预制箱涵成型工艺浅析

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摘要:

对预制综合管廊现有的三种生产成型工艺(立模浇筑工艺、卧模浇筑工艺、芯模振动工艺)进行介绍，分析对比三种成型工艺的特点，指出各工艺存在的不足之处并提出初步的解决办法。

关键词:

预制综合管廊；预制箱涵；成型工艺

近年来，随着我国城市化进程的加快，政府部门建设地下综合管廊的项目全面启动。地下综合管廊又称之为共同管沟，可埋设在主干道或人行道下，将以往分散埋设的电力、通信、热力、燃气、给水、生活污水、雨水等各种工程管线纳入在一条共同的地下管廊内，集中管理、维护。一旦出现问题，相关人员可直接进入管廊通道内部进行检修，无需反复挖开地面、阻断交通，是解决“马路拉链”难题的有效途径。地下综合管廊建设方式分为现浇法和预制法两种，其中现浇法需要明挖开槽、封闭施工，施工期间阻断交通时间长，直接受到外界不良天气的影响，施工质量可控性差。预制管廊比现浇管廊具有更多的竞争优势和优越性，管廊预制生产在工厂内进行，原材料、成型、养护等工序过程可控性强，管廊产品的质量稳定、可靠;现场施工有雨天、地下水等情况下可带水作业继续施工，开挖、吊装后可立即回填覆土、恢复交通，施工工期短［1，2］。综合管廊大多采用矩形截面，预制综合管廊同样是矩形截面占主导地位，一般使用预制箱涵来代称预制综合管廊。

1预制箱涵的结构形式

预制箱涵按照分仓数量形式可分为单仓箱涵和多仓(双仓、三仓及三仓以上)箱涵［3］，按照结构形式可分为四种(a)整体式、(b)上下拼块式、(c)门形拼装式、(d)盖板式［4］，详细如图1所示。根据《GB50838－2015城市综合管廊工程技术规范》8.1.8条的设计要求，综合管廊的防水设计等级标准为二级防水［5］。预制箱涵接口处设计按照工程的抗渗漏要求设计不同的企口形式，拼接企口普遍采用类似管道承插口的错台形式而非平口模式，在企口缝错台处使用双胶圈密封防水，如图2所示。综合管廊埋于地下，内部存在带电管线、燃气管线、热力管线等，管廊内部必须保持干燥环境。从地下工程防水抗渗的要求来考虑，预制箱涵的拼接节点越少越好，拼接节点越少，工程结构防水抗渗施工的可靠性越高。分体式箱涵存在较多的拼接缝，防水施工节点多，防水施工投入的材料、人工等成本增高，因节点处防水失效而发生渗水的风险更高。故整体式矩形箱涵的应用更值得推荐，后文研究内容也都是围绕整体式预制箱涵展开。

2预制箱涵成型模具及设备

预制箱涵根据成型工艺所使用的模具类型可分为立模浇筑、卧模浇筑、芯模振动三种成型方式［6］。

2．1立模浇筑工艺

立式钢模(简称立模)是由承口底模、内模、角模、外模、插口上模、底座以及支撑架组成，如图3。模具静止竖立于地面，从上端“回”形面浇入混凝土，混凝土的浇筑、填充方向比较顺畅，从下到上。主要使用插入式振捣棒辅助振实，经分层振捣密实成型。拆模时外模板向外张开，内模拆除角模后内模板向内收缩，在产品两侧的预埋钢圆筒插入带帽的钢柱，在钢柱露出部套上吊装帆布带，使用起重机吊起产品，产品与底模分离完成脱模。

2．2卧模浇筑工艺

卧式钢模(简称卧模)是由底模、外模、内仓模、承口侧模以及插口侧模组成，如图4。模具静止卧放于地面，从上端顶板面浇入混凝土，在底板处混凝土水平流动，要求混凝土的流动性好，内仓模底板上每隔30cm处预留一个排气孔，利于底部混凝土排出气泡，浇筑过程较慢。使用附着式振动器和插入式振捣棒辅助振实，经分层振捣密实成型。

2．3芯模振动工艺

芯模振动成型工艺是目前国内外成型钢筋混凝土箱涵最先进的工艺设备。芯模振动成型工艺设备由振动芯棒、模型(内、外模1套和底座多套)、管口碾压成型机构、布料机、操控室和混凝土搅拌机等系统组成，整个生产工艺机械化、自动化程度高，成型后即刻脱模，产品仅需自然养护，见图5、图6。

3成型工艺分析

3．1立模浇筑工艺分析

立模浇筑工艺的优点是模具结构简单，制作技术门槛低，采用立模的构件厂家最多。由于填充方向简单，可使用流态混凝土(坍落度不低于150mm)浇筑，脱模后的产品内、外面光滑平整，外观质量高。立模浇筑生产前必须调整地面和底座的平整度，对模具水平度要求很高，如果模具下部不水平，上口抹面时，一部分混凝土低于模具收口处，而另一部分会溢出。箱涵产品成型脱模后，整个插口面与地面不垂直，与另一个预制箱涵的承口面不能紧密贴合，影响产品安装后的密封性，防水抗渗隐患大。立模浇筑产品时即使采用分层浇筑、振捣，浇筑到最后箱涵上口(插口)部分容易出现水泥浆过多现象，全是水泥浆、没有或只有很少粗骨料。产品成型后，插口处缺少粗骨料，因浆体收缩大而导致的开裂裂纹、裂缝极易出现，这些裂纹、裂缝又会导致箱涵安装拼接后的防水、抗渗漏性能达不到要求。箱涵上口处的裂缝是内外壁贯穿性裂缝，修补处理时需要开槽、注浆封堵。开槽处理会进一步破坏箱涵的主体，并且这种修补处理只能处理当时已经发现的裂缝，该部位内部缺少粗骨料、收缩大，后期继续开裂的风险仍然存在。现有的解决办法是在浇筑混凝土完成后，刮出多余的浆体，在上口额外填入适量粗骨料，可以减少该部位开裂的概率，但会影响上口处收面的平整度，依赖于操作工人的经验。另外，采用立模浇筑工艺，产品吊装前必须翻转，需要在产品两侧预埋四个钢圆筒。产品翻转作业时，将带帽钢圆柱插入圆筒，钢圆柱的外端套上帆布吊带，起重设备吊起箱涵后，以钢圆柱为轴完成箱涵产品的翻转，翻转过程详见图7、图8。预制箱涵的质量普遍在10～20吨甚至以上，十分巨大、笨重，翻转时产品的边角稍微没保护到位就容易被碰坏。所以翻转操作时节奏要慢，还具有一定的危险性，要避免产品被撞坏。箱涵翻转、吊装完毕后，这四个钢圆筒内要填充混凝土，外部做某些防锈处理，对箱涵整体的耐久性来说仍是其薄弱点，影响管廊的结构使用年限。

3．2卧模浇筑工艺分析

卧模浇筑工艺的优点是模具结构紧凑，模具拆装快速，脱模后的产品外观质量较好。由于底板部位的上端封闭、不易振捣，底板浇筑时主要依赖于混凝土的流动填充，需使用大流态混凝土(坍落度不低于200mm)浇筑。箱涵的承、插口部位在模具的两端模，与浇筑方向平行，振捣时混凝土气泡可以向上顺利排出，成型后的承、插口表面光滑平整，箱涵安装时的拼接缝就会变小，防水施工就能够节约材料，拼缝的密封防水抗渗漏质量有保证。卧式模具产品脱模后，产品的方向与堆放、安装方向一致，无需翻转，如图9。产品摆放时，底面平整，与地面的接触面积大、不易破损。卧模浇筑工艺制作时，即使箱涵模具的内仓底模板上每隔30cm留有一个直径2cm的圆形排气孔，产品的内壁底面仍会有大量气泡无法及时、全部排出。这些由底板混凝土内部排出的气泡遇内仓底模排不出去，就会破碎、组合成若干大气泡形成填充不满的坑洞，影响产品外观。该缺陷处理办法之一就是在混凝土浇筑完成后2小时左右(混凝土基本失去流动性之后、初凝之前)，揭开、取出内仓底模，在底板混凝土表面的坑洞内填入适量的细石混凝土或砂浆，刮平后使用铁抹子轻轻拍打至出浆，抹平收光后重新盖上内仓底模继续养护至箱涵脱模，即可解决内腔底板外观质量问题。

3．3芯模振动工艺分析

芯模振动成型工艺的优点是其使用的是干硬性或半干硬性混凝土，混凝土成本较低，产品后期开裂风险小，防水抗渗漏性能良好。该种工艺可以即时脱模，生产占用场地最少，模具周转快、生产效率高。产品成型后即可脱去外模和芯模，两套外模配上足够多数量的底模的情况下，一条芯模生产线日产量可达40节箱涵以上。芯模振动是立式成型，产品安装前同样要进行翻转，翻转操作要注意避免产品破损。芯模振动的缺点是模板上无法固定预埋装置，如外侧的起吊预埋件、内仓侧壁用作固定电缆线支架的预埋螺丝套筒等预埋件。外侧的起吊预埋件可以在脱模后挖开混凝土拌合物凿出，但影响美观，如图10。内侧的电缆线支架预埋螺丝套筒可以在箱涵安装后在侧壁相应位置上钻孔，植入化学膨胀锚栓，但后期钻孔会对箱涵结构造成一定的不良影响。图10成型后凿出起吊用预埋件图11箱涵表面孔洞密布芯模振动成型工艺使用的是干硬性或半干硬性混凝土，产品成型后的内、外表面都不够光滑平整，产品表面直径大于5mm以上的大气孔较多，相比前两种工艺外观质量要差，详见图11。芯模振动成型工艺的工作原理为激振力横向传递、沿法线方向激振力衰减。在生产方形构件时四个直角处混凝土需要的振动力要求最大，而实际中四个直角处传递的振力最小。当箱涵口径大于2.5m时，芯棒至内模板垂直距离1.25m，芯棒振力至箱涵内模角距离1.77m，由于内模板与芯棒的距离最大值与最小值相差过大，这个距离差会造成振力不一或相互抵消部分振力，形成过振或者欠振，这也是造成外观质量孔洞的原因。所以，目前芯模振动成型工艺仅适用于生产口径2.5×2.5m以下的较小口径、单仓箱涵，如果生产大口径、双仓及多仓箱涵，仍需采用普通钢模具立式或卧式浇筑振动工艺制作。

4结语

(1)预制箱涵的产品质量受到成型工艺的影响，目前的这三种成型工艺都不够完善，各有优、缺点，三种成型工艺都有继续改进的空间。采用立模和卧模成型工艺是目前较为成熟的技术，芯模振动成型虽然生产效率最高，但在未解决安装预埋件的技术问题前，不宜大力推广。(2)介绍了单仓预制箱涵的整体浇筑三种不同的成型工艺，实际工程中，应根据箱涵的类型进行选择。多仓箱涵、大口径箱涵(超大、超重)的预制生产不建议整体性预制，建议分拆成单仓箱涵或组合板块结构分别预制生产，最后到施工现场进行拼装，以解决不易制作、运输和吊装的问题。(3)采用预制箱涵建设城市地下综合管廊的施工方式在节能降耗、产业标准化生产、提高现场施工效率等方面优势明显，具有良好的社会经济效益。随着预制箱涵产业的发展，新工艺、新工法的提出能够解决现今生产成型工艺存在的诸多技术难点，预制箱涵的产业前景会更美好。

参考文献

［1］胡君，谢菲，赵世强．现浇与预制城市综合管廊的综合对比分析［J］．工程建设与设计，2016(6):20－23．

［2］薛伟辰，王恒栋，胡翔．上海世博园区预制预应力综合管廊的经济性分析［J］．特种结构，2009，26(2):101－104．

［3］曹生龙．预制装配化混凝土箱涵的研制［J］．混凝土与水泥制品，2007(1):33－37．

［4］童星宽．预制箱涵代替现浇箱涵的可行性分析［J］．混凝土世界，2012(8):58－70．

［5］GB50838－2015．城市综合管廊工程技术规范［S］．

［6］曹生龙．预制混凝土箱涵设计与制造技术探索［J］．混凝土世界，2015(6):32－46．

作者:吴勇 李洪丰 单位:中建科技有限公司深圳分公司