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

1、PAGE PAGE 14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、鋼模技技術(shù)要求求盾構(gòu)機(jī)和管管片是控控制盾構(gòu)構(gòu)隧道質(zhì)質(zhì)量的兩兩大要素素，管片片質(zhì)量的的好壞直直接影響響了盾構(gòu)構(gòu)機(jī)掘進(jìn)進(jìn)控制、管管片拼裝裝質(zhì)量以以及成型型后隧道道的結(jié)構(gòu)構(gòu)性能，防水性性能和耐耐久性，在隧道使用用階段，管管片質(zhì)量量是第一一位的。影響管片生產(chǎn)質(zhì)量的最主要因素是管片鋼模。管片鋼模與與普通的的鋼模板板有明顯顯差別，其技術(shù)術(shù)要求

2、具具有高精精度性，堅(jiān)固耐耐久性，易易操作性性。根據(jù)GBB502299-19999地下鐵鐵道工程程施工及及驗(yàn)收規(guī)規(guī)范對(duì)對(duì)鋼筋混混凝土管管片的精精度要求求可以確定定對(duì)鋼模模的精度度要求，主要為為表1中的五五項(xiàng)檢測(cè)測(cè)項(xiàng)目：鋼模寬寬度、鋼鋼模高度度、鋼模模內(nèi)外徑徑弧弦長(zhǎng)長(zhǎng)、縱向向環(huán)向芯芯棒中心心距、縱縱向環(huán)向向芯棒孔孔徑。表 SEQ 表 * ARAABICC1鋼模的的精度要要求序號(hào)檢測(cè)項(xiàng)目外徑111.0MM允差 (mmm)外徑111M允差(mmm)1鋼模寬度0.2550.3552鋼模高度0+20+2.53鋼模內(nèi)外徑徑弧、弦弦長(zhǎng)0.3550.54縱向、環(huán)向向芯棒中中心距0.30.45縱向、環(huán)向向芯棒孔孔

3、徑0.10.2出于成本、精精度等多多方面考考慮，工工程應(yīng)用用的管片片鋼模一一般需生生產(chǎn)10000環(huán)管片片，反復(fù)復(fù)的開(kāi)合合模、振振搗等操操作，加加上國(guó)內(nèi)內(nèi)一般采采用蒸養(yǎng)養(yǎng)工藝來(lái)來(lái)加快鋼鋼模周轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速度，使使得其使使用環(huán)境境十分惡惡劣，這些都都對(duì)鋼模模的耐久久性是個(gè)個(gè)極大的的考驗(yàn)。而而作為一一件工業(yè)業(yè)裝備，操操作的方方便性是是其必須須具備的的屬性。二、鋼模設(shè)設(shè)計(jì)2.1、管管片形式式介紹地鐵采用了了常見(jiàn)的的12000mmm寬幅的的管片，外外徑為66200mmm，內(nèi)內(nèi)徑55500mmm，管管片厚度度350mmm。每環(huán)襯襯砌環(huán)由由6塊管片片組成（見(jiàn)見(jiàn)），其其中1塊封頂頂塊（K）、2塊鄰接接塊（B1、B2）

4、、3塊標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)塊（A1、A2、A3）。為滿足足曲線地地段線路路擬合及及施工糾糾偏的需需要，專專門(mén)設(shè)計(jì)計(jì)了左、右右轉(zhuǎn)彎楔楔形環(huán)，通通過(guò)與標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)環(huán)的的各種組組合來(lái)擬擬合不同同的曲線線。襯砌砌環(huán)縱、環(huán)環(huán)縫采用用彎螺栓栓連接，其其中每環(huán)環(huán)縱縫采采用12根M300螺栓，每每個(gè)環(huán)縫縫采用116根M300螺栓。為為保證管管片的防防水、拼拼裝及結(jié)結(jié)構(gòu)受力力需要，襯襯砌制作作及拼裝裝應(yīng)達(dá)到到一定的的精度。管管片制作作及拼裝裝允許誤誤差應(yīng)滿滿足地地鐵設(shè)計(jì)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)

5、100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。ABKABK圖 SEQ 圖 * ARABIC 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)設(shè)計(jì)概述述為滿足高精精度的要要求，鋼鋼模的型型腔面采用數(shù)數(shù)控加工工中心加加工獲得得。耐久久性與易易操作性性的要求求通過(guò)合合理的結(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)來(lái)滿足足。所以以鋼模設(shè)設(shè)計(jì)其實(shí)實(shí)是一般般的模具具設(shè)計(jì)與與鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)機(jī)械設(shè)計(jì)計(jì)的交叉叉領(lǐng)域，其設(shè)計(jì)難度較一般鋼模板設(shè)計(jì)要高。型腔的尺寸寸由管片片外形尺尺寸確定

6、定，分型型面（分分開(kāi)鋼模模能取出出管片的面面）的選選取必須須考慮開(kāi)開(kāi)模、脫脫模、合合模的方方便性。這這部分屬屬于一般般模具設(shè)設(shè)計(jì)范疇疇。圖 SEQ 圖 * ARAABICC2鋼模主主體一般的，鋼鋼模的結(jié)結(jié)構(gòu)主要要由三大大件（底底座、兩兩塊側(cè)模模、兩塊塊端模）和相相關(guān)構(gòu)件件組成（見(jiàn)見(jiàn)圖2）。鋼模模的結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)計(jì)主主要是圍圍繞三大大件的設(shè)設(shè)計(jì)，需考慮慮它們的的定位方方式和開(kāi)開(kāi)啟方式式等。端端、側(cè)模模的開(kāi)啟啟方式有有多種：側(cè)模一般有有平移和鉸鏈翻翻合式開(kāi)開(kāi)啟兩種種方式；端模一般采采用鉸鏈鏈翻合式式開(kāi)啟，也也有采用用底座弧弧面少量量變形方方式開(kāi)啟啟的。為使得得各部分分構(gòu)件具具有足夠夠的強(qiáng)度度，就需需要進(jìn)

7、行行強(qiáng)度校校核與變變形計(jì)算算，這部部分就是是鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)計(jì)的的內(nèi)容，通通過(guò)合理理的設(shè)計(jì)計(jì)將三大大件組合合裝配為為一個(gè)整整體就涉涉及機(jī)械械設(shè)計(jì)領(lǐng)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。鋼模的在使使用過(guò)程程中的振振動(dòng)方式式也是設(shè)設(shè)計(jì)階段段必須考考慮的問(wèn)問(wèn)題，本本次設(shè)計(jì)計(jì)鋼模將將采用附附著式高高頻氣動(dòng)動(dòng)振動(dòng)器器進(jìn)行振振動(dòng)。傳統(tǒng)的鋼模模設(shè)計(jì)主主要仍停停留在二二維設(shè)計(jì)計(jì)階段，各各零部件件之間尺尺寸不存存在關(guān)聯(lián)聯(lián)，在頻頻繁的圖圖紙修改改過(guò)程中中勢(shì)必會(huì)會(huì)出現(xiàn)前前后尺寸寸不符、相相互干涉涉的問(wèn)題題，而在在設(shè)計(jì)階階段，設(shè)設(shè)計(jì)人員員無(wú)法獲獲得一個(gè)個(gè)直觀的的產(chǎn)品形形象，很很難發(fā)現(xiàn)現(xiàn)這些問(wèn)問(wèn)題，這

8、就引引出了鋼鋼模設(shè)計(jì)計(jì)的一個(gè)個(gè)難點(diǎn)：對(duì)機(jī)加加工尺寸寸的確定定。由于于設(shè)計(jì)失失誤，造造成鋼模模無(wú)法達(dá)達(dá)到設(shè)計(jì)計(jì)裝配精精度的情情況是發(fā)發(fā)生過(guò)的的；另一一個(gè)難點(diǎn)點(diǎn)是兼顧顧耐久性性與易操操作性進(jìn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)計(jì)，這這主要是是因?yàn)閭鱾鹘y(tǒng)的手手工計(jì)算算校核效效率低下下，并且且對(duì)復(fù)雜雜構(gòu)件計(jì)計(jì)算難度度較大。本文通過(guò)過(guò)采用三三維設(shè)計(jì)計(jì)軟件進(jìn)進(jìn)行鋼模模設(shè)計(jì)，很很好的解解決了以以上兩個(gè)個(gè)難題，設(shè)設(shè)計(jì)出的的鋼模現(xiàn)現(xiàn)已用于于生產(chǎn)?，F(xiàn)現(xiàn)將設(shè)計(jì)計(jì)過(guò)程簡(jiǎn)簡(jiǎn)要介紹紹如下。2.3、型型腔（機(jī)機(jī)加工尺尺寸）設(shè)設(shè)計(jì)為獲得型腔腔的尺寸寸，首先先需要建建立管片片的三維維實(shí)體模模型。使使用Sollidwworkks，運(yùn)用用拉伸與與切除工工

9、具，很很容易便便可獲得得管片實(shí)實(shí)體造型型。手孔孔與連接接螺栓孔孔在此造造型中并并未體現(xiàn)現(xiàn)，鋼模模上與之之對(duì)應(yīng)的的模芯與與芯棒將將另行設(shè)設(shè)計(jì)，并并在后期期裝配到到鋼模主主體上。對(duì)管片模型型運(yùn)用拔拔模工具具，或者者進(jìn)行向向外抽殼殼，即得得到型腔腔尺寸，見(jiàn)見(jiàn)。通過(guò)過(guò)合理選選取分型型面，將將型腔分分為一個(gè)個(gè)底弧面面、兩塊塊側(cè)面、兩塊塊端面（見(jiàn)見(jiàn)圖3），這些些零件將將分別屬屬于底座座、側(cè)模模、端模模。在此此基礎(chǔ)上上根據(jù)設(shè)設(shè)計(jì)意圖圖，確定定好螺栓栓孔、定定位銷孔孔、止水水槽位置置，十分分方便的的便得到到了所有有機(jī)加工工所需的的尺寸數(shù)數(shù)據(jù)。側(cè)面端面底弧面?zhèn)让娑嗣娴谆∶鎴D SEQ 圖 * ARAABICC3型

10、腔面面2.4、結(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)鋼模的多次次重復(fù)使使用要求求各型腔腔面板具具有足夠夠的剛度度，因此此必須進(jìn)進(jìn)行強(qiáng)度度加強(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)。2.4.11、底座設(shè)設(shè)計(jì)一般可以將將底座分分為弧面面板、端端板、側(cè)側(cè)墻板、底底部支座座、內(nèi)部部強(qiáng)度加加強(qiáng)結(jié)構(gòu)構(gòu)等結(jié)構(gòu)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?；∶姘遄鳛闉榛⌒涡颓磺幻妫紤]尺尺寸設(shè)計(jì)計(jì)外，還還需考慮慮加工方方式，上上海流派派的鋼模模一般是是通過(guò)卷卷板機(jī)初初步卷板板，然

11、后后在特制制焊接工工裝上緊緊壓組立立來(lái)獲得得所需弧弧面，國(guó)國(guó)內(nèi)部分分廠家還還對(duì)該弧弧面進(jìn)行行了數(shù)控控加工，以以獲得一一個(gè)精準(zhǔn)準(zhǔn)的弧面面，保障障弧面本本身的尺尺寸，并并方便端端、側(cè)模模的后期期裝配定定位。在在選材方方面，該該面板作作為鋼模模上面積積最大的的單塊型型腔面，對(duì)對(duì)強(qiáng)度要要求較高高，故選選用了Q3445的板材材，為使使鋼模振振動(dòng)效果果良好，必必須使鋼鋼模具有有一定的的柔性，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。底座端板后后期將與與端模裝裝配在一一起。上上海流派派的鋼模模一般端端板與弧弧面兩端端平齊，通通過(guò)對(duì)端端板面進(jìn)進(jìn)行數(shù)控控加工，可可以很好好的獲得得裝配基基

12、準(zhǔn)。但但這種鋼鋼模在實(shí)實(shí)際使用用過(guò)程中中，弧面面板以下下部位難難于清理理，影響響合模精精度。本本次設(shè)計(jì)計(jì)將該端端板內(nèi)移移了200mm，端端模與底底座的定定位采用用可調(diào)式式定位銷銷，尺寸寸調(diào)好后后再將定定位銷焊焊接、固固定。圖 SEQ 圖 * ARAABICC4底座圖 SEQ 圖 * ARAABICC5底座內(nèi)內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)（剖視視圖）底座側(cè)墻板板的作用用也十分分重要。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

13、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）。底座底部的的支座主主要提供供結(jié)構(gòu)方方面的穩(wěn)穩(wěn)定性保保障，一一般采用用槽鋼或或者工字字鋼焊接接而成，本本次設(shè)計(jì)計(jì)采用槽槽鋼焊接接。單純這些外外部功能能性結(jié)構(gòu)構(gòu)是無(wú)法法滿足強(qiáng)強(qiáng)度要求求的，底底座很容容易變形形，必須須在內(nèi)部部進(jìn)行強(qiáng)強(qiáng)度加強(qiáng)強(qiáng)。對(duì)于于弧面板板的加強(qiáng)強(qiáng)是采用用了兩塊塊1000mm寬寬的弧形形筋板，為為保障底底座的寬寬度需對(duì)對(duì)側(cè)墻板板進(jìn)行強(qiáng)強(qiáng)度加強(qiáng)強(qiáng)，這通通過(guò)在兩兩塊側(cè)墻墻板之間間設(shè)置三三塊豎向向筋板實(shí)實(shí)現(xiàn)，而而在端板板的中部部設(shè)置了了一

14、條橫橫筋板來(lái)來(lái)對(duì)端板板進(jìn)行強(qiáng)度度加強(qiáng)。本次設(shè)計(jì)的的鋼模將將采用附附著式振振動(dòng)器進(jìn)進(jìn)行振動(dòng)動(dòng)，振動(dòng)動(dòng)器一般般安裝在在弧面以以下。為為將振動(dòng)動(dòng)力逐步步分散開(kāi)開(kāi)來(lái)，在在弧面下下焊接了了槽鋼，振振動(dòng)器焊焊接在槽槽鋼上面面，以此此加大受受力面積積，避免免弧面板板受力集集中時(shí)的的變形。2.4.22、側(cè)模設(shè)計(jì)計(jì)1）結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計(jì)側(cè)模結(jié)構(gòu)構(gòu)主要由由三部分分組成：面板、筋筋板、支支撐腿。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)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

15、，而通過(guò)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 SEQ 圖 * ARAABICC6側(cè)板面面板的應(yīng)應(yīng)力分布布圖 SEQ 圖 * ARAABICC7側(cè)板形形變展示示（一）圖 SEQ 圖 * ARAABICC8側(cè)板形形變展示示（二）圖68分分別展示示了側(cè)板板的應(yīng)力力分布與與形變情情況，為為獲得直直觀的展展示，圖圖像對(duì)形形變進(jìn)行行了夸張張?zhí)幚恚瑘D8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)模定定位裝置置為保證側(cè)側(cè)模合模模精度，必必須將其其與底座座進(jìn)行定定位，一一般采

16、用用的是一一種錐形形定位銷銷的裝置置，通過(guò)過(guò)凹凸面面的配合合來(lái)對(duì)側(cè)側(cè)模進(jìn)行行定位。3）側(cè)模平平移開(kāi)啟啟機(jī)構(gòu)為實(shí)現(xiàn)側(cè)模模的平移移，采用用了如圖圖9的一個(gè)個(gè)開(kāi)啟機(jī)機(jī)構(gòu)，國(guó)國(guó)內(nèi)平移移機(jī)構(gòu)一一般都是是這種形形式，也也有廠家家采用直直線軸承承來(lái)做平平移機(jī)構(gòu)構(gòu)的。圖 SEQ 圖 * ARAABICC9側(cè)板橫橫移裝置置4）緊固螺螺栓合模后，必必須將側(cè)側(cè)模（以以及端模模）與底底座進(jìn)行行緊固，遂遂在側(cè)板板上布置置了適當(dāng)當(dāng)?shù)木o固固螺栓，為為防止操操作時(shí)將將螺栓拔拔出，造造成丟失失，在緊緊固螺栓栓上添加加了限位位銷。2.4.33、端模設(shè)計(jì)計(jì)1）結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計(jì)大體設(shè)計(jì)思思路與側(cè)側(cè)板相同同，但由由于采用用鉸鏈?zhǔn)绞介_(kāi)啟，在在

17、設(shè)計(jì)鉸鉸鏈板時(shí)時(shí)還需考考慮開(kāi)模模角度，避避免產(chǎn)生生“咬邊”現(xiàn)象。2）端板定定位裝置置由于底座端端板內(nèi)移移了200mm，端端模無(wú)法法像側(cè)模模樣直接接緊靠底底座來(lái)完完成裝配配，于是是設(shè)計(jì)了了可調(diào)式式的定位位裝置。圖 SEQ 圖 * ARAABICC10可調(diào)調(diào)式定位位銷2.4.44、模芯芯、芯棒棒設(shè)計(jì)模芯將會(huì)對(duì)對(duì)應(yīng)管片片的手孔孔位置，而而芯棒則則對(duì)應(yīng)連連接螺栓栓孔。對(duì)對(duì)模芯的的設(shè)計(jì)主主要要保保證孔位位，另一一方面要要考慮脫脫模角度度。模芯芯的制作作方法一一般有兩兩種，一一是采用用鑄件，二二是采用用焊接件件。前者者在生產(chǎn)產(chǎn)數(shù)量上上達(dá)到一一定規(guī)模模時(shí)具有有成本上上的優(yōu)勢(shì)勢(shì)。芯棒棒設(shè)計(jì)時(shí)時(shí)主要考考慮與套套

18、筒的緊緊固和密密封。2.4.55、蓋模模設(shè)計(jì)由于采用附附著式振振動(dòng)，蓋蓋板設(shè)計(jì)采采用整體體式，在在兩端依依靠彈簧簧的彈性性變形來(lái)來(lái)方便的的開(kāi)啟蓋蓋板。出于安安全方面面的考量量，在蓋蓋模上設(shè)設(shè)置了安安全銷，在在蓋模開(kāi)啟到到設(shè)計(jì)位位置后將將其鎖死死，防止止蓋模倒倒下傷人人。2.5、配配件設(shè)計(jì)計(jì)三大件的設(shè)設(shè)計(jì)決定定了鋼模模的主體體尺寸，要要將這三三大件裝裝配到一一起，以以實(shí)現(xiàn)鋼鋼模設(shè)計(jì)計(jì)意圖還還必須進(jìn)進(jìn)行必要要的配件件設(shè)計(jì)，除除了前文文提到的的側(cè)模橫橫移開(kāi)啟啟機(jī)構(gòu)、定定位銷、緊緊固螺栓栓，配件件還包括括端模開(kāi)開(kāi)合裝置置、管片片號(hào)、對(duì)對(duì)接標(biāo)記記、安裝裝標(biāo)記、注注漿孔模模芯、芯芯棒壓緊緊裝置等等。為確確定側(cè)模模、端模模、模芯芯安裝位位置還必必須進(jìn)行行樣板設(shè)設(shè)計(jì)。這這些配件件雖然對(duì)對(duì)結(jié)構(gòu)影影響不大大，但對(duì)對(duì)合模精精度、易易操作性性卻有著著決定性性的作用用，因此此配件設(shè)設(shè)計(jì)也十十分重要要。錐形定位裝置舉重臂孔模芯座管片號(hào)錐形定位裝置舉重臂孔模芯座管片號(hào)側(cè)板橫移機(jī)構(gòu)模芯芯棒芯棒壓緊裝置端板絞鏈座端板開(kāi)合裝置緊固裝置密封條銘牌圖 SE