管樁生產線設計和工藝管理新理念

高要市長興管樁有限公司總工程師鄒文剛

　　前言

　　混凝土管樁行業(yè)從上世紀80年代起步發(fā)展，已經有30年的時間。全國的管樁廠家從沿海地區(qū)往內陸地區(qū)發(fā)展，現(xiàn)約有600家管樁廠，管樁用量從2000年的1300萬米到2011年的3億多米，是世界上管樁用量最大的國家。但是管樁生產線的規(guī)劃和設計方面仍較為滯后，國內還沒有形成系統(tǒng)的科學的管樁生產線設計規(guī)范性文件，30年來，管樁工藝流程設計并沒有太大的改進，工藝布局和流程有優(yōu)劣，未能達到理想的投入與產出的效益比例，甚至有的管樁廠因規(guī)劃設計不合理，造成投資浪費、工藝“瓶頸”、安全隱患、生產成本高等等現(xiàn)象。近年來，隨著部分新設備的改進應用，工藝流程也有所改良，但是和國外先進的管樁自動化生產線相比還存在較大的差距。筆者根據實際的設計經驗和生產管理體會，參考國外自動化生產線的工藝流程，談談國內管樁廠設計的總體思路和現(xiàn)有工藝流程存在的問題，以及有待改進發(fā)展的地方，分析工藝管理的特點，以供投資者和管樁同行的參考，盡量避免盲目的設計投資建設。

　　1、設計的總體思路和評價標準

　　投資者新進入管樁行業(yè)，最想了解的是投資收益多少，行業(yè)發(fā)展前景如何，在此暫時不談經濟方面的觀點，僅從技術的角度分析具體的投資要素。首先考慮投資規(guī)模，根據當地市場情況決定管樁的產銷量目標，決定購置土地的大小。當然，也可以根據已有的土地，考慮廠區(qū)布局，每一個場地都會有最佳最適合的布局方案的，要合理分配，充分規(guī)劃利用。設計考慮多方面因素：車間的工藝流程、道路的走向、堆場所占的比重、砂石等原材料的堆放、鍋爐或蒸汽動力系統(tǒng)的布局、電力系統(tǒng)的布局、輔助設施的規(guī)劃等等。從管樁銷售市場的特點看，一般需要廠內的管樁堆場存放量大，所以設計時應考慮成品堆場的面積不少于生產車間的面積，存放量滿足生產近一個月的生產產量，這樣便利于生產和銷售的管理。

　　評價管樁廠設計規(guī)劃的優(yōu)劣，從生產效率、安全、工人勞動強度、環(huán)境等四大方面考慮，而這四個方面與管樁工藝流程是密切相關的。先談談生產效率的概念，生產效率需要從人均生產管樁數量和每小時生產管樁數量兩方面來考慮，人均生產管樁數量（以下簡稱人均數）按照成型班組的人員來計算，即從攪拌樓布料到拆模工藝的人員（不含鋼筋籠制作）平均每人生產管樁的數量，在完全按照生產工藝條件前提下生產，一般認為人均數為4條時，生產線較為合理，人均數為5條時，較為優(yōu)良，人均數達到5條以上，為優(yōu)秀。每小時生產管樁數量（以下簡稱時產數）按照每臺離心機每小時生產的管樁數量來計算，一般時產數為4條時，生產線優(yōu)良，時產數為4.3條時，較為優(yōu)秀?？梢?，這兩方面結合起來，衡量管樁生產線的工藝流程是否合理，投入和產出是否成正比，不能單一去比較。

　　2、現(xiàn)有管樁工藝流程對比

　　管樁工藝流程設計是管樁廠設計成敗的關鍵，直接影響到生產效率、安全、工人勞動強度、環(huán)境等方面。預制混凝土制品的生產工藝分為三類，即臺座法、機組流水法和流水傳送法，目前國內管樁廠家工藝采用機組流水法，常用的機組流水法管樁生產工藝可分為縱向工藝和橫向工藝，其中橫向工藝按照成型車間的布置又分為多跨循環(huán)生產工藝和單跨往返工藝。見下表2：

　　在設計管樁廠時，有的設計人員認識不足，往往誤解為單跨往返式的工藝會比多跨循環(huán)式的工藝流程節(jié)省用地，生產效率高，其實這種思路是非常欠缺的。以同樣的生產工藝制度去執(zhí)行，同樣的設備投資建設，兩種工藝流程實際占地面積是相當的。如下圖比較：

　　由圖1、圖2可見，兩種工藝同樣是2臺織籠機、4條布料線、5臺離心機、8個蒸養(yǎng)池、2臺蒸壓釜的設備配置，單跨往返式的單層廠房占地面積4956m2，60根立柱，多跨循環(huán)式的單層廠房占地面積4956m2，56根立柱，可見兩種工藝布置的廠房占地面積是一樣的。生產效率方面對比：生產一條管樁成型車間行車吊運工作的次數對比，單跨往返式的工藝成型車間吊運8次，多跨循環(huán)式的工藝成型車間吊運9次，即生產一條管樁多一次吊運動作。筆者在生產管理上總結，只要員工熟練配合，兩種方式的工藝車間，均能生產出較高的產量。保證質量的前提下，多跨循環(huán)式的工藝成型車間的單班PHC管樁產量可以達到300條/班，人均產量可以達到5.5條/人，平均每小時每臺離心機生產管樁數量可達到4.3條。從安全性方面對比：單跨往返式的工藝成型車間存在頻繁的交叉作業(yè)和“倒流水”作業(yè)現(xiàn)象，工作區(qū)域集中，行車越過人員作業(yè)區(qū)較多，存在較大的安全隱患。從實際生產統(tǒng)計的數據看，單跨往返式的工藝車間比多跨循環(huán)式的工藝車間發(fā)生的工傷事故多。所以筆者認為，多跨循環(huán)式的工藝成型車間比單跨往返式的工藝成型車間更安全，綜合效率更高，對設備維護保養(yǎng)更有利。再則，可以參觀學習國外的先進廠家，日本和韓國的管樁工藝全部是多跨循環(huán)生產工藝。

　　3、管樁生產工藝環(huán)節(jié)問題分析

　　國內管樁生產存在的問題：1、人員太多，過多依賴于人力生產。成型班組至少需要33人，前臺布料人員最多，需要10~15人，占成型車間人數的30％以上，合模人員4~5人，占成型車間人數15％，這兩工序人員都集中在布料場地工作，15~20人，占成型車間人數的45％，工作區(qū)域面積420m2，只占成型車間面積3696m2的11.4％，可見人員比較密集，工序作業(yè)方式落后。2、勞動強度大。裝籠人員需要搬動張拉頭板和張拉尾板，每個板的重量從50~100kg不等。手提著風動扳手合模拆模，一只風動扳手重約15kg。3、設備落后。例如行車的吊具是簡單的鏈條掛鉤，定位不準，需要人員手抓鏈條掛鉤操作。管模的移動全部依賴于人員和行車的配合。4、安全性較差。主要是因為部分設備落后，過多依賴于人工操作，造成存在安全隱患的工序較多。例如：人工掛鏈鉤容易夾傷手指，人員進入離心機邊、蒸養(yǎng)池邊等危險區(qū)域掛鉤，有生命安全威脅。行車運行速度過快，超出規(guī)范要求，經常使用“返剎車”違規(guī)操作，容易碰撞設備和人員，行車往返交叉作業(yè)容易造成相互碰撞，行車作業(yè)和地面區(qū)域的人員配合操作不協(xié)調時，有很大的安全隱患。另外，多種設備的保護裝置不足。5、存在一定的環(huán)境污染。離心機工作時噪音大，清洗砂石污水處理，鍋爐的廢氣廢渣廢水的治理等等。6、能源耗用大。一條管樁生產線耗用電能和熱能較大。因此設計管樁廠時首先考慮好良好的生產工藝流程，然后從這六方面來合理完善設計，這也是需要國內管樁廠家和設備廠家緊密配合，不斷創(chuàng)新改進，共同促進國內管樁行業(yè)的發(fā)展。以下分析設計改進的方法。

　　首先是要減少管樁廠的人員，盡量將依賴人員作業(yè)的工序改進為機械化生產。人員最多的工序是混凝土布料工序，一般需要10~15人，眾所周知，生產PHC管樁時，壁厚70mm的Φ300管樁、壁厚95mm的Φ400管樁和壁厚125mm的Φ500管樁的混凝土料較多，堆積成型的難度最大，一般是采用管模底模接料后再合蓋上管模的生產工藝方法，此工序最耗費時間和人力，也是最需要改進的工藝環(huán)節(jié)。改進此工序的最佳辦法是先合好管模后再布料，這樣就可以大大節(jié)省人力。為此國內外的廠家都想了很多的辦法，目前比較成熟的方法有兩種。一種是日本的布料工藝，即采用合好管模后，泵送混凝土布料。國內也有廠家仿效并成功應用于生產。泵送混凝土的工藝實施需要解決兩個難點，一是混凝土塌落度大流動性好，滿足泵送的要求，又必須要保證強度達到蒸壓強度80MPa以上，二是設備必須保證泵送過程的實施，尤其管模生產15m以上的長管樁時，懸臂長，撓度大，機械設備必須保證不彎曲變形，而且又要保證使用壽命。國內有的廠家經過多年的研究，已經應用成熟，實現(xiàn)了減少人力資源，從原來需要15人作業(yè)減少到3人作業(yè)，減少了80％，PHC管樁的強度也能達到C80以上，質量穩(wěn)定，但是為了保證大塌落度流動性好的的混凝土料強度達到要求，增加水泥用量約15％，綜合成本上升了3％以上，因此還未普遍推廣使用，需要繼續(xù)從混凝土的配方方面和泵送設備的改良方面結合起來研究，繼續(xù)找到最佳的平衡點，做到既可以滿足生產質量，又可以控制生產成本。國內還有第二種實現(xiàn)先合好管模后再布料的好方法，采用傾斜低速離心布料的方法，這樣作業(yè)人員減少了65％。但是此方法布料生產的速度較慢，而且場地下沉安裝設備，環(huán)境欠佳，，也需要進一步改進設備，完善場地布局。由上述兩種方法可見，只要改進布料工藝，就可以將人員減少65％~80％。[Page]

　　合模和拆模工序，使用風炮人力操作，需要6~8人，如果采用自動化設備合模拆模就可以全部取消此工序的人員，是比較理想的，此外也可以采用降低勞動強度的拆模方式，可以減少2人。鋼筋加工的編籠車間，切筋、鐓頭工序可以采用自動化設備，人員從4人減少到2人，減少50％。但此工序人員需要注意根據鋼棒材質的變化，調整設備，確保鐓頭質量，尚沒有判定鐓頭質量的自動化設備。

　　其次是解決勞動強度大的問題。勞動強度大的工序是布料工序和裝籠工序，布料工序采用上述方法解決，裝籠工序則需要在設計初期就考慮好減少張拉頭板和尾板的搬運，減少人力搬運，降低勞動強度。班組生產200條管樁時，常用的人員是安裝張拉頭尾板5人，拆模和拆張拉頭尾板3人，機動人員1人，共9人。Φ500的張拉頭板和螺桿重量98kg，張拉尾板的重量50kg，每班需要拆裝200次，安裝張拉頭尾板的工人平均每人每天搬動40次，  即每天需要搬運1184kg重的物品，勞動強度大。工藝設計時，應考慮拆卸后的張拉頭板尾板用鏈勾吊運搬動，或者在原地安裝，減少搬動運輸。安裝鋼筋籠和張拉頭尾板時，將安裝操作的高度設定在人體最適合用力的高度，風動扳手用鏈鉤吊放，合打螺栓時再移動就位。這樣人員可以減少1人，勞動強度可以降低50％以上。

　　設備的改進。國內管樁生產設備，經過多年不斷創(chuàng)新開發(fā)，基本能夠符合管樁生產要求。早期廠家較為落后的設備是行車，采用鏈條掛鉤的形式吊運管模等，依賴人力掛鉤，安全性差。張拉頭板和尾板等重物依賴人力搬運，也較為落后。目前，各廠家致力于自動化設備的研究，在節(jié)省人力、降低成本、降低勞動強度、穩(wěn)定產品質量等方面作出一定的進步。近兩年，開發(fā)了行車自動夾具，使得生產工藝向半自動化、自動化的方向發(fā)展成為可能，在蒸養(yǎng)池和離心機等危險區(qū)域自動掛鉤，不用工人進入高溫高速的區(qū)域，這樣就會大大減少安全隱患。從離心機變頻技術改進、裙板壓邊機、余漿回收循環(huán)使用等設備的研制應用，都給管樁生產工藝帶來較大的進步。

　　安全性方面，從設計開始就應該仔細考慮，不能只是片面追求產量忽視安全因素，只要設計規(guī)劃合理，安全和生產效率都能兼顧，是不矛盾的。工藝流程已分析多跨循環(huán)車間比單跨往返車間的安全性高，另外，規(guī)劃廠區(qū)的用地時，道路應足夠寬敞，視線良好，車輛工作區(qū)域與人行區(qū)域分開。鍋爐蒸壓釜等壓力容器盡量離人員作業(yè)的區(qū)域遠些。行業(yè)已經制定《管樁安全生產要求》，設計時應符合此規(guī)范的要求。

　　環(huán)境改善。管樁生產環(huán)境噪音大，各工序緊湊，重型設備、高速設備較多，人員工作區(qū)域密集，給人感覺是較危險的行業(yè)。因此，改善廠內的生產環(huán)境是意義重大的。有“倒流水”的工序有安全隱患的地方都應設置警告標識。廠區(qū)內設置好人行通道，材料堆放場地等等。

　　能源設計考慮因素。主要是熱能和電能，平均生產每米PHC管樁耗用蒸汽35kg，耗用1.4度電。年產200萬米的廠家耗用1.17萬噸煤，280萬度電。管樁行業(yè)也是能耗較高的行業(yè)，設計能源方面要盡量做到節(jié)約使用，存在較多的細節(jié)，筆者在另一篇文章中已總結介紹，在此不詳細描述。

　　4、與國外先進管樁工藝流程對比分析

　　工藝流程分析。

　　管樁工藝流程設計和兩方面因素相關，一方面是管樁的產品標準和生產工藝制度，另一方面是生產設備。兩方面結合，決定了管樁工藝流程設計的先進程度，決定了自動化生產工藝實行的可能性。中國和韓國的管樁工藝流程非常相似的，但韓國將部分設備作了較大的改進，總體看，比中國的工藝流程更合理，環(huán)境更好，是值得借鑒的。仔細對比分析國內管樁工藝流程設計和國外管樁工藝流程設計存在的差距，明確改進的方向。

　　以PHC管樁為例，管樁產品標準和生產工藝制度差異：日本和韓國的PHC管樁產品和中國的PHC管樁最明顯的差別是壁厚不同。

　　可見，中國的管樁標準和日本的韓國的標準有一定的差異，前者的管樁壁厚比后者的管樁壁厚增加10~30mm。國內生產Φ400PHC管樁壁厚95mm和Φ500管樁壁厚125mm的的混凝土料堆積難度最大，勞動力大，要解決這一工序的難題，確保產品質量，減少人力，是真正實現(xiàn)自動化生產的關鍵所在。

　　從上述工藝流程圖看出，日本的工藝采用了先合模，接著張拉，最后再泵送混凝土進入管模，這樣完全解決了布料的困難，是最值得借鑒研究的。韓國的工藝在這一環(huán)節(jié)并沒有太大的創(chuàng)新，與中國的布料方式類同，可見并沒有真正意義上解決布料的難題，難以節(jié)省人力。只是產品的標準不同，其管樁的壁厚比較小，混凝土量不多，相對布料比較容易?？梢栽敿殞Ρ确治鋈毡竞晚n國的工藝平面總圖。

　　從圖3、圖4可見，從減少人力、降低勞動強度、提高安全性、降低能耗等方面，日本的工藝都可以很好保證，實現(xiàn)了全自動化的生產。1、行車的工作區(qū)域分工明確，互不干涉。行車的結構合理，功能齊全。2、地面的場地裝籠合模區(qū)和拆模區(qū)采用鏈條式或履帶式傳動管模，降低了行車的工作量，使地面工作和行車工作緊密結合，有條不紊，整個工藝流程暢順，不存在“倒流水”作業(yè)，也不存在交叉作業(yè)的現(xiàn)象。3、采用先合模在泵送混凝土料的方式，大大降低了勞動強度，減少人力，又使產品質量穩(wěn)定可靠。4、鋼筋加工車間布局在成型車間裝籠、落籠區(qū)的上層，采用兩層廠房結構，完成鋼筋籠焊接后，自動升降機送至裝籠區(qū)，這樣流程非常順暢，既避免了落籠工序和拆模工序的交叉作業(yè)現(xiàn)象，又節(jié)省用地。5、裝籠區(qū)域和吊放管模落籠的區(qū)域分開。6、采用先合模張拉再布混凝土料的工藝，張拉頭部可拆卸倒余漿。[Page]

　　韓國的工藝生產流程看起來和中國的類同，在布料工藝上沒有大的改進，還沒有實現(xiàn)大幅減少人員的目標。在勞動強度較大的工序也還沒有解決，例如：裝籠工序，仍然是人力在地面裝籠，沒有降低勞動強度。合模拆模等工序一般也是采用人力操作，現(xiàn)在也逐步開發(fā)有自動合模裝置。工藝流程存在優(yōu)秀的方面：1、在地面，拆模場地和落籠場地也采用了機械鏈條或履帶帶動，底模的移動采用了機械化，也減少了行車的工作量，這兩個場地都處理得較好。2、行車的自動夾具安全實用，比日本的行車夾具輕便簡單，投資少。3、在清模的工序采用了翻轉上模的設備，利于模具的保養(yǎng)和使用。4、將裝籠區(qū)域和吊放管模落籠的區(qū)域分開，避免了交叉作業(yè)的現(xiàn)象，也沒有“倒流水”作業(yè)。但生產過程模具中轉的次數較多。

　　由此可見，日本的工藝流程完全實現(xiàn)了自動化的生產，韓國的工藝流程和中國的工藝流程相接近，也有較大的進步，但是并沒有實現(xiàn)全自動化生產，應是半自動化的生產。

　　中國的設備廠家現(xiàn)在已經仿制部分韓國的設備，例如行車的自動夾具、落籠和拆模場地的機械化改造等等，一方面通過設備的研發(fā)改造，另一方面逐步研究泵送混凝土的試驗，降低生產成本，改進生產工藝，這樣就可以逐步向半自動化和全自動化的方向發(fā)展。

　　5、結語

　　管樁行業(yè)經過多年的發(fā)展，在生產工藝方面，各廠家也作了多方面的試驗研究工作，例如免蒸壓管樁的研究應用、耐管樁腐蝕性的研究、余漿的循環(huán)利用、新型減水劑的應用、新型摻合料的應用等等方面都取得了顯著的成績，已經成功應用到生產實際。在生產設備方面，例如變頻技術的應用、裙板壓邊機設計、泵送混凝土布料方式、離心布料方式、 新型自動夾具的應用、蒸養(yǎng)池供汽的自動控制系統(tǒng)、張拉自動控制、切筋鐓頭工序自動化生產設備、蒸壓釜的自動控制等等，都成功應用于生產實踐，在新產品開發(fā)研究和施工方面，竹節(jié)管樁、大直徑管樁、無端板接頭管樁、機械接頭、新型板樁等等，拓展了樁基礎的應用，特殊環(huán)境的使用。隨著行業(yè)的不斷發(fā)展，廠家的技術人員、管理人員、科研機構、設備廠家的不斷研究開發(fā)，中國的管樁行業(yè)正快速地進步，相信在不久的將來，很快會達到國際最先進的生產水平，使管樁行業(yè)真正實現(xiàn)全自動化生產，改善生產環(huán)境，成為具備現(xiàn)代化裝備和高科技管理水平的行業(yè)，為國家的基礎建設作出更大的貢獻。

　　根據實際經驗，提出上述觀點以供同行參考，希望有所啟發(fā)，筆者水平有限，文中有不足之處，歡迎同行朋友批評指正，共同為管樁行業(yè)的發(fā)展薦言獻策。

　　參考文獻：

　　1、嚴志隆.論PHC（含PC）管樁生產工藝及工藝設計 水泥制品2007年第4期（廣東）

　　2、先張法預應力混凝土管樁GB13476-2009

　　3、日本工業(yè)標準《先張法預應力高強度管樁》JIS  A  5337-1987

　　4、鄒文剛.管樁工藝的能源設計和設備選型 《混凝土與水泥制品》2008年02期