盾構(gòu)隧道高精度盾構(gòu)管片鋼模設(shè)計(jì)過(guò)程

1、盾構(gòu)隧道高精度盾構(gòu)管片鋼模設(shè)計(jì)過(guò)程(中鐵裝備-上海項(xiàng)目?jī)?nèi)控資料)2015年，上海某廠在消化吸收日本鋼模設(shè)計(jì)、制造技術(shù)后，率先試制成功國(guó)產(chǎn)新一代高精度鋼模，隨后國(guó)產(chǎn)高精度鋼模進(jìn)入快速發(fā)展階段，并日趨成熟，部分廠家生產(chǎn)的鋼模已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平。一、鋼模技術(shù)要求盾構(gòu)機(jī)和管片是控制盾構(gòu)隧道質(zhì)量的兩大要素，管片質(zhì)量的好壞直接影響了盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)控制、管片拼裝質(zhì)量以及成型后隧道的結(jié)構(gòu)性能，防水性能和耐久性，在隧道使用階段，管片質(zhì)量是第一位的。影響管片生產(chǎn)質(zhì)量的最主要因素是管片鋼模。管片鋼模與普通的鋼模板有明顯差別，其技術(shù)要求具有高精度性，堅(jiān)固耐久性，易操作性。根據(jù)GB50299-1999地下鐵道工程施工及驗(yàn)

2、收規(guī)范對(duì)鋼筋混凝土管片的精度要求可以確定對(duì)鋼模的精度要求，主要為表1中的五項(xiàng)檢測(cè)項(xiàng)目：鋼模寬度、鋼模高度、鋼模內(nèi)外徑弧弦長(zhǎng)、縱向環(huán)向芯棒中心距、縱向環(huán)向芯棒孔徑。表 1鋼模的精度要求出于成本、精度等多方面考慮，工程應(yīng)用的管片鋼模一般需生產(chǎn)1000環(huán)管片，反復(fù)的開(kāi)合模、振搗等操作，加上國(guó)內(nèi)一般采用蒸養(yǎng)工藝來(lái)加快鋼模周轉(zhuǎn)速度，使得其使用環(huán)境十分惡劣，這些都對(duì)鋼模的耐久性是個(gè)極大的考驗(yàn)。而作為一件工業(yè)裝備，操作的方便性是其必須具備的屬性。二、鋼模設(shè)計(jì) 2.1、管片形式介紹地鐵采用了常見(jiàn)的1200mm寬幅的管片，外徑為6200mm，內(nèi)徑5500mm，管片厚度350mm。每環(huán)襯砌環(huán)由6塊管片組成（見(jiàn)），

3、其中1塊封頂塊（K）、2塊鄰接塊（B1、B2）、3塊標(biāo)準(zhǔn)塊（A1、A2、A3）。為滿足曲線地段線路擬合及施工糾偏的需要，專門(mén)設(shè)計(jì)了左、右轉(zhuǎn)彎楔形環(huán)，通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)環(huán)的各種組合來(lái)擬合不同的曲線。襯砌環(huán)縱、環(huán)縫采用彎螺栓連接，其中每環(huán)縱縫采用12根M30螺栓，每個(gè)環(huán)縫采用16根M30螺栓。為保證管片的防水、拼裝及結(jié)構(gòu)受力需要，襯砌制作及拼裝應(yīng)達(dá)到一定的精度。管片制作及拼裝允許誤差應(yīng)滿足地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 505172003）的有關(guān)要求。單塊管片制作的允許誤差為：寬度±0.3mm；弧弦長(zhǎng)±1.0mm；環(huán)向螺栓孔及孔位誤差±1.0mm；厚度±1.0mm。工廠每生產(chǎn)1

4、00環(huán)管片應(yīng)抽檢3環(huán)作水平拼裝檢驗(yàn)，三環(huán)水平拼裝允許誤差為：環(huán)縫間隙0.60.8mm；縱縫間隙1.52.5mm；成環(huán)后內(nèi)徑-1+3mm；成環(huán)后外徑±3mm；縱向螺栓孔孔徑、孔位分別為±1mm。ABK圖 1三種不同形式的管片與成環(huán)效果（略去手孔與連接螺栓孔）2.2、設(shè)計(jì)概述為滿足高精度的要求，鋼模的型腔面采用數(shù)控加工中心加工獲得。耐久性與易操作性的要求通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)滿足。所以鋼模設(shè)計(jì)其實(shí)是一般的模具設(shè)計(jì)與鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)的交叉領(lǐng)域，其設(shè)計(jì)難度較一般鋼模板設(shè)計(jì)要高。型腔的尺寸由管片外形尺寸確定，分型面（分開(kāi)鋼模能取出管片的面）的選取必須考慮開(kāi)模、脫模、合模的方便性。這

5、部分屬于一般模具設(shè)計(jì)范疇。圖 2鋼模主體一般的，鋼模的結(jié)構(gòu)主要由三大件（底座、兩塊側(cè)模、兩塊端模）和相關(guān)構(gòu)件組成（見(jiàn)圖2）。鋼模的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是圍繞三大件的設(shè)計(jì)，需考慮它們的定位方式和開(kāi)啟方式等。端、側(cè)模的開(kāi)啟方式有多種：側(cè)模一般有平移和鉸鏈翻合式開(kāi)啟兩種方式；端模一般采用鉸鏈翻合式開(kāi)啟，也有采用底座弧面少量變形方式開(kāi)啟的。為使得各部分構(gòu)件具有足夠的強(qiáng)度，就需要進(jìn)行強(qiáng)度校核與變形計(jì)算，這部分就是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的內(nèi)容，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)將三大件組合裝配為一個(gè)整體就涉及機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域了。本次設(shè)計(jì)側(cè)模采用平移裝置進(jìn)行開(kāi)啟，端模采用鉸鏈?zhǔn)介_(kāi)啟。鋼模的在使用過(guò)程中的振動(dòng)方式也是設(shè)計(jì)階段必須考慮的問(wèn)題，本次設(shè)計(jì)鋼模

6、將采用附著式高頻氣動(dòng)振動(dòng)器進(jìn)行振動(dòng)。傳統(tǒng)的鋼模設(shè)計(jì)主要仍停留在二維設(shè)計(jì)階段，各零部件之間尺寸不存在關(guān)聯(lián)，在頻繁的圖紙修改過(guò)程中勢(shì)必會(huì)出現(xiàn)前后尺寸不符、相互干涉的問(wèn)題，而在設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)人員無(wú)法獲得一個(gè)直觀的產(chǎn)品形象，很難發(fā)現(xiàn)這些問(wèn)題，這就引出了鋼模設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)：對(duì)機(jī)加工尺寸的確定。由于設(shè)計(jì)失誤，造成鋼模無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)裝配精度的情況是發(fā)生過(guò)的；另一個(gè)難點(diǎn)是兼顧耐久性與易操作性進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這主要是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的手工計(jì)算校核效率低下，并且對(duì)復(fù)雜構(gòu)件計(jì)算難度較大。本文通過(guò)采用三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行鋼模設(shè)計(jì)，很好的解決了以上兩個(gè)難題，設(shè)計(jì)出的鋼?，F(xiàn)已用于生產(chǎn)。現(xiàn)將設(shè)計(jì)過(guò)程簡(jiǎn)要介紹如下。2.3、型腔（機(jī)加工尺寸）

7、設(shè)計(jì)為獲得型腔的尺寸，首先需要建立管片的三維實(shí)體模型。使用Solidworks，運(yùn)用拉伸與切除工具，很容易便可獲得管片實(shí)體造型。手孔與連接螺栓孔在此造型中并未體現(xiàn)，鋼模上與之對(duì)應(yīng)的模芯與芯棒將另行設(shè)計(jì)，并在后期裝配到鋼模主體上。對(duì)管片模型運(yùn)用拔模工具，或者進(jìn)行向外抽殼，即得到型腔尺寸，見(jiàn)。通過(guò)合理選取分型面，將型腔分為一個(gè)底弧面、兩塊側(cè)面、兩塊端面（見(jiàn)圖3），這些零件將分別屬于底座、側(cè)模、端模。在此基礎(chǔ)上根據(jù)設(shè)計(jì)意圖，確定好螺栓孔、定位銷孔、止水槽位置，十分方便的便得到了所有機(jī)加工所需的尺寸數(shù)據(jù)。端面圖 3型腔面2.4、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鋼模的多次重復(fù)使用要求各型腔面板具有足夠的剛度，因此必須進(jìn)行強(qiáng)度加

8、強(qiáng)，一般通過(guò)在面板外側(cè)設(shè)置縱橫筋板的方式來(lái)達(dá)到這一目的。由于側(cè)模、端模最終均要固定在底座上，底座的設(shè)計(jì)最為關(guān)鍵，所以從底座開(kāi)始進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。2.4.1、底座設(shè)計(jì)一般可以將底座分為弧面板、端板、側(cè)墻板、底部支座、內(nèi)部強(qiáng)度加強(qiáng)結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)部件，底座設(shè)計(jì)不但要考慮其自身作為一個(gè)構(gòu)件所應(yīng)該具備的尺寸與強(qiáng)度，還應(yīng)該考慮其與側(cè)模、端模如何配合。弧面板作為弧形型腔面，除考慮尺寸設(shè)計(jì)外，還需考慮加工方式，上海流派的鋼模一般是通過(guò)卷板機(jī)初步卷板，然后在特制焊接工裝上緊壓組立來(lái)獲得所需弧面，國(guó)內(nèi)部分廠家還對(duì)該弧面進(jìn)行了數(shù)控加工，以獲得一個(gè)精準(zhǔn)的弧面，保障弧面本身的尺寸，并方便端、側(cè)模的后期裝配定位。在選材方面，該面

9、板作為鋼模上面積最大的單塊型腔面，對(duì)強(qiáng)度要求較高， 4故選用了Q345的板材，為使鋼模振動(dòng)效果良好，必須使鋼模具有一定的柔性，所以弧面板的厚度又不能過(guò)厚，按實(shí)際使用效果，一般采用12mm厚板。底座端板后期將與端模裝配在一起。上海流派的鋼模一般端板與弧面兩端平齊，通過(guò)對(duì)端板面進(jìn)行數(shù)控加工，可以很好的獲得裝配基準(zhǔn)。但這種鋼模在實(shí)際使用過(guò)程中，弧面板以下部位難于清理，影響合模精度。本次設(shè)計(jì)將該端板內(nèi)移了20mm，端模與底座的定位采用可調(diào)式定位銷，尺寸調(diào)好后再將定位銷焊接、固定。圖 4底座圖 5底座內(nèi)部結(jié)構(gòu)（剖視圖）底座側(cè)墻板的作用也十分重要。一方面，側(cè)模后期將裝配在底座上后，是與側(cè)墻板直接接觸、配合

10、的，通過(guò)對(duì)側(cè)墻板上貼板的數(shù)控加工可以容易的獲得寬度保證，另一方面，側(cè)墻板還給弧面板提供強(qiáng)度支撐。為防止弧面板使用過(guò)程中出現(xiàn)較大變形，需使側(cè)墻板與弧面板緊貼，因此側(cè)墻板采用了激光切割獲得，以此保證弧形邊的精度。另外的，側(cè)墻板高度將直接決定底座高度，從而決定整個(gè)鋼模的高度，為方便操作底座高度一般控制在1m左右（鋼模高度約1.4m）。底座底部的支座主要提供結(jié)構(gòu)方面的穩(wěn)定性保障，一般采用槽鋼或者工字鋼焊接而成， 5本次設(shè)計(jì)采用槽鋼焊接。單純這些外部功能性結(jié)構(gòu)是無(wú)法滿足強(qiáng)度要求的，底座很容易變形，必須在內(nèi)部進(jìn)行強(qiáng)度加強(qiáng)。對(duì)于弧面板的加強(qiáng)是采用了兩塊100mm寬的弧形筋板，為保障底座的寬度需對(duì)側(cè)墻板進(jìn)行強(qiáng)

11、度加強(qiáng)，這通過(guò)在兩塊側(cè)墻板之間設(shè)置三塊豎向筋板實(shí)現(xiàn)，而在端板的中部設(shè)置了一條橫筋板來(lái)對(duì)端板進(jìn)行強(qiáng)度加強(qiáng)。本次設(shè)計(jì)的鋼模將采用附著式振動(dòng)器進(jìn)行振動(dòng)，振動(dòng)器一般安裝在弧面以下。為將振動(dòng)力逐步分散開(kāi)來(lái)，在弧面下焊接了槽鋼，振動(dòng)器焊接在槽鋼上面，以此加大受力面積，避免弧面板受力集中時(shí)的變形。2.4.2、側(cè)模設(shè)計(jì)1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)側(cè)模結(jié)構(gòu)主要由三部分組成：面板、筋板、支撐腿。側(cè)模面板一般根據(jù)管片形狀做成扇形環(huán)，內(nèi)側(cè)將通過(guò)數(shù)控加工出型腔面，外側(cè)根據(jù)結(jié)構(gòu)與美觀的需要布置適當(dāng)?shù)幕⌒谓畎迮c豎向筋板。整個(gè)側(cè)模將通過(guò)支撐腿與平移開(kāi)啟機(jī)構(gòu)連接，實(shí)現(xiàn)開(kāi)、合模。傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)時(shí)，需人工計(jì)算整個(gè)側(cè)板的剛度，整個(gè)過(guò)程較為復(fù)雜，而通過(guò)

12、三維設(shè)計(jì)，建立側(cè)板的數(shù)字模型，通過(guò)有限元計(jì)算手段，可以很方便的獲得整個(gè)側(cè)模的受力情況、變形情況，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的快速優(yōu)化，在成本與性能中間找到合理的平衡點(diǎn)。圖 6側(cè)板面板的應(yīng)力分布圖 7側(cè)板形變展示（一）圖 8側(cè)板形變展示（二）圖68分別展示了側(cè)板的應(yīng)力分布與形變情況，為獲得直觀的展示，圖像對(duì)形變進(jìn)行了夸張?zhí)幚?，圖8顯示，兩個(gè)四分點(diǎn)的形變量最大，但也不超過(guò)0.03mm。2）側(cè)模定位裝置為保證側(cè)模合模精度，必須將其與底座進(jìn)行定位，一般采用的是一種錐形定位銷的裝置，通過(guò)凹凸面的配合來(lái)對(duì)側(cè)模進(jìn)行定位。3）側(cè)模平移開(kāi)啟機(jī)構(gòu)為實(shí)現(xiàn)側(cè)模的平移，采用了如圖9的一個(gè)開(kāi)啟機(jī)構(gòu)，國(guó)內(nèi)平移機(jī)構(gòu)一般都是這種形式，也有

13、廠家采用直線軸承來(lái)做平移機(jī)構(gòu)的。圖 9側(cè)板橫移裝置4）緊固螺栓合模后，必須將側(cè)模（以及端模）與底座進(jìn)行緊固，遂在側(cè)板上布置了適當(dāng)?shù)木o固螺栓，為防止操作時(shí)將螺栓拔出，造成丟失，在緊固螺栓上添加了限位銷。2.4.3、端模設(shè)計(jì)1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大體設(shè)計(jì)思路與側(cè)板相同，但由于采用鉸鏈?zhǔn)介_(kāi)啟，在設(shè)計(jì)鉸鏈板時(shí)還需考慮開(kāi)模角度，避免產(chǎn)生“咬邊”現(xiàn)象。2）端板定位裝置由于底座端板內(nèi)移了20mm，端模無(wú)法像側(cè)模樣直接緊靠底座來(lái)完成裝配，于是設(shè)計(jì)了可調(diào)式的定位裝置。圖 10可調(diào)式定位銷2.4.4、模芯、芯棒設(shè)計(jì)模芯將會(huì)對(duì)應(yīng)管片的手孔位置，而芯棒則對(duì)應(yīng)連接螺栓孔。對(duì)模芯的設(shè)計(jì)主要要保證孔位，另一方面要考慮脫模角度。模芯的

14、制作方法一般有兩種，一是采用鑄件，二是采用焊接件。前者在生產(chǎn)數(shù)量上達(dá)到一定規(guī)模時(shí)具有成本上的優(yōu)勢(shì)。芯棒設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮與套筒的緊固和密封。2.4.5、蓋模設(shè)計(jì)由于采用附著式振動(dòng)，蓋板設(shè)計(jì)采用整體式，在兩端依靠彈簧的彈性變形來(lái)方便的開(kāi)啟蓋板。出于安全方面的考量，在蓋模上設(shè)置了安全銷，在蓋模開(kāi)啟到設(shè)計(jì)位置后將其鎖死，防止蓋模倒下傷人。2.5、配件設(shè)計(jì)三大件的設(shè)計(jì)決定了鋼模的主體尺寸，要將這三大件裝配到一起，以實(shí)現(xiàn)鋼模設(shè)計(jì)意圖還必須進(jìn)行必要的配件設(shè)計(jì)，除了前文提到的側(cè)模橫移開(kāi)啟機(jī)構(gòu)、定位銷、緊固螺栓，配件還包括端模開(kāi)合裝置、管片號(hào)、對(duì)接標(biāo)記、安裝標(biāo)記、注漿孔模芯、芯棒壓緊裝置等。為確定側(cè)模、端模、模芯

15、安裝位置還必須進(jìn)行樣板設(shè)計(jì)。這些配件雖然對(duì)結(jié)構(gòu)影響不大，但對(duì)合模精度、易操作性卻有著決定性的作用，因此配件設(shè)計(jì)也十分重要。l 側(cè)板橫移機(jī)構(gòu)l 模芯l 芯棒l 芯棒壓緊裝置l 端板絞鏈座l 端板開(kāi)合裝置l 緊固裝置l 密封條l 銘牌l 錐形定位裝置 l 舉重臂孔模芯座 l 管片號(hào)圖 11 鋼模配件三、與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式的對(duì)比由于各個(gè)城市的管片形式一般均不相同，因此鋼模是典型的定制化生產(chǎn)產(chǎn)品，設(shè)計(jì)工作量很大，采用二維設(shè)計(jì)軟件差錯(cuò)比較多，尤其是在老圖紙修改過(guò)程中，錯(cuò)誤比較多，采用三維CAD可以大幅度地減少設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，提高設(shè)計(jì)效率。三維CAD軟件是制造業(yè)信息化建設(shè)的基礎(chǔ)，只有采用三維CAD軟件，設(shè)計(jì)的產(chǎn)品才能直接導(dǎo)入計(jì)算機(jī)輔助分析軟件（CAE）進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、振動(dòng)頻率分析；才能導(dǎo)入計(jì)算機(jī)輔助制造軟件（CAM）生成供數(shù)控機(jī)床使用的數(shù)控代碼。鋼模主體以焊接件為主