生產制度（包括獎懲制度）；按照誰施工誰負責”的原則，負責生產責任區域的安全生產管理工作。

3.對一些吊運專用設備要經常檢查檢修。特別是用於管片起吊的真空吸盤，要定期檢查密封圈的使用情況，如有損壞，需及時進行更換。

環保措施

《盾構隧道襯砌管片製作工法》的環保措施如下：

1.粉防治措施：混凝土攪拌站的水泥筒倉上裝有除塵裝置，除塵裝置採用多級布袋除塵器，除塵器有足夠的除塵面積，泵送水泥的壓縮空氣有足夠的過濾面積，不會對除塵布袋產生較大的壓力；同時除塵布袋採用專用的材料由專業廠家生產；保持環境衛生，保持現場地面清潔，增加綠化面積；控制汽車等施工車輛的行駛速度，減少追尾揚塵。乾燥季節施工，經常向地面灑水，控制揚塵。

2.廢水防治措施：廢水是含有水泥、砂漿的污水，採用2個較大的污水池通過2級沉澱、通過溢流可以達到排放清水的目的，沉澱池中的廢渣清理堆放在指定地點，同時使用專用污水處理和砂石分離設備，在環保的同時節約成本。

3.噪聲防治措施：在振搗車間設定隔聲牆。將容易產生噪聲的設備放置在封閉隔聲的室內；給大噪聲環境的工人配備耳罩，降低噪聲對人體的影響。

4.廢渣防治措施：將混凝土廢渣集中存放在指定地點，然後倒入規定的垃圾場。

效益分析

《盾構隧道襯砌管片製作工法》的效益分析如下：

1.經濟效益：上海捷運二號線西延伸工程6500餘環管片採用該工法施工，提高了管片質量，減少了返工、返修費用；管片生產效率的提高，減少了模具投入約65萬元。在經濟效益上，按照上海二號線西延伸捷運管片的經濟效益類推，在管片製做上每年可節約成本約70萬元。

2.社會效益：中鐵二十三局集團有限公司、中鐵十八局集團有限公司、北京住總集團有限責任公司、南京大地建設集團有限責任公司已將此工法從上海捷運管片生產推廣到成都捷運管片生產上，還可以繼續推廣套用到一些其他隧道工程上，取得了社會效益。

3.環保效益：管片製做為工廠化施工各種環境保護設施、方案齊全，不會對周邊環境造成污染。

註：施工費用以2005-2006年施工材料價格計算

套用實例

《盾構隧道襯砌管片製作工法》的套用實例如下：

• 實例1

2004年3月至2005年11月，上海捷運二號線西延伸工程Ⅱ、V、Ⅵ三個標段管片總計6500餘環，上海捷運九號線一期工程R413段上行線管片總計2000餘環。管片形為：外徑6.2米，內徑5.5米，環寬1.2米。每環管片共有6塊，一個封頂塊，兩個標準塊，兩個鄰接塊一個拱底塊。設計採用直線通縫形式拼裝，環向、縱向均採用直螺栓連線。以上管片均採用該工法進行預製，產品質量合格率100%，優良率90%。生產進度完全滿足業主需求，整個工程受到業主、監理好評。

• 實例2

2006年4月，上海軌道交通七號線約有8000環管片由中鐵二十三局集團上海管片廠生產。管片採用該工法生產，質量、生產進度完全能夠滿足業主要求。

• 實例3

2007年7月，中鐵二十三局集團採用該工法在成都僅用45天建成了一先進的管片生產線，9月即為成都捷運一號線一期工程盾構2標製做出優質管片。產品質量獲得成都市質監站、業主、監理好評。

榮譽表彰

2008年1月31日，中華人民共和國住房和城鄉建設部以“建質[2008]22號”檔案發布《關於公布2005-2006年度國家級工法的通知》，《盾構隧道襯砌管片製作工法》被評定為2005-2006年度國家二級工法。