前言

  頂進施工法用鋼筋混凝土方涵（以下簡稱矩形頂管）是國外在20世紀90年代開發(fā)應用的新穎頂管技術，由于其斷面利用率大、覆土淺、施工成本低等優(yōu)點，該項技術可用于城市交通人行地道、車行地道、地下管線共同溝、引水和排水管道工程等，矩形頂管是供矩形頂管掘進使用的最主要的結構材料。

  中意建機本著精致、整合、創(chuàng)新的發(fā)展戰(zhàn)略，組織精干力量與上海城建市政集團預制構件廠合作，于2014年3月份開始對矩形頂管的生產(chǎn)、工藝、全套工藝裝備、模具等進行研制，現(xiàn)已研制成功，并投入批量生產(chǎn)。

  本文主要介紹淮安市現(xiàn)代軌道交通一期工程下穿隧道所用超大型矩形頂管的生產(chǎn)工藝及中意建機為矩形頂管的生產(chǎn)所開發(fā)的全套工藝裝備、模具的研制和應用情況。

  1、工程概況及產(chǎn)品特點

  本工程為淮安市現(xiàn)代軌道交通一期工程，位于淮安市楚州大道、深圳路等五處下穿隧道工程，約250節(jié)。頂管外形為矩形，規(guī)格尺寸較大，在制作、施工上具有一定的難度。

  該型頂管外廓尺寸為7000mm x43OOmm×1500mm (內凈尺寸：6000mmx3300mmx1500mm )，管壁厚度500mm。混凝土設計強度等級為C50，抗?jié)B等級為P8。頂管兩端內外分別為預埋鋼套環(huán)和鋼環(huán)。兩頂管之間接頭形式為F型承插式契形膠圈連接（見圖一）。

  該頂管的生產(chǎn)具有以下特點：

  ①重量重、體積大，單節(jié)頂管總重約為40t(混凝土約為15立方米 ，內部鋼筋、預埋鋼板等重約4．5t)。這為頂管的制作、吊裝和運輸帶來了難度。

  ②鋼筋骨架制作難：外弧主筋粗，周長約36m，每環(huán)是由四根各有兩個圓弧的直徑為22㎜HRB400螺紋鋼組成，方形且?guī)蓚€圓弧的鋼筋加工成型難度較大。

  ③鋼套環(huán)制作難：四個角的圓弧成型難度大，直邊容易變形。

  ④頂管翻身難度大，頂管先得由制作位置翻轉180°后堆放，裝車運輸，到推進工地后再進行90°翻身，由于重量重、體積大，在安全和技術方面存在一定的難度，必須突破傳統(tǒng)小頂管翻身方式，創(chuàng)新翻身工藝方法。

  ⑤預埋件種類、數(shù)量多，制作、安裝難度大，生產(chǎn)工效低。

  圖一、矩形頂管

  2、生產(chǎn)工藝及裝備

  （1）工藝流程

  原材料進廠--原材料復試--鋼筋半成品制作--鋼筋骨架、鋼套環(huán)、預理件等制作--鋼模清理、涂脫模劑--鋼套環(huán)入模安裝--鋼筋骨架人模、預埋件定位--合模、吊裝孔定位、模板精度檢測--混凝土澆筑、抹面--自然或蒸汽養(yǎng)護--脫模、起吊至堆場--灑水養(yǎng)護--翻身、灌注密封膠、鋼套環(huán)防腐--頂管修補標識、 頂管出廠。

  （2）主要生產(chǎn)工藝及裝備

  ①鋼筋彎弧要點及彎弧機

  矩形頂管主筋的制作難點是外弧主筋，每環(huán)外弧主筋由四根各有兩個圓弧的鋼筋組成，在鋼筋彎曲前，先在每段弧交界點做好標記，然后用三輥彎弧機兩邊分別彎制R450弧，直線段留出來不彎?；∪繌澲坪靡院螅旁跇藴士磕z查，符合要求后，在彎弧機操作平臺上做好移動輪移動位置標記，以便下次快速制作。三輥彎弧機需具有點動和倒轉的功能。

  采用普通三輥彎弧機生產(chǎn)，由于鋼筋較粗，工人勞動強度大，生產(chǎn)工效較低，一臺彎弧機不能滿足生產(chǎn)需要。建議最好采用數(shù)控彎弧機生產(chǎn)，但數(shù)控彎弧機投資比較大。我公司生產(chǎn)現(xiàn)采用鋼板卷板機一次可卷16根鋼筋的?。ㄒ妶D二），生產(chǎn)效率高，可滿足生產(chǎn)的需要。

  圖二、卷板機卷后的鋼筋

  ②鋼套環(huán)加工、專用胎架及防腐要點

  鋼套環(huán)下料尺寸一定要按圖紙下料，并保證它的公差在允許范圍，過緊起吊會對鋼套環(huán)造成損壞，施工過程中不易安裝；過松會使水泥漿外流、漏水。制造方形鋼套環(huán)的關鍵是四個圓弧角，四個角要特別成型，鋼套環(huán)焊接連接時一定要焊實，鋼板接口實行雙面坡口，焊接后確保焊接點強度同母材強度，焊好后再進行打磨．形成表面平整與光滑。

  鋼套環(huán)在焊接組裝時必須在水平專用胎架（見圖三）（已申報實用新型專利）上組裝，且胎架的尺寸還要考慮焊接收縮因素，這樣既可保證鋼套尺寸．又能保證鋼套環(huán)口的水平。

  鋼套環(huán)防腐處理采用環(huán)氧涂料。具體要求是先涂環(huán)氧富鋅底漆二度，待固化后再涂環(huán)氧瀝青涂料二度。

  圖三、水平專用胎架（承口環(huán)制作架）

  ③矩形頂管用吊具及翻身架簡介

  針對頂管體積大、重量重的特點，為了更好地保證頂管的起吊和翻身。特研制出新型頂管專用吊具及翻身架（已申報實用新型專利）（見圖六）。

  翻身架可實現(xiàn)頂管180°翻身，翻身裝置采用機械自鎖翻轉，自鎖作用可以有效保證頂管在翻身過程中的安全．并防止吊裝孔出現(xiàn)混凝土破裂現(xiàn)象。

  國內普遍采用的吊具存在笨重、插銷進出困難、使用不方便等問題。我公司研制的該套新型頂管專用吊具由方形橫擔式吊架、吊臂、下掛吊索、插銷等組成，使用方便、可靠。

  圖四、國內普遍采用的吊具

圖五、新型頂管專用吊具

圖六、頂管翻身架

  ④矩形頂管鋼筋骨架成型及靠模

  矩形頂管鋼筋骨架成型是在靠模（見圖七）上焊接進行的，靠模制作的質量直接關系到鋼筋骨架放入鋼模(模板)中的精度及鋼筋保護層的厚度。設計要求，內外側保護層均為35mm，箍筋（縱筋）間距150mm，頂管厚度500mm?？紤]到鋼筋彎弧、鋼筋骨架組裝、焊接過程中存在誤差，將內外靠模各向中間縮進10mm。箍筋（縱筋）間距按設計要求150mm?？磕Ａ⒅O置要適當，太密影響鋼筋骨架組裝，太稀鋼筋骨架會變形，影響鋼筋骨架精度，長度方向每邊設置3根立柱，寬度方向每邊設置2根立柱，立柱采用角鋼，內外立柱上面按內層主筋間距打孔，孔中水平穿入鋼筋，在組裝鋼筋骨架過程中，先將內層主筋靠在立柱邊放在水平鋼筋上，形成一層層間距相等的主筋，然后再將箍筋和其他輔助鋼筋與內層主筋焊接，內層焊接完成后再放置外層主筋，并將外層主筋與箍筋焊接。

  圖七、鋼筋骨架成型及靠模

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  ⑤鋼模組裝及鋼模

  模具組裝非常關鍵，模具組裝的速度直接影響到生產(chǎn)效率的高低，經(jīng)過反復推敲、試驗，模具組裝工序效率最高的方法應為：先支內模，焊接承口內襯鋼環(huán)，鋼套環(huán)連接筋應先焊接

  好后再放入底模，承口內襯鋼環(huán)四個角的連接筋應在鋼筋骨架放入模后再焊接，鋼筋骨架入

  模后焊接壓漿孔、注漿孔、預埋鋼板，焊接完后組裝外模。通常矩形管節(jié)設計有8只吊裝孔，

  每側各2只。頂面和頂面兩只是方便廠內起吊移位和裝車用，側面的兩個中心孔是用于廠內翻管，側面另兩只偏心孔是用于現(xiàn)場頂管安裝起吊，所以要求吊裝孔的安裝尺寸必須準確，否則，容易造成頂管起吊時偏斜或無法起吊，直接影響管節(jié)的移位、翻轉、裝車和頂進軸線偏移。為保證吊裝孔的位置準確，我公司設計將吊裝孔定位在外模上而不是固定在鋼筋骨架上（已申報實用新型專利），待外模組裝好后再焊接插口內外預埋鋼環(huán)（見圖八、圖九）。

  模具及特點：采用中意建機自己設計制造的模具，該模具主要的特點為模具整體加工，尺寸精確，底模、外模、內模、內角模焊接成型后分別采用數(shù)控機床加工中心整體一次性加工，保證了模具尺寸準確無誤，內外模裝配后無間隙，各圓弧段平滑過渡，從而保證了混凝土制品承插口尺寸及外表光潔度；鋼模結構新穎，裝拆方便，底模固定在基礎上，內模、內角模全部采用鉸鏈與底模連接，外模與底模采用定位銷連接，拆模時只要將固定螺栓松開，內角模向內側傾倒，外?？芍苯拥跗鹨崎_即可；吊裝孔固定直接設計在外模上，保證了矩形頂管吊裝孔位置準確，確保矩形頂管在吊裝、翻轉時的平穩(wěn)；根據(jù)用戶底模承口體與底模架可分離，上移承口體可生產(chǎn)不同長度的矩形頂管，實現(xiàn)一模多用，為用戶節(jié)約模具投資。

  圖八、模具組裝

圖九、模具組裝及模具

  ⑥混凝土攪拌及混凝土成型工藝裝備

  混凝土攪拌采用中意建機設計制造的HZS50攪拌站（見圖十），該攪拌站的特點為采用雙臥軸攪拌機，攪拌速度快而均勻；電腦自動控制計量，配料準確；攪拌的混凝土質量穩(wěn)定可靠，完全滿足高標號混凝土的攪拌要求。

  混凝土成型工藝主要有澆注（加輔助振動）成型工藝、芯模振動成型工藝、高頻豎向振動成型工藝等成型工藝方式。

  澆注（加輔助振動）成型工藝的優(yōu)點為成型工藝簡單、小批量生產(chǎn)靈活、產(chǎn)品外觀光滑、漂亮，可生產(chǎn)大規(guī)格和多孔方涵產(chǎn)品。缺點為規(guī)模生產(chǎn)時模具投入大、產(chǎn)能小、工人勞動強度大，相對另外2種工藝方式，原輔材料、人工及其它生產(chǎn)成本高。

  芯模振動成型工藝采用干法生產(chǎn)，芯模高頻整體振動使混凝土液化密實，同時使水泥有一定的活化以提高混凝土強度，混凝土密實度高，可以立即脫模，大量減少了成型模具數(shù)量及總體費用，與濕法工藝相比，可減少原材料的成本和降低人工費用等。

  但由于芯模振動成型原理方式為激振力橫向傳遞、沿法線方向激振力衰減，在生產(chǎn)方型構件時混凝土所受激振力強度大小不一，四直角處所需振力要求最高，實際傳遞的振力最小。通常芯模振動成型工藝不生產(chǎn)大口徑的預制混凝土方涵，一般口徑在2500×2500以下的單倉預制混凝土方涵。

  高頻豎向振動成型工藝主機采用大型高頻板式豎向振動原理，可預制混凝土檢查井和箱涵；接口部分輔助加壓振動，瞬時脫模，由于也是高頻干法生產(chǎn)，具有與芯模振動成型工藝一樣的優(yōu)點。

  由于豎向垂直振動受重力影響及整體設備參振部分質量大，豎向振動成型的激振力衰減比橫向傳遞激振力的芯模振動要快。所以輸出能量也就是設備的裝機容量大，此工藝成型方式最適合制造平面面積大、豎向矮的混凝土制品。

  該工藝方式生產(chǎn)的制品與芯模振動成型工藝相似，生產(chǎn)的制品強度高、抗?jié)B性能好，生產(chǎn)大小混凝土方涵的適應性能強，模具費用低。但產(chǎn)品表面不如澆注成型工藝生產(chǎn)的制品光滑，主機設備一次性投入較大。

  通過以上分析，我公司采用澆筑加插入式振動成型工藝（見圖十一）成型矩形頂管，成型時布料應均勻，分五層振動密實，壓口，為防上部環(huán)裂，靜停一小時后插口復振、壓實、收光。

  圖十、HZS50混凝土攪拌站

圖十一、混凝土澆筑成型

  ⑦蒸汽養(yǎng)護工藝及裝備

  采用帆布罩進行蒸汽養(yǎng)護（見圖十二），由于產(chǎn)品壁厚較厚，使用低升溫速度及低溫蒸養(yǎng)，每小時升溫速度不超過20度，最高溫度不超過60度，達70%設計強度時脫模。

  ○8脫模及矩形管節(jié)的翻轉

  脫模時的矩形頂管表面溫度與環(huán)境溫度之差不得大于20℃。依據(jù)經(jīng)相同條件養(yǎng)護混凝土試件強度值達設計要求脫模強度以上,方可進行拆模。

  拆模順序為

  拆卸端模、外側模固定螺栓，清理干凈放在指定位置。

  清除混凝土殘積物，移出端、外模。

  松動內角模、外模調節(jié)支桿、固定螺栓，清理干凈放在指定位置。

  將千斤頂（四個）同步上升，以便矩形頂管與模具脫離，然后吊裝至存放場養(yǎng)護。

  由于在工廠內生產(chǎn)的標準管節(jié)一般按垂直方向下料成型，即，生產(chǎn)時頂管的插口在上，鋼承口在下，脫模后由于承口鋼圈露出混凝土端面不便存放和運輸，所以需要旋轉承口和插口方向，即承口鋼圈要向上，這樣也方便填止水槽密封膠。通常做的圓管直徑小，容易翻轉，但這么大型的矩形管翻轉是存在較大難度并不安全的，為避免安全事故并保證管節(jié)翻轉到位，工廠要特制翻管架，管節(jié)翻轉時一定控制好速度和平衡度，使管節(jié)順利平穩(wěn)翻轉到位。

  圖十二、蒸汽養(yǎng)護

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  3、產(chǎn)品質量控制措施及主要技術指標

  首先對混凝土的和易性、流動度、混凝土用外加劑及摻加的混合材進行了大量的試驗和優(yōu)化，使混凝土的澆注成型的產(chǎn)品初步達到了內外壁表面光滑平整、邊角無缺陷的質量狀況，生產(chǎn)的矩形頂管產(chǎn)品鉆芯取樣混凝土強度達到56Mpa以上。

  我公司由于強化了質量管理和制定了質量控制點的作業(yè)程序，使出廠的矩形頂管產(chǎn)品邊角齊整、內外壁表面光亮整潔、無裂紋、混凝土強度高、接口密封性能好，獲得了用戶的贊譽。

  鋼筋斷料、成型、鋼筋骨架制作每道工序必須在班組、質檢員和車間質檢部門的監(jiān)督下進行，工人持證上崗，在上崗之前都要接受質量部門的質量技術交底，操作工作應熟悉規(guī)范和標準。

  鋼筋彎曲應嚴格按設計圖紙要求，進行彎曲加工。

  鋼筋進入彎弧機時應保持平衡、勻速，防止平面翹曲，成型后表面不得有裂縫。

  （1） 骨架成型、焊接

  鋼筋成型骨架必須在符合設計要求的靠模上制作。

  骨架首先必須通過試生產(chǎn)，檢驗合格后方可批量加工生產(chǎn)。

  鋼筋骨架焊接應嚴格控制焊接質量，焊縫不得出現(xiàn)咬肉、氣孔、夾雜現(xiàn)象。鋼筋的彎曲按設計和現(xiàn)行國家標準加工制作，焊縫、高度符合規(guī)范要求，焊接后焊絲及焊渣清除干凈。

  焊接成型的鋼筋骨架經(jīng)檢驗合格后實行掛牌堆放，堆放整齊穩(wěn)定。鋼筋骨架允許誤差需符合規(guī)范、標準要求。

  （2）模具清理:

  組模前必須認真清理模具，把模具上的混凝土殘積物全部清除。

  模具內表面使用電動鋼絲球清理，嚴禁使用鐵器清刮。

  清理模具外表面時，特別要注意清除測量尺寸所在位置的混凝土殘積物。

  （3） 噴涂脫模劑：

  噴涂脫模劑由專人負責。

  噴涂脫模劑前先檢查模具內表面是否留有混凝土殘積物，如有及時清模返工。

  模具內表面均勻涂刷薄層脫模劑，底部有淌流的脫模劑積聚應用海綿清理干凈。

  （4）鋼筋骨架入模：

  由吊機配合專用吊具把鋼筋骨架吊放入模具，操作時橋吊司機與地面操作者密切配合，兩端由操作者扶牢，以明確手勢指揮，對準位置輕吊、輕放，以免鋼筋骨架與模具發(fā)生碰撞。

  鋼筋骨架放入模具后要檢查保護層是否勻稱，任何一側保護層大于規(guī)定公差，或嚴重扭曲的鋼筋骨架都不得使用，吊離模具運走，經(jīng)返工合格后方可使用。

  各個模具節(jié)點就位后安裝連接螺栓校緊。

  由專人按規(guī)定安裝預埋配件。

  鋼筋骨架入模后，按要求將每只鋼筋骨架一一進行校正。對注漿孔、預埋件的位置、保護層等進行校正、實測，方可進行混凝土的澆筑振搗。

  （5）組模：

  組模前應檢查模具各部件、部位是否潔凈，脫模劑噴涂是否均勻，不足的地方要清抹、補漏。

  檢查底模板與側模板、端模板的連接縫膠條是否移位或脫落，如有此現(xiàn)象，要及時修正。

  把外側模板與底模板邊緣就位吻合，用專用工具緊固調整螺栓由中間位置向兩端順序擰緊，嚴禁反順序操作，以免導致模具變形精度損失。

  鋼模組合好后核對吻合標志，由專人負責對模具內面進行寬度測量。未經(jīng)檢驗的模具，不得使用。

  吊裝孔安裝主要是要注意錨固鋼筋要焊接牢固。

  （6）混凝土攪拌：

  混凝土基準配合比經(jīng)試配試驗確定。每天混凝土開拌前根據(jù)氣候、氣溫和骨料含水率的變化，出具當日攪拌的混凝土配合比，攪拌站不準隨意更改配合比。若混凝土出現(xiàn)異常情況，確實要需調整配合比，由攪拌站及時通知試驗室或技術部門解決。

  混凝土配合比材料允許偏差：水、水泥、外摻劑為±1%，粗、細骨料為±2%。

  混凝土攪拌時間最低限為90秒，摻有外加劑時，攪拌時間要適當延長，冬季的攪拌時間應比以上規(guī)定時間延長50%。

  混凝土拌出后由試驗室取樣做拌合物質量檢驗及試塊制作?；炷猎噳K留置每個工作班不少于3組。其中1組進標養(yǎng)室標養(yǎng)，作28天強度試驗（其中有1組作備用）；另2組同方涵構件同條件養(yǎng)護，測得折模強度、出廠時的抗壓強度。

  （7）混凝土澆筑：

  澆筑前必須按規(guī)定對組裝好的模具進行驗收，發(fā)現(xiàn)任何不合格工序應通知上道工序返工，經(jīng)驗收合格后可以澆筑。

  坍落度控制在40±10mm范圍內。

  根據(jù)混凝土坍落度情況選擇合適的振動時間。

  混凝土振搗由專業(yè)混凝土工進行，采用振搗棒振搗方式，振動至混凝土與側板接觸所處不再有噴射狀氣、水泡，表面浮漿不再下沉為止。振動實后振棒必須慢慢撥出，振搗過程中注意預埋管件及吊裝孔位置的振搗質量。

  （8）表面收水：

  去掉上部多余混凝土進行粗抹。然后使用木抹進行收水，使構件面平整。使用鋼抹精工抹平，力求使表面光亮無印。每個矩形頂管收水過程不少于四次。確保生產(chǎn)的構件內實外美，平整光滑?；炷帘砻鎵汗馔赀M入靜養(yǎng)階段。

  （9）蒸養(yǎng)：

  矩形頂管采用帆布罩式無壓蒸養(yǎng)方式。混凝土經(jīng)收水壓光后靜養(yǎng)1～2小時后，進行無壓蒸養(yǎng)。升溫梯度每小時不得超過20℃，最高溫度為60℃；降溫梯度每小時不得超過10℃，在整個蒸養(yǎng)過程中有專人負責檢查并作好記錄。

  （10）脫模：

  脫模時的矩形頂管的混凝土強度不低于設計強度的60%。

  （11）產(chǎn)品的外觀質量控制：

  要避免混凝土表面產(chǎn)生麻面、氣孔或細小裂紋，不僅要保證混凝土足夠的帶模養(yǎng)護時間，加強振動工藝，對模具表面平整度以及每次是否清理干凈都要求非常嚴格，并要有選擇性地使用脫模劑，控制好脫模劑涂刷厚度和均勻度，并保證脫模后混凝土的及時保養(yǎng)。

  （12）矩形管節(jié)的翻轉：

  養(yǎng)護三天后吊至翻管架翻身，翻身后澆注聚胺脂密封膠、鋼板防腐、堆放、養(yǎng)護出廠。

  （13） 矩形管節(jié)的運輸：

  由于是超寬超重構件，去工地途中部分路段和收費站的通道還比較窄小，沿途又難免一些彎道，白天車流量又較大，所以需考察好路線，選擇合適的車輛在合適的時間運輸，白天是無法運輸?shù)?，一般都是在夜間車輛較少的情況下減慢速度行駛(圖十三）。

  圖十三、汽車運輸

  （14）允許偏差：

  預制混凝土構件完工后根據(jù)設計圖紙要求及《混凝土結構工程結構施工及驗收規(guī)范》的規(guī)定檢查其允許偏差。

  鋼套環(huán)允許誤差：長寬±2.0mm，豎向寬度±1.0mm。

  插口誤差：插口外圈長寬（-2.0，0）mm，插口內圈長寬±2.0mm，插口長度±2.0mm。

  承口誤差：承口內圈長寬±2.0mm，承口長度±2.0mm。

  壁厚誤差：±3.0mm。

  4、應用

  研制的矩形頂管完全滿足設計、使用要求，所生產(chǎn)的矩形頂管產(chǎn)品已應用于淮安市現(xiàn)代軌道交通一期工程。研制的模具及工藝裝備除供自己使用外，已供應給四川國統(tǒng)、南寧等生產(chǎn)廠家。

  圖十四、淮安市現(xiàn)代軌道交通一期工程現(xiàn)場

圖十五、淮安市現(xiàn)代軌道交通一期工程現(xiàn)場

  圖十六、四川國統(tǒng)利用我公司裝備生產(chǎn)的產(chǎn)品

  5、結語

  (1)頂進施工法用鋼筋混凝土方涵（矩形頂管）的研制成功，生產(chǎn)出的產(chǎn)品完全滿足設計、使用要求，既解決了淮安市現(xiàn)代軌道交通一期工程位于楚州大道等五處下穿隧道工程的管材問題，又為我公司開發(fā)了一個新產(chǎn)品，為企業(yè)發(fā)展開辟了一條新路。

  (2)矩形頂管主筋彎弧，采用鋼板卷板機來卷弧，將每根鋼筋上多處弧度的鋼筋分段彎制?？梢杂行Ы鉀Q彎弧的難題，節(jié)約設備采購成本，提高生產(chǎn)效率。

  (3)研制的吊具及翻身設備可以有效解決管材的吊運、翻身問題，既可保證管材、操作人員的安全，又能避免以往翻身方式對管材本身的損傷。

  (4)矩形頂管鋼筋骨架靠模設計可以很好地滿足骨架的加工精度要求，便于生產(chǎn)。

  (5)鋼套環(huán)加工及水平胎架的設計制作，既可保證鋼套尺寸．又能保證鋼套環(huán)口的水平。

  (6)由于矩形頂管中的預埋件太多，生產(chǎn)效率還有待提高，現(xiàn)每天一套模最多只能生產(chǎn)一節(jié)管材，還有待進一步改進。

  （7）矩形頂模具及全套工藝裝備的研發(fā)成功，為水泥制品行業(yè)生產(chǎn)矩形管材提供強有力的后盾。

  （8）中意建機研發(fā)的全套矩形頂管工藝裝備完全可以滿足國內生產(chǎn)產(chǎn)家的需要，歡迎各位光臨指導。

圖十七、生產(chǎn)全景