1 概述
在盾构隧道施工中，衬砌结构是其中主要的一个组成部分，承担着抵抗土层压力、地下水压力以及一些特殊荷载的作用。而盾构管片是衬砌结构的主要装配构件，影响隧道的防水性能及耐久性能。
钢筋混凝土管片的钢筋骨架由工人在专用的胎架上通过焊接制作完成，钢筋骨架完成后放入钢模固定位置、安装埋件。接着进入浇捣工序，由工人完成浇捣后收水抹面，混凝土达到初凝状态即可进行蒸养。待管片混凝土达到起吊强度时开模起吊，最后成品安置在静养区中进行冷却，达到室温后即可进入养护池中进行养护。
管片的质量对于隧道整体结构安全有着重要意义，因此需要对脱模后的管片进行养护。目前管片养护主要分为2道工序，分别为静置养护和水养护。管片脱模起吊后由于水化热及蒸养的作用表面温度较高，一般可达到50℃～60℃之间。若将起吊后的管片进行静置养护使其自然降温，则容易使管片在水化热反应时缺少水分而产生内应力裂纹，若直接放入养护池，则会由于管片表面与养护池水温温差较大，在管片表面造成温差裂纹，现有的养护工艺均无法满足生产和质量要求。
为能够适应快节奏的生产工艺的同时，需确保管片表面湿润且不会由于温差等原因造成裂纹，有必要对管片进行温水喷淋降温，待管片温度下降后安全地放入养护池中进行养护。同时为了满足上海市沿江通道管片及北横通道管片生产的要求，特设计了专用的管片喷淋养护系统。
2管片喷淋系统设计
管片温水喷淋系统主要由喷淋区、喷头、循环系统、加热系统和自动控制系统这5个主要部分组成，按照上海市沿江通道及北横通道这2个工程的技术要求及相关生产规范，根据系统不同的组成部分，遵循充分覆盖、温度稳定、自动降温的设计原则，分别整合设计了管片的温水喷淋系统。
2.1 喷淋区设计方案
管片经过脱模起吊后使用翻身架翻到竖直状态，之后吊入养护池喷淋区内竖直堆放，喷淋喷头的位置必须确保管片喷淋的覆盖率达到100%，同时不能妨碍到正常生产吊运工作。综合考虑了以上因素，技术人员以一排管片为单位，将300m2的喷淋区共分割为10个区域，每个区域在靠近墙体附近设置1个固定式喷淋喷头，喷头高度约为3.5m。考虑到管片吊运工作方便，放弃在喷淋区上方及四周设计覆盖喷淋区，在墙体喷头无法触及的其他角落设计了移动式喷淋头固定架，在管片吊运时将喷淋架移至管片另一侧，待管片完成养护时移走即可进行吊运操作。
此外为确保管片喷淋能够覆盖所有管片，喷淋区内管片堆放时应当按照设计时预定的位置整齐堆放，管片间隔不能小于20cm，以防管片相互距离过近产生喷淋死角。喷淋降温区平面布置图如图2所示。
图2 喷淋降温区平面布置图
2.2 喷头的形式
在选用喷头时，不仅需要考虑喷头的喷洒面积、喷洒效率等问题，还需要考虑循环水中杂质对喷头造成的影响，因此本系统设计时选用了全方位雾化喷头。喷头的主要工作原理为水流带动喷头内部的叶轮，叶轮带动齿轮使喷头在喷洒过程中匀速旋转，类似于传统的齿轮驱动喷头。喷头喷洒半径满足单排管片10m长的覆盖面积，喷头形式采用雾化喷头以确保水分均匀覆盖管片表面。本系统选用的喷头内装滤网，喷嘴和过滤网拆换方便，从源头上保障了喷头在日常使用过程中不会因为杂质过多发生堵塞等问题而影响到喷淋效率。同时每个喷头根据不同的所在位置，设置了不同的喷淋角度，防止喷淋水喷洒到喷淋区域外，造成地面积水及喷淋水浪费。
2.3 循环系统
由于管片喷淋过程用水量较大，因此在喷淋区规划时就在周围设置了15cm高度的水泥围挡。喷淋用温水通过立式管道泵输送至车间喷淋分布点，喷洒后流入围挡内的收集水沟，再汇集到喷淋区边的沉淀净化池中，通过沉淀过滤后抽回水箱内进行循环利用，起到即节能节水又保护环境的目的。在日常生产中由于管片表面细沙较多，在使用一定时间后要定期更换喷淋系统的过滤网及清理喷淋头，防止喷头被颗粒物卡死而不能旋转。
2.4 加热系统
喷淋水一般使用自来水，根据车间长30m、宽10m区域大小要求，在两个车间分别设置喷淋区域，同时考虑到由于2个工程的管片起吊时间相差2个多小时，造成管片表面温度不同，本系统设置了2个大型的不锈钢保温共用水箱（图3）用于储存喷淋水，用以提供不同温度的喷淋水。
加热设备原先使用的是电热棒进行加热，但是加热速度较慢且耗电量较高，因此后期生产过程中逐渐使用生产过程中替代为蒸汽的余热来加热（电热棒仅作为辅助加热），加热系统通过电磁阀控制温度，最高水温设置为温度55℃，温度过高时自动加入自来水及循环水来调节温度。
图3 不锈钢保温水箱
2.5 自动控制系统
本系统自动控制系统采用STM32微控制器（图4）和温度传感器组成了喷淋系统的自动控制模块，集自动化喷洒和自动温度控制与一体。主要自动控制模块为温度控制。
2.5.1喷淋时间控制设计
管片喷淋要求仅为保持管片外表面湿润，因此无需长时间喷淋而浪费喷淋水，可根据通过人工测试管片表面水分蒸发完毕时间，按照经验数据来调节水泵时间继电器，时间到后自动停止喷淋，当延时时间到后水泵再一次自动工作抽水，如此周而复始直到达到养护期满为止。
2.5.2 喷淋温度控制设计
在管片脱模起吊后，在降到室温的过程中水温与管片表面温差不宜超过20℃，因此需要实时控制喷淋水温度。本系统通过激光测温仪自动监控管片表面温度，实时将管片表面温度反馈给水温控制装置，自动控制喷淋水温，从而确保管片温度能够均匀下降。
3 管片喷淋系统效果
在上海市沿江通道及北横通道工程管片生产过程中，温水喷淋降温系统的喷淋覆盖面大，保证管片几何面的充分湿润，良好的雾化喷淋效果能使管片水化热过程中产生的高温逐步降低，利用微控制器和温度传感器组成的控制模块可达到自动喷淋降温的要求，喷淋养护的管片降温效果较传统自然养护有较明显的效果。
3.1管片喷淋系统效果
在本系统投入使用一个月的时间内，对使用温水喷淋系统的400块管片进行了抽查，并对实施该系统前的管片进行对比。在使用管片温水喷淋系统后，每100块管片大约有1～3块管片存在表面裂纹，明显降低了因管片水化热集中引起的温度裂纹，有效提升对管片早期裂纹控制，提高了养护效果。同时将自然养护与喷淋养护状态下的管片表面温度情况进行对比，如图5所示。
表1每10环（100块）管片中表面裂纹产生数量（单位：块）
图5 2种养护状态下的管片表面温度情况变化对比图
从图4中的温度变化情况进行对比可以看到：
（1）自然养护过程中管片表面在0.5h内放热呈上升趋势，增加管片内部温度应力；
（2）管片喷淋养护系统有效缩短管片起吊后的降温时间，管片表面温度从50℃降至20℃减少近1h，提高了生产效率；
（3）有效控制降温速度，控制在10℃/h以内，避免了在冬季或低温施工时因环境温湿度与管片表面温湿度相差较大，易产生管片表面收缩裂纹，提高了管片质量。
由于运用水循环系统，养护水经沉淀后重新利用，合理利用水资源，达到节能环保的目的，该系统的成功应用有效地降低了生产能耗，提高了生产效率及管片质量，进而达到节省成本、提高经济效益的目的。
4 结语
本系统从供水到工作完毕，基本实现了过程全自动控制，喷出的水雾均匀，养护效果极佳，达到全天候、全湿润的养护质量标准。但系统目前还存在着加热效率低、循环过滤效果差等问题，因此在未来的生产使用过程中仍需不断进行改进。但对于管片养护工艺而言，本系统所取得效果具有十分积极的意义，通过温水喷淋养护提高了管片质量，对未来其他工程管片养护工艺的改进和提升具有重要的意义。
摘自《上海隧道》