工厂化机械化施工思路.docx
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工厂化机械化施工思路
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工厂化、机械化施工
（桥梁、隧道、路基、管廊）
2016年8月15日
1桥梁工程
1.1施工方案概述
装配式桥墩、承台施工的总体思路：
桥墩桩基原位施工；承台外壳工厂预制、现场拼装，承台钢筋工厂集中加工，现场整体吊装，钢筋就位后浇筑混凝土；桥墩外壳工厂分节分块预制、现场拼装，节段之间主筋采用套管连接，现场浇筑内部混凝土；公路桥墩盖梁采用无支架抱箍法施工，底模采用钢模板，侧模采用预制薄板，钢筋工厂集中加工，现场整体吊装，钢筋就位后浇筑混凝土；铁路桥墩台帽部分采用钢模，现场浇筑施工。
1.2关键工序及步骤
1.2.1、装配式柱式墩（以直径1.5m为例）
施工流程：
第一步：
桩基施工。
第二步：
浇筑垫层、安装承台混凝土外壳。
第三步：
安装承台钢筋
第四步：
浇筑承台内混凝土。
第五步：
安装墩柱预制外壳部分并加固。
第六步：
在预制混凝土外壳内浇筑混凝土，在搭接处预留部分混凝土暂不浇筑，预留钢筋搭接空间。
第七步：
安装第二节预制混凝土外壳，做好钢筋搭接后，浇筑混凝土。
第八步：
依次按此施工直至墩柱施工完成，安装抱箍。
第九步：
安装盖梁混凝土外壳。
第十步：
安装盖梁钢筋。
第十一步：
浇筑盖梁内混凝土。
运输吊装：
直径1.5m，厚度10cm，节段长度3m，混凝土外壳重约1.3吨，运输及吊装均很方便。
1.2.2、装配式圆端形桥墩（截面尺寸6*3m）
施工流程：
第一到四步施工工序同上。
第五步：
分段预制圆端形、平直段混凝土外壳，受力主筋设置在混凝土墩身外壳内。
第六步：
分段预制的混凝土外壳运输至项目现场后，拼装成圆端形桥墩整体外壳。
第七步：
在拼装后的混凝土外壳内浇筑混凝土，在搭接处预留部分混凝土暂不浇筑，预留钢筋搭接空间。
第八步：
按此步骤完成墩身施工。
第九步：
安装台帽模板，浇注台帽混凝土。
第十步：
桥墩施工完毕。
1.3需要解决的关键问题
（1）桥墩混凝土节段连接问题
由于桥墩为节段拼装，钢筋连接是否达到强度要求是桥墩安全的一个主要控制因素。
（2）节段之间混凝土节段之间不能有效连接，环境中水、大气会进入桥墩内部造成钢筋锈蚀等耐久性问题。
1.4综合指标分析
（1）运输吊装条件：
圆端形桥墩预制混凝土外壳尺寸参数间下表。
类型
尺寸
（m）
厚度
（m）
节段长（m）
重量
（t）
合计重（t）
圆端形
1.5（半径）
0.1
3
3.7
12
平直型
3
0.1
3
2.3
由此可见采用预制节段运输方便，吊装只需常规吊装设备。
（2）模板
传统的现浇施工需要大量模板，采用节段预制拼装方法的一个优势就是混凝土预制管节代替了浇筑模板，节省了大量的模板工程量。
（3）人工成本
传统现浇施工需要搭设支架、安装模板，需要大量工人，随着我国社会保障体系不断完善及经济发展，人工成本越来越高。
采用装配式施工方法，桥墩墩身及钢筋均采用厂内加工运输至现场吊装，工厂化、机械化程度高，节省了大量人力资源成本。
2隧道工程
2.1施工方案概述
本方案采用一种类盾构装备与暗挖台车或悬臂掘进机相结合的施工方案，在掌子面～管片之间设置刚性防护结构，初期支护利用盾构设备前伸环片支护，解决常规支护与隧道开挖同时占用作业面的问题，超前支护可利用暗挖台车完成，预制管片代替传统的隧道衬砌，开挖采用暗挖台车或悬臂掘进机作业，极大改善隧道施工作业环境并提高工作效率，该方案适用于Ⅳ、Ⅴ级围岩。
主要工装设备如下图所示。
图2.1机械支护工装设备
图2.2暗挖台车
图2.3悬臂掘进机
2.2关键工序及步骤
1、开挖前通过支撑盾壳，在掌子面～支护段间形成临时支护体系，凿岩台车、暗挖台车或悬臂掘进机在支盾壳防护下进行钻眼或开挖作业；
2、
图2.4暗挖台车掌子面就位
3、拱顶开槽：
暗挖台车前行至掌子面附近，启动右臂进行拱部环形铣槽作业；
图2.5拱顶开槽
4、
拱部铣槽完成后，预支护臂前伸，形成超前支护结构；
图2.6拱顶盾壳顶进支护
5、暗挖台车在超前支护下方开挖掌子面岩体，清底后底部盾壳相应伸出；
图2.7洞身开挖及底部盾壳顶进支护
6、安装支护管片；
图2.8环片安装
6、盾构机主体设备前移，进入施工下一循环，并根据设计情况，钻设系统锚杆、安装监控量测测点。
图2.9盾构主机前移
隧道开挖如需软岩爆破作业时，起爆前关闭支护结构后方爆破防护板，暗挖台车移至防护板后，确保岩体爆破时，飞石、冲击波不会影响整体支护设备的结构和设备。
2.3需要解决的关键技术
（1）正面防护结构要有足够的强度、刚度，满足抗冲击能力要求，保证支护结构的安全；防护板消能装置要能够满足将爆破能量消减至可接近和防护的范围，使爆破既满足开挖需要、又不损坏防护结构；
（2）暗挖台车及悬臂掘进机可解决软岩掘进，但如有大涌水、流砂、溶洞等特殊地质时，方案适用性存在问题。
（3）隧道支护结构与传统工法差异巨大，需重新进行设计检算和经济指标分析。
（4）软弱围岩全断面施工需解决掌子面稳定难题，如分台阶施工，将防护结构分区临时支撑掌子面，将一定程度影响施工进度。
2.4综合指标分析
（1）安全性分析：
隧道开挖～支护段工序全部在盾壳下方施工，具备极高的安全性，可避免常规施工可能发生的掉块、小塌方造成的常见人身伤害。
且优先采用机械开挖，可减少火工品控制风险。
（2）进度分析：
在常规钻爆作业中，钻眼、爆破在Ⅳ～Ⅴ级围岩单循环开挖时长约5～6小时，如本方案采用EBZ318H型悬臂掘进机，按设备标称理论产能240m3/h的30%计，每小时开挖72m3，单循环（0.5～0.6m）全断面开挖时长不超过2小时，可压缩时间60%以上；同时将原喷砼、挂网、锚杆等工序通过环片安装方案，将大量工序提前在预制场完成，现场仅需在盾体内进行安装，且基本不占用循环时间，可充分压缩支护时长。
预计本方案Ⅳ～Ⅴ级围岩单循环开挖时长可控制在3～4小时以内，较常规施工提高一倍以上，即每月开挖支护达100～120m以上。
（3）劳力投入和效益分析：
机械法开挖需配备6名工人，昼夜两班12人；传统人工开挖至少需配备12名工人，昼夜两班24人，节约劳力50%，且大大降低了掌子面安全风险和洞内劳动强度。
同时通过单循环进尺加快和劳动力的节约，可节省大量现场管理费和劳务费用的投入，有效提高项目经济效益。
3路基工程
3.1施工方案概述
在我局路基边坡防护施工经验基础上，结合国内外在建筑机械化施工的研究成果，计划从现浇和预制拼装方面进行拱形骨架防护机械化施工进行研究。
现浇施工主要是利用掏槽机掏槽，按照开挖一级支护一级的原则和要求完成掏槽，然后利用砼现浇机现浇混凝土拱形骨架一次成型。
预制拼装施工的掏槽工艺同现浇施工，即利用掏槽机掏槽，然后利用构件安装机械从下到上快速安装预制构件。
两种方案的优点都在于机械化程度较高，施工时可以形成流水作业，节约施工工期和劳动力成本和有效控制拱形骨架的施工质量。
3.2关键工序及步骤
3.2.1现浇施工工序及步骤
（1）、掏槽：
自动掏槽机到达指定位置，通过刀片将边坡土破碎，并利用自带的小型挖斗将弃土挖除，并沿皮带传输装置运至路基面。
掏槽机采用GPS设备来控制基槽的线形，利用少量人工对基槽进行清理，保证沟壁平整密实,沟内不留有松土。
图1路堑段掏槽机成槽图示图2路堑段成槽后图示
图3路堤段掏槽机成槽图示图4路堤段成槽后图示
（2）、浇筑砼：
基槽完成以后，砼现浇机械就位，机械端部矩形框内含单个拱圈单元的模板，以单个拱圈为单元采用自密实混凝土进行现浇。
浇筑顺序为自下而上，待下层拱圈混凝土达到一定的强度后开始上层拱圈的混凝土浇筑。
图5路堑段现浇机浇筑砼图示图6路堑段砼浇筑成形后图示
图7路堤段现浇机浇筑砼图示图8路堤段砼浇筑成形后图示
3.2.1预制拼装施工工序及步骤
（1）、预制构件生产：
由预制构件场工厂化生产合格的预制构件。
（2）、掏槽：
掏槽工序同现浇施工，即自动掏槽机到达指定位置，通过刀片将边坡土破碎，并利用自带的小型挖斗将弃土挖除，并沿皮带传输装置运至路基面。
掏槽机采用GPS设备来控制基槽的线形，利用少量人工对基槽进行清理，保证沟壁平整密实,沟内不留有松土。
（3）、预制构件安装：
构件安装机械到达指定位置，首先由安装在机械手上的砂浆喷头在已安装完成的构件侧面（即已安装完成构件与即将安装构件的搭接面）和基槽底按设计和规范要求均匀喷射砂浆，再由机械手抓取预制构件进行安装。
构件通过机械的斜皮带传送至机械手位置。
安装顺序为自下而上，先直后曲，以每孔拱形骨架的一半为一个工作单元，如此反复，直至完成所有拱形骨架的安装。
图9路堑段拼装机拼装预制构件图示图10路堑段拼装机拼装完成后图示
图11路堤段拼装机拼装预制构件图示图12路堤段拼装机拼装完成后图示
3.3需要解决的关键技术
（1）自动掏槽机及预制块自动拼装机的开发研究。
要求施工装备机械化、自动化程度高，技术先进，应用灵活，安全高效，结合线路施工特点，研制开发体积小、质量轻、便于转场的专用机械装备。
（2）掏槽机刀片的开发研究，针对各类土质、填料确保能一次性掏槽成功，且能达到施工质量要求。
（3）现浇法中自密实混凝土的配合比设计，确保混凝土强度及初终凝时间满足快速施工要求。
预制拼装法中砂浆的配合比设计，确保砂浆强度及初终凝时间满足快速施工要求。
4.4综合指标分析
机械化施工的优点在于劳动力成本小，施工人员劳动强度低，工效高，施工质量易得到控制。
因此就每百米骨架采用机械化施工和人工施工的施工人员数量及功效进行对比分析。
以某公路工程土质路基边坡为例，拱架宽度40cm，厚度20cm，边坡高度6m，拱圈跨度及高度均为3m。
每个拱圈混凝土用量约1m3。
则每百米开槽长度约为825m，混凝土用量为66m3。
每百米拱架所需人工与机械对比表
项目
所需人工（人*日）或机械（台班）
备注
挖土
支模
打灰
拼装
合计
工天
机械
人工现浇（人工）
33
80
30
—
143
30
安排一台汽车吊辅助打灰
机械现浇（台班）
2
—
5
—
20
7
安排2个工人辅助挖土，2个辅助打灰。
人工拼装（人工）
33
—
—
60
93
—
机械拼装（台班）
2
—
—
2
8
4
安排2个工人辅助挖土，2个辅助拼装。
从上表可以看出，采用机械现浇与采用人工现浇相比，能减少123个工天，23个机械台班；人工拼装与机械拼装相比，虽然增加了4个机械台班，但是减少了85个工天，。
4管廊工程方案一
4.1施工方案概述
4.1.1矩形盾构/顶管
综合考虑管廊结构和盾构施工的特点，以土压平衡盾构作为地下管廊标准段的主要开挖设备，以预制拼装管片作为地下管廊标准段的主体结构，合理设计管廊结构和施工方案，达到快速建设的目的。
图4.1矩形盾构示意图
适用地层：
适用于在土层、砂层、砂卵石地层。
适用工况：
埋深不小于2.5m的单舱、双舱管廊施工。
线路长度大于600m，用盾构工法；线路长度小于600m，用顶管工法。
4.1.2U型盾构
对于覆土深度小于2.5m路段，建议采用U型施工，适用单舱、双舱及三舱综合管廊，需要临时支护结构的基坑更有成本优势。
U形敞开式盾构设备上部敞开，两侧设置固定或可移动伸缩插板，可插入开挖廊体断面两侧，作为保护两侧土体稳定的支档结构。
U型盾构作为移动支挡结构，采用通用设备挖掘，使用起重机起吊安装箱涵，U型盾构推进油缸压紧箱涵，用预应力锚索将相邻管节连接固定，同时推动U型盾构前行。
箱涵的上部和侧部可及时回填，恢复场地。
图4.2U形盾构施工工艺图
4.2关键工序及步骤
4.2.1盾构/顶管施工步骤（施工工艺不做重点介绍）
①平整场地，工作井围护结构、主体结构施工；
②盾构机吊装、始发、掘进、接收；
③对节点位置管节进行后处理；
④综合管廊支架、设备安装；
⑤综合井施工并恢复路面。
4.2.2U型盾构施工步骤
（1）U形盾构始发
采用U形盾构施工始发时，需要为设备的吊装和正常推进提供一定的工作空间，通常需要采用明挖的方法建造一个小型始发井。
本项目可利用管廊端头井做为U形盾构始发井。
图4.3始发井施工
图4.4U形盾构始发
图4.5U形盾构始发原理图
（2）土方开挖
①软土土方开挖
软土段土方开挖采用1台反铲挖机施工，1台反铲挖机进行土方回填。
图4.6软土开挖
②硬岩开挖
硬岩段分为部分硬岩和全硬岩。
对于部分硬岩的区段，采用上部覆土反铲开挖，下部硬岩较少时可以采用破碎锤破碎或钻孔劈裂的方式进行破碎后，采用反铲挖机清碴。
若硬岩较多或全硬岩断面，采用爆破施工。
图4.7硬岩开挖
（3）管节吊运
预制管节重量约为10t/m，若采用2m长管节，管节重量约为20t，采用一台50t汽车吊或履带吊，进行管节吊运安装。
图4.8管节吊运
（4）管节拼装
管节吊入U形盾构盾尾后，采用人工辅助定位的方式，将待安装管节与已施工管段对齐，定位精度满足设计要求。
管节安装定位完成后，及时将其与施工管节通过预应力拉筋拉紧，防止在脱出盾尾过程中发生错位。
图4.9管节拼装
（5）U形盾构姿态控制
盾构机采用激光制导的方法进行掘进导向。
U形盾构的姿态控制主要通过操作设置在U形盾构不同位置的盾构机铰接油缸控制盾构掘进方向。
（6）管节壁后注浆
U形盾构在地下水较少时，盾尾底部可以敞开，但在地下水丰富的地层中施工时，则需采用盾尾底部密闭的形式，盾尾内安装管节后，需要在管节壁后分两次进行注浆，以填充管节和地层之间的间隙。
首先，在管节安装完成后，在盾构机的盾尾间隙内使用壁后注浆材料进行一次注浆；然后，随着盾构机的向前推进产生的盾尾间隙（相当于盾构侧板和底板的厚度），与推进同步进行二次注浆。
图4.10壁后注浆示意图
（7）渣土回填
对于已施工完成的管段，采用1台反铲挖机进行土方回填。
（8）U形盾构到达
U形盾构到达工作井可以结合引出口或端头井设置，可以对引出口或端头井先行部分明挖施工，待U形盾构到达接收井后将设备吊出，然后完成剩余结构施工。
4.3需要解决的关键技术
4.3.1新结构（拼装技术）
图4.11管节分块拼装
图4.12节点结构预制拼装
图4.13矩形盾构管片
4.3.2新设备研制
（1）矩形盾构
该工程采用的土压平衡式矩形盾构具有开挖系统、出碴系统、碴土改良系统、管片运输及拼装系统、注浆系统、纠偏系统、动力系统、控制系统、测量导向系统、自动报警系统等基本功能。
图4.14矩形盾构主机图
管片拼装工艺：
（2）U型盾构
U型盾构主要由伸缩护板、中部盾体和尾部盾体三个部分构成，可根据地层情况配置止水和注浆系统。
4.3.3节点后处理技术
未作为顶管工作井的综合管廊节点结构，需待顶管施工完成后采用后做的方式进行施工。
对于不需通出地面的电力、电信支线引出口可采用在设计位置“局部破除管节，然后暗挖施工”的方法进行施工。
施工前，需要对节点处一定范围内地层进行注浆加固处理，然后局部切割管节，进行扩挖施工。
4.4综合指标分析
表4.1机械化施工方法对比
工法
对比项
矩形盾构
矩形顶管
U形盾构
适用地层
土层、砂层、卵石层；不受地下水影响
土层、砂层、卵石层；不受地下水影响
各种软质及硬质地层；根据地下水情况有不同的设备方案
管廊覆土深度
D＞0.5H
D＞0.5H
D＜0.5H
一次施工长度
单段掘进＞600m
100～600m
不限制
管节形式
分块预制拼装
整环预制拼装
分块或整环预制拼装
节点
施工方法
节点合并，局部暗挖或明挖后做施工
节点合并结合工作井设置，局部暗挖或明挖后做施工
局部断面加宽处扩挖，后做施工
施工速度
10～15m/d
10～15m/d
30～40m/d
总体进度
节点施工效率
节点施工效率
开挖效率
单舱标准段
造价估算（元）
16845
15709
9165
对环境影响
小
小
较大
适用工况
埋深大、成熟城区、既有道路、长距离下穿施工
埋深大或短距离下穿施工
基坑较深、放坡范围大或受限或较强（拉森桩、旋挖桩等）围护结构
示范效应
大
较大
较大
5管廊工程方案二
5.1施工方案概述
预制装配整体式混凝土综合管廊是将预制混凝土构件或部件通过钢筋的连接并现场浇筑混凝土形成整体的综合管廊，该体系具有整体性好、防水效果好、可实现流水线生产、操作简单、运输效率高等特点。
5.2关键工序及步骤
工序1：
基坑开挖至设计指定标高，浇筑混凝土垫层，在浇筑完成的垫层上部施工底板防水层，之后进行底板钢筋绑扎，浇筑底板混凝土，并在底板预留与竖向墙板连接钢筋。
工序2：
将预制双皮墙吊装就位，双皮墙采用工具式支撑架与底板连接，保证双皮墙整体稳定性；
工序3：
安装顶部叠合楼板，叠合板利用工具室脚手架支撑；
工序4：
利用自密实混凝土填充双皮墙间空隙及顶板剩余部分，完成预制管廊施工。
5.3需要解决的关键技术
5.3.1预制构件的拆分技术
预制构件的拆分是否得当，直接关系到构件的生产效率、吊装效率、运输效率，因此必须对构件拆分进行对比细化，选出最优方案。
5.3.2构件间连接节点处理技术
目前现有规范无双U型对接说明，需通过试验及理论分析验证，后期需开展科研开发
5.4综合指标分析
5.4.1与传统现浇管廊相比，预制装配式管廊的优势：
（1）主体工程建造速度快（管廊拆分成构件放在工厂内预制生产，工厂内生产自动化程度高，而且厂内生产不受气候变化影响，刮风下雨都可以在工厂内加工）。
（2）节省大量人工（工厂内采用自动化生产线，只需少量工人配合设备生产，施工现场主要以吊装为主，操作工数量很小），施工现场吊装工人每班5至6人，可在4至5天完成30m预制管廊的全部施工内容。
（3）操作步骤简单（节省很多复杂的环节，即节省了时间又降低了成本）。
（4）节材（无需要现场支模板）
（5）节时（节省了现场施工时间）
5.4.2与整体预制管廊相比，预制装配式管廊的优势：
（1）连接更牢固、防水效果更好（装配式管廊连接节点采用现浇，整体性更优、防水效果更好）
（2）产能比整体式预制管廊大（整体预制管廊于固定模台上进行生产，工序繁琐，自动化程度较低下，产能较小，影响工程进度。
）
（3）节省模具成本且更有利于生产（如果采用整体式预制管廊，管廊的大小尺寸一变，就需要换一批模具，这样加大了成本。
如果采用全自动管廊生产线，一套模具就可以根据管廊尺寸要求生产出不同尺寸的构件，这样就大大降低了模具成本。
）
（4）运输效率更高，降低运输增加的成本（整体预制的管廊构件重量大体积大，不利于运输。
而装配式构件运输更便利，运输效率更高，降低运输成本同时，且能配合快速施工工期。
）
（5）施工难度小（整体预制的管廊重量大体积大，施工难度大安全隐患大，预应力施工难度大，成本问题）
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