钢筋混凝土隧道管片生产振动工艺选择.docx
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钢筋混凝土隧道管片生产振动工艺选择
钢筋混凝土隧道管片生产振动工艺选择
经过十几年的发展，国内已经建成了106家管片厂，满负荷产能可达到每天2650环，在总量增加的同时，各管片厂由于建厂条件不一，工艺路线各异，所能够产生的经济价值和质量效益差别很大，通过分析比较各厂的工艺路线，发现其中最主要的原因是由于管片生产理论的滞后，导致部分管片厂在缺乏理论指导的条件下，在确定管片生产关键工艺的选择过程中发生偏差，留下了生产技术环节上的短板，部分管片厂投产后没能实现设想中的效益最大化。
在容易发生偏差的几个管片生产技术环节中，又以振动工艺的选择失当最为突出，本文拟通过理论结合生产实践的方式，介绍管片生产振动工艺的选择方法。
钢筋混凝土管片可采用自流平混凝土进行生产，也可以采用振动密实混凝土进行生产，由于在得到相同终凝强度的混凝土构件条件下振动密实混凝土的配方价远低于自流平混凝土，所以在实际生产中，绝大部分的管片以振动密实混凝土进行生产。
为振动密实混凝土选择正确的振动工艺，将可以获得好的混凝土配方价、模具费摊销和振动能耗方面的经济性指标，同时可以得到好的混凝土耐久性，还可以获得降低振动噪声等的多重效益，是管片厂工艺选择的最重要环节。
管片生产的混凝土浇注振动分为插入式振动棒振动、附着式振动器振动和整体振动台振动等基本方式。
插入式振动棒振动
在浇注混凝土的同时，把插入式振动棒插入混凝土内部，把振动棒本身的振动传递到与之接触的混凝土中进行振动的扩散传递，以达到把混凝土振动密实的作用，由于振动棒所产生的振动密实有效范围大约为以振动棒为中心半径350mm以内，这种振动方法要求操作者在不超过振动棒作用半径的位置上作多点插入振动，以使管片个点混凝土均被有效振动密实。
由于振动发生在混凝土内部，在单个点上混凝土达到正振动点的时间其实并不长，故不容易发生因长时间振动导致的混凝土离析。
如果发生操作工人漏振，则漏振部位混凝土的密度将不足。
插入式振动棒振动适用范围广，对模具形状、管片混凝土方量大小、水灰比不敏感。
但插入式振动棒的振动频率和振幅不可调。
插入式振动棒振动对模具无特殊要求，对模具的损伤表现为振动棒把模具内表面打出坑点。
此外，操作振动棒的过程中，因为操作者难以真正观察到混凝土下面钢筋和埋件的分布情况，所以难以完全避免振动棒敲击钢筋和埋件的事故。
插入式振动棒振动能耗较低，人工费用高，而由于国产振动棒的寿命较短，长期生产所产生的振动棒采购成本并不低。
附着式振动器振动
附着式振动器被安装在模具内弧面下面，附着式振动器被压缩空气带动工作起振，带动其上的内弧面钢板一起作类似鼓膜被敲击时一样的振动，这种振动被传递到与内弧面钢板接触的混凝土中，在混凝土内部，这种振动扩散传递，受到振动的混凝土达到密实效果。
由于附着式振动器的水平作用距离在700mm左右，模具内弧面下方振动器的分布一般在700mm左右，而在相邻振动器范围内，会产生振动器附近激振作用大，远离振动器的位置激振作用小，且由于振动波干涉的原因，在相邻振动器作用范围重叠位置，会发生由于振动干涉导致的在某一点、某一时段内振动被互激倍增或被互相削弱的情况，导致局部混凝土过振或欠振，该情况会随机发生，并无规律。
而在相对远离振源的端头板和角部等位置，激振作用相对较小，易产生欠振现象。
一般情况下，当振源附近混凝土达到正振动点时，远离振源的地方会欠振，当远离振源的地方达到正振动点时，振源附近混凝土会过振，欠振位置混凝土密度会较低，过振位置混凝土会发生离析，大骨料会下坠，砂和水泥浆会上浮。
无论欠振或过振，混凝土的均质性均受到挑战，混凝土的强度将得不到保证。
无论在何种情况下，由于管片混凝土在受到附着式振动器所产生的振动传递沿高度方向是能量递减的，管片靠近内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，管片必然产生比较多的混凝土内部的均质性问题。
附着式振动器的振动频率可通过人为调整供气球阀的开度来作小范围调整，此种调整无法精确控制频率，无法实现同一模具上各振动器的真正强制同步，且全靠人工掌握。
在同一片模具的不同振动器之间，由于各自不同的振动工况的互相作用（主要是受从相邻振动器传递来的振动波的干扰），振动器在牺牲输出功率的前提下稍趋向同步，而该种同步实际的效果并非各点振动工况高度一致，且会因为气压波动或灌注混凝土体积变化等因素被随时打破。
附着式振动器要求模具是柔性的，一旦模具刚度过大，振动作用就会被模具本身吸收消耗，而另一方面，模具刚度太低，模具的耐久性又将受到挑战。
柔性模具的底模是软的，通常为筐式结构，不会象日式模具那样大量使用垂直筋板加强。
而上模部分也做成软模，侧板的高度通常为模具型腔的深度一样，侧板和端头板位于底模的边沿上方，以铰链、合模螺栓和定位球头球窝实现定位。
侧板和端头板下的密封胶条与内弧面钢板接触实现密封。
这样上下模之间的联系仅限于铰链、合模螺栓、定位球头球窝和密封胶条，这样底模在被附着式振动器带动振动时，上模对其的约束非常小，激振力的损失也就少。
因为振源在模具内弧面下方，跟钢筋笼和埋件不直接接触，故附着式振动不会影响钢筋和埋件。
但由于振源附件模具内弧面钢板的弹性变形跳动非常厉害，故可见主筋与内弧面钢板之间的粗骨料经常会因为钢板和钢筋之间互相敲击弹射粗骨料，来回弹跳的粗骨料易把主筋下方的内弧面钢板打出浅沟。
附着式振动器振动由于采用压缩空气驱动，压缩空气的能源转换率很低，能耗很高，人工费用低，而由于所用振动器数量庞大，价值又高，加上要配套大排量的空压机和储气罐、管路、干燥机、水油分离器等，采购和使用成本很高。
整体振动台振动
整体振动台振动利用电振动马达驱动，现代的整体振动台配合使用变频器，可实现模具程序化的变频变幅振动，因此可根据混凝土浇注的个阶段对振动的不同要求编制最适合的振动程序，实现按须的程序化振动。
由于使用电马达提供振力，整体振动台可实现真正的强制同步振动，完全避免了钢筋和埋件被打或者粗骨料敲击内弧面钢板的问题。
激振力的传递是通过整个内弧面钢板进行，当混凝土被灌注后，混凝土内部各处受到的激振力的频率、振幅和相位高度一致，混凝土的均质性非常好，且振动时间可很短，振动频率达可到大部分作用于小骨料的高频段（可到4500rpm），混凝土不易发生离析。
由于激振力强大，可进一步降低混凝土的水灰比，实现半干硬性甚至干硬性混凝土的下料振动。
由于水灰比可有效降低，混凝土密度可更高，耐久性更好。
整体振动台振动用电振动马达直接驱动，换能效率远高于气动振动器，而且振动时间短，能耗远低于附着式振动器振动，但仍然高于插入式振动棒振动。
由于系统故障率低，把购置成本、模具摊销费用、电费、工费，维护费用等因素考虑在内，使用整体振动台的综合成本非常低。
整体振动台噪声强度低，振动对工人健康的影响小。
整体振动台振动要求使用日式高刚性体系模具。
模具的刚度大，有利于振动的传递。
日式高刚性体系模具在底模内使用大量的垂直筋板，把筐式结构加强成为网格状的箱体结构，底模的刚度比欧式柔性模具大的多。
日式高刚性体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经过机械加工的压合平面，该压合平面和底模侧面的机械加工承接平面压紧，合模螺栓拧紧，上下模即成为刚性非常好的整体。
这类模具的重复精度高、耐久性好。
手持的插入式振动棒振动对操作者的依赖大，对人的伤害大，效率低，目前的应用日渐式微。
以下着重对比附着式振动和整体振动台振动的差异。
振动效果：
附着式振动器振动的频率、振幅难以准确调整，下料过程不同阶段的频率和振幅需求难以满足，不同的振动器振动的相位难以统一，造成混凝土容易发生离析，管片内部各处混凝土的均质性不好，局部密度偏低，要求的混凝土水灰比较大，振动时间长，外弧面附近容易发生浮浆过厚的现象。
整体振动台振动的频率、振幅可调，可对下料过程不同阶段所须的频率和振幅作程序化的控制，各振动器的振动相位完全同步，不容易发生混凝土离析，管片内部混凝土均质性好，密度高，要求的混凝土水灰比较小，振动时间短，可避免外弧面附近发生浮浆过厚的现象。
适应性：
附着式振动器振动对管片尺寸的适应性强，大小管片都能对付，但对于大直径，厚度大的管片，单纯使用附着式振动器振动易产生浇注振动时间过长、混凝土离析分层的问题。
附着式振动器振动较适合于管片订单数量少、模具投入数量少、无后续同规格管片订单，对管片内在质量和隧道寿命要求较低的临时项目。
电振动马达驱动的整体振动台振动适合于单片自重6吨以内的管片，而重量大的管片更适合使用液压振动台，液压振动台可克服单纯使用附着式振动器振动产生的浇注振动时间过长、混凝土离析分层的问题。
但液压振动台因为首期投资大，限制了其在目前大直径管片订单数量少、生产期短的条件下的推广。
整体振动台振动较适合于管片订单数量大、模具投入数量多、有后续同规格管片订单，对管片内在质量和隧道寿命要求较高的长期项目。
振动能耗：
附着式振动器振动的模具，以地铁常用的6米或6.2米直径，1.米环宽，300mm厚的管片模具为例，通常使用4个VSP6623或VSP4423振动器，每个振动器的耗气量为1800L/min，4个振动器每分钟要用0.6～0.7MPa的压缩空气7.2立方米，考虑到有两片模具同时工作的机会，通常会使用一台10M3/min排量的空压机，此空压机的电功率一般为60Kw左右。
按照国内同行普遍能达到的水平每片1.5方混凝土的管片使用附着式振动器振动时间5分钟计算，共耗电5KWH。
同样方量的管片模具使用电振动马达驱动的整体振动台振动的话，振动台将装备4台3Kw马达，共12Kw，因为整体振动台的激振作用大，振动时间较短，按照国内同行普遍能达到的水平每片1.5方混凝土的管片使用附着式振动器振动时间3.5分钟计算，共耗电0.7KWH。
模具寿命：
附着式振动器振动的模具是欧式柔性模具体系，一方面由于模具自身刚度低；二来由于模具上模的组装是采用人工定位后焊接连接点，以后无条件做机械加工和热处理，焊接应力释放会导致模具变形；其三因为模具各相邻部件接受到的振动的频率、振幅和相位差异，相邻部件之间的振动摩擦很厉害，模具变形发生得较早，在不作模具整修的条件下，按能满足国内三环拼装和内宽度要求的模具寿命大约在600～1000循环。
整体振动台振动模具刚度很高，在焊接成型后经过热处理消除焊接应力后，才做机加工，所以模具形体保持很好。
其次，模具各部件接受到的振动的频率、振幅和相位一致，相邻部件间不易发生振动摩擦，模具磨损少。
国内运行得好的整体振动台振动模具以进行了2800循环的生产，未经过大修，目前模具状况还很好，仍在使用当中。
首期投资：
以地铁使用的6米左右直径管片模具使用意大利SOMAI为例，每个附着式振动器约合人民币3800元，每环模具大约使用16～21个，加上空压机及管路等，一组10套模具容量的生产线上，振动方面总投资约为90万元～109万元。
整体振动台单价约40万元/台，如果一条10套模具容量的生产线配置2台振动台，成本约80万元。
由于附着式振动器模具钢材用量少，加工费用较低，目前国内附着式振动器模具和整体振动台模具单价差异较小，含振动器附着式振动器模具单价通常比整体振动台模具高2～4万元/套，把空压机、管路和隔音房建造成本考虑在内的话，相对于3千万元左右的建厂投资来讲两者差别不大。
设备摊销：
两种振动方式设备摊销的差异主要表现在模具和振动器两方面。
由于两种设计理念的差异，模具使用寿命差距很大，按照目前大约70万元/套的模具单价计算，附着式振动器模具可使用1200循环，每环模具摊销583元；整体振动台模具可使用3000循环，每环模具摊销233元。
附着式振动器属于消耗品，通常在使用800～1500个循环后开始进入故障期，须更换分配器滑片及维修，3000循环后开始报废部分振动器，每环管片摊销的振动器成本约为21～26元/环。
整体振动台使用电振动马达，马达损坏后将重绕线圈或更换换轴承，振动台其余部分可以长期连续工作，振动台气囊要定期更换，综合摊销费用不超过5元/环。
综合使用成本：
振动环节可比综合使用成本包括：
工人工资、振动系统的设备投资摊销、设备的使用维护成本（包括易耗零件和耗材）、电费、影响混凝土配方价的变化、等。
项目
附着式振动器振动
整体振动台振动
备注
工人工资
7.50
7.50
振动系统设备成本
21
5
含购置成本及耗材
模具成本摊销
514
233
扣除振动器后
电费
35.10
3.78
混凝土配方价节约部分
0
-23
生产速度差异导致的固定费用摊销
1009
883
合计
管片成本占比
10.67%
7.4%
按15000/环计算
利润差异
0
3.27%
按照年产10000环管片计算，使用整体振动台振动每年可增加477万元利润。
而且使用整体振动台振动还带来管片产能增加导致的工人计件工资提高、工人工作积极性增加可忍受更高要求的管理以及由于工资高而工人流动性下降等的方便。
设备管理：
附着式振动器振动的模具使用的振动器数量庞大，故障发生点在模具内弧面下，非常分散，安排检修工作很困难。
模具在维修保养时要停台，在进入故障期后，振动器本身维护保养的工作量很大，而且该振动方式对于模具的损害较厉害，模具的维护保养的工作量也很大。
附着式振动要求使用大排量空压机，大排量空压机、干燥机和油水分离器的维护保养工作量也不小。
整体振动台元器件数量少，故障频率低，而且故障点集中在振动点处，安排检修工作很容易。
振动台在维修保养时可以用其他振动方式进行生产，模具无须停台，而且该振动方式对于模具的损害小，模具刚度大，耐久性好，模具的维护保养的工作量也很小。
环保：
附着式振动器须使用锭子油和空压机油润滑，润滑油气化后排放到大气中去。
工作噪声大约在98~110分贝，如果建隔音房，关上隔音门后，门外1米处的噪声大约比没关门时低3～5分贝，仍然会伤害振动点附近工人的听觉。
该噪声产生的原件是振动器本身，机理是压缩空气的爆鸣声，仔模具上作减噪处理无作用。
传统的整体振动台工作时的噪声大约在95～98分贝，主要噪声产生的原件是模具的活动部件，机理是活动部件受振相互敲击发声，通过使用分离式轮子、整体盖板和减少模具设计的活动零件等方法，结合使用复合振动下料技术，目前已有管片厂成功地把噪声降低到85～88分贝。
振动过程不会产生外泄气化油雾污染。
附着式振动器适用于大型及露天作业构件模具，例如箱式梁等。
对于管片模具，它较适用于大直径、订单数量少的临时工程。
在欧洲，因为盾构隧道多为设计施工总承包，每个项目的管片数量不太大，可不考虑模具和设备寿命差异，而且相对于欧洲的工资水平，模具设备的摊销占管片成本构成比例远低于在我国的情况，再者，欧洲对原材料的控制乃至外加剂的使用条件远优于我国，所以附着式振动器在欧洲得到广泛使用，但在国内的使用遇到不少问题。
大直径、订单数量不太大的管片项目，电驱动整体振动台的激振力不足，只能使用液压振动台，通常管片厂难以承受液压振动台的首期投资，因而也适合使用附着式振动器振动。
附着式振动器振动技术上存在管片内部混凝土均质性方面的缺陷，通过在材料改善控制和工艺控制对这样的缺陷进行弥补的代价相对较大。
在我国目前大部分管片厂的管理水平和生存状况条件下，在隧道直径约6米以内的管片生产中使用附着式振动器振动的条件不成熟，对于新建管片厂而言，选择该振动方式应慎重。
整体振动台振动（包括电驱动振动台和液压振动台）在日本的应用非常普遍。
变频电驱动的整体振动台振动适用于隧道直径约6米以内的大规模管片生产，单一尺寸管片订单数量越大，其经济效益越明显。
由于整体振动台振动可解决管片内部混凝土均质性的问题、也可降低混凝土的水灰比，对改善管片整体结构强度、延长管片寿命有较大贡献。
对于单片重量6吨以上的管片，应使用液压驱动振动台，由于液压振动台投资较大，对于管片订单数量不大的项目其投资门槛较高。
总体来讲，附着式振动器振动和整体振动台振动都可以实现管片振动下料，两者有着各自不同的适用工艺条件，经济和技术价值各有差异。
管片厂应该根据自身的管片订单情况、原材料情况、管理水平综合考虑选择适用的振动方式。
对于地铁适用的隧道直径6米左右的管片而言，在目前的技术条件下，整体振动台振动的综合效益较理想。
最近，国内外的几个管片厂分别进行了旨在改善传统振动方式存在问题的努力，COREAMOULD进行了类整体振动的附着式振动器振动尝试，而昆明的昆宁地铁构件有限公司和中铁隧道局的长株潭项目部进行了复合下料振动的尝试，我们期待这种有益的尝试能持续深化进行下去，并加以改进完善，能最终带给我们一种真正符合我们国情的高效振动方法。
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