盾構隧道高精度鋼筋混凝土管片鋼模的設計和制造技術

1、盾構隧道高精度鋼筋混凝土管片鋼模的設計和制造技術        【提要】：本文介紹了盾構隧道管片的型式，高精度鋼筋混凝土管片鋼模的型式，高精度管片鋼模的設計和制造工藝，以及鋼模的精度要求，鋼模的測量方法等。通過上海隧道工程股份有限公司機械廠生產的高精度管片鋼模，可以證明我國管片鋼模的設計和制造技術已達到了世界先進水平?！娟P鍵詞】：隧道管片通縫和錯縫拼裝高精度管片鋼模鋼模測量樣板Abstract: This article introduces segment categories of shield driven

2、tunnel lining, types of steel shuttering for casting high precision RC segment, steel shuttering design & manufacturing technology of high precision segments and fine tolerance requirements measurement methods for steel shutterings. In the light of steel shuttering manufacture of high precision

3、segments by machinery plant under STEC, it could be proved that design and manufacturing technology for steel shuttering of segment casting has reached  the international advanced level.Keywords: tunnel segments， through joint and staggered joint segment erection， high precision steel shutterin

4、g for segment， measurement gauge for steel shuttering.      1前言      近年來，我國城市中的地下建設正飛速，與國外大城市隧道建設相比，其規(guī)模和速度都是罕見的，采用盾構法技術施工已在隧道建設中占了主導地位，盾構掘進機的制造和施工技術也在不斷地發(fā)展?！颁摻罨炷烈r砌鋼模（以下簡稱鋼模）”在盾構法施工中是整個隧道工程質量的主要關鍵技術之一。      我國引進了日本隧道管片鋼模的先進技術

5、，上海隧道工程股份有限公司機械廠在大連路隧道工程的鋼模上獲得很大成功后，消化吸收了日本鋼模的技術，結合我國鋼模的生產實際，研制開發(fā)出新一代高精度管片鋼模，自行設計和制造了上海地鐵隧道、復興路隧道、天津地鐵隧道等管片鋼模，生產出了一批又一批國產的高精度精品鋼模。掌握了高精度鋼筋混凝土管片鋼模的設計和制造技術。       2隧道管片的型式      在盾構隧道中，由于隧道的斷面形狀、施工方法等的不同，其力學行為也不相同。所以，襯砌設計必須以對應這些條件為原則。根據隧道的斷面形狀可分為圓形、橢圓形、

6、矩形、復圓形等多種斷面，那么管片的形狀也就根據各種斷面的形狀來設計。我國的地下隧道通常為單圓隧道，因此管片的型式大多為圓形的鋼筋混凝土管片。隨著我國第一臺雙圓盾構在上海隧道機械廠誕生，雙圓型管片和鋼模也相繼制造成功。      2.1隧道管片的分類      隧道管片按制作的材料不同還可分為鋼制管片、鑄鐵制管片、復合管片和鋼筋混凝土管片等。按直線段隧道和曲線段隧道的需要，管片可分為直線段管片和曲線段管片，曲線段管片又分為左曲管片和右曲管片。另外，還有既能用于直線段又能用于曲線段的通用管片，通過對

7、通用管片的有序旋轉，可完成直線段和不同半徑的曲線段以及空間曲線段的拼裝。      2.2圓形隧道的鋼筋混凝土管片      目前在我國的盾構法隧道中，管片的型式以圓形的鋼筋混凝土管片為主。圓形管片的分塊數：圓形管片一般是根據隧道的直徑大小來分塊，可分為4塊8塊。按照管片在隧道內的位置，我們將它們分別取名為：標準塊（B）、拱底塊(G)、鄰接塊(L1,L2)、封頂塊(F)。      2.3管片的拼裝形式   

8、0;  管片的拼裝形式：可分為通縫拼裝（圖1）和錯縫拼裝（圖2）以及通用管片的拼裝。按封頂塊的插入形式又可分為沿徑向插入型和沿軸向插入型。      從管片的通縫和錯縫兩種拼裝形式來看，各有各的優(yōu)缺點。通縫拼裝的優(yōu)點是：盾構掘進時，管片拼裝機的操作較簡單，每環(huán)管片的拼裝角度都相同，不需變換角度；盾構中推進千斤頂位置的布置較方便，而且長行程千斤頂只需按封頂塊的大小來布置，數量較少。從通縫拼裝的受力情況分析，當盾構千斤頂的頂力作用于管片上時，如果管片的寬度差異較大，對于管片的受力也不會產生大的影響，在正常的頂力下，管片不會被頂壞。缺點是：

9、從整個隧道的受力情況分析，通縫拼裝的管片成環(huán)后的整體受力情況不是最好。      錯縫拼裝的管片優(yōu)點是整體受力情況好。但是，盾構中管片拼裝機的操作較復雜；長行程千斤頂的數量增多。當盾構千斤頂的頂力作用于管片上時，如果管片的寬度誤差較大，會使管片因受力不均引起應力集中而導致被頂壞。因此要避免管片被頂壞，必須提高管片的精度要求，特別是管片的寬度精度要求大大提高。      3高精度鋼筋混凝土管片鋼模      目前，對于成型后隧道的結構性能、防水性能

10、和耐久性的要求越來越高，由于錯縫拼裝的管片整體受力情況好，故越來越多的隧道襯砌設計為錯縫拼裝的管片。錯縫拼裝需要高精度的管片，而高精度的管片是由高精度的鋼模來保證的。隨著隧道工程的快速發(fā)展，高精度的管片需求量大大增加，因此高精度的鋼模需求量也大幅上升。世界上生產鋼模的廠家不多，相比較日本鋼模的精度較高，堪稱世界一流。為了滿足不斷增長的高精度鋼模需求，為了科技進步和趕超世界先進水平，上海隧道工程股份有限公司機械廠在大連路隧道管片鋼模的制造上率先引進了日本的先進技術，首次制造出了高精度精品鋼模。從大連路隧道工程的實際運用情況可以證明，該管片鋼模達到了世界一流的先進水平。上海隧道工程股份有限公司機械

11、廠在上海大連路隧道管片鋼模的制造基礎上，消化吸收了日本鋼模的先進技術，并在生產實踐中不斷探索、不斷經驗，研制開發(fā)出新一代高精度管片鋼模，使管片鋼模的設計和制造技術有了一個新的飛躍，形成了自己的知識產權。該廠自行設計和制造了上海地鐵隧道的高精度管片鋼模，獲得了很大成功。接著，他們又相繼設計和制造了上海復興路雙層隧道的帶牛腿的管片鋼模、天津地鐵隧道管片鋼模等國產高精度精品鋼模。同時他們還與日本都筑公司繼續(xù)合作，生產了上海地鐵雙圓隧道管片鋼模、廣州地鐵管片鋼模等，通過一系列高精度管片鋼模的設計制造，積累了豐富的實踐經驗，掌握了具有世界先進水平的、獨特的高精度管片鋼模的設計和制造技術，成為我國唯一的自

12、行設計和制造高精度管片鋼模的生產。由于我國尚無高精度管片鋼模的國家標準和企業(yè)標準，為了使高精度管片鋼模的設計和制造標準化、規(guī)范化，確保鋼模的制造質量，該廠還編制了相應的高精度鋼筋混凝土管片鋼模的企業(yè)標準，并通過了上海市質量技術監(jiān)督局的批準，現已發(fā)布。      3.1高精度鋼筋混凝土管片鋼模的精度      高精度鋼筋混凝土管片鋼模的精度要求主要為表1中的五項檢測項目：鋼模寬度、鋼模高度、鋼模內外徑弧弦長、縱向環(huán)向芯棒中心距、縱向環(huán)向芯棒孔徑。從表1中的數據可以看出，它的精度已相當高，比老標準的

13、精度提高了近一倍。例如，以往外徑11.0m鋼模的寬度允差為 ±0.4mm，現高精度鋼模的寬度允差為±0.25mm。      3.2高精度管片鋼模的設計      高精度管片鋼模的設計已形成多種流派：日本的、法國的、瑞士的、意大利的等等，各有特點。從國外的現狀看，鋼模振搗形式可分為兩大類型：人工插入式振搗和附著式整體振搗，需根據不同的振搗方式來設計不同形式的鋼模。歐洲的鋼模大多采用附著式整體振搗，而日本和上海的鋼模多為人工插入式振搗。附著式整體振搗的優(yōu)點是快速、省力，自動化程

14、度高。但開動時會產生高分貝的噪音，必須采取嚴格的隔音措施；且高能量振動對鋼模的材料及強度和剛度要求很高，勢必要設計較笨重的鋼模，增加了鋼模的成本；由于整體振搗的能量極高，還將影響鋼模的使用壽命。人工插入式振搗方式降低了管片廠的設備、場地要求，可節(jié)省投資。而且只要通過簡單培訓，工人很快能掌握振搗技巧，并能人工控制每一處的振搗質量，使管片質量穩(wěn)定；還可減輕鋼模的重量，節(jié)省鋼材，同時能增加鋼模的使用壽命。日本鋼模和上海鋼模主要采用了人工插入式振搗方式。1             &

15、#160; 鋼模的結構形式：主要由三大件（底座、兩塊側板、兩塊端板）和相關構件組成。鋼模的設計主要是圍繞三大件的設計。從三大件的設計著手，需考慮它們的定位方式和開啟方式等。端、側板的開啟方式有多種：有采用底座弧面少量變形方式開啟的端板；有采用鉸鏈翻合式開啟的端、側板；有采用滾輪式平移開啟的端、側板。有采用鉸鏈翻合式開啟的端板和采用滾輪式平移開啟的側板相結合的方式?，F分析一下鉸鏈翻合式開啟和滾輪平移式開啟的優(yōu)缺點：      （1） 從鋼模的端、側板的定位精度分析：鉸鏈翻合式開啟的端、側板在底座上的定位為固定定位，它的重復定位誤差取決于鉸鏈上銷孔

16、的配合精度，而滾輪平移式開啟的端、側板在底座上的定位采用圓錐銷孔定位。定位不固定，故它的軸向定位精度沒有鉸鏈式的定位精度高。      （2） 從鋼模的脫摸情況來看，鉸鏈翻合式開模時，因為有一個轉動角度，如果脫模斜度不夠，容易造成混凝土管片止水條槽處的啃邊現象。滾輪平移式開啟的端、側板開模時，由于是平開式就不會造成管片啃邊，而且開模后側板與底座間的空隙較大，管片起模時操作方便。      （3） 從開合鋼模的操作上看，滾輪平移式與鉸鏈翻合式相比，操作簡便、省力，可降低工人的勞動強度，提高工作效率

17、。      （4） 端板為鉸鏈開啟、側板為滾輪式平移開啟的兩種不同開啟方式相結合的方法。它們的優(yōu)點是：由于端板與垂直方向成一斜角，采用鉸鏈翻合式開啟鋼模時，對管片止水槽處的脫模斜度影響很小，不會造成管片的損壞；況且端板的體積和重量都不是很大，開啟和閉合不會太費力。并且，鉸鏈式的安裝精度和定位精度比較高，而且安裝時定位較方便。對于側板，由于側板的體積和重量比較大，為了減輕勞動強度，便于操作，又由于側板與底座的夾角成直角，如采用鉸鏈式開啟，受鉸鏈開啟轉動時的角度影響，容易造成砼“啃邊”而損壞管片，故采用滾輪平移式的開啟方式。綜上所述，這樣的開啟方式可以