(完整word版)盾构隧道高精度盾构管片钢模设计过程

盾构隧道高精度盾构管片钢模设计过程

(中铁装备----上海项目内控资料)

2015年，上海某厂在消化吸收日本钢模设计、制造技术后，率先试制成功国产新一代高精度钢模，随后国产高精度钢模进入快速发展阶段，并日趋成熟，部分厂家生产的钢模已经达到世界先进水平。

一、钢模技术要求

盾构机和管片是控制盾构隧道质量的两大要素，管片质量的好坏直接影响了盾构机掘进控制、管片拼装质量以及成型后隧道的结构性能，防水性能和耐久性，在隧道使用阶段，管片质量是第一位的。影响管片生产质量的最主要因素是管片钢模。

管片钢模与普通的钢模板有明显差别，其技术要求具有高精度性，坚固耐久性，易操作性。

根据《GB50299-1999地下铁道工程施工及验收规范》对钢筋混凝土管片的精度要求可以确定对钢模的精度要求，主要为表1中的五项检测项目：钢模宽度、钢模高度、钢模内外径弧弦长、纵向环向芯棒中心距、纵向环向芯棒孔径。

表 1钢模的精度要求

出于成本、精度等多方面考虑，工程应用的管片钢模一般需生产1000环管片，反复的开合模、振捣等操作，加上国内一般采用蒸养工艺来加快钢模周转速度，使得其使用环境十分恶劣，这些都对钢模的耐久性是个极大的考验。而作为一件工业装备，操作的方便性是其必须具备的属性。

二、钢模设计

2.1、管片形式介绍

地铁采用了常见的1200mm宽幅的管片，外径为6200mm，内径5500mm，管片厚度350mm。每环衬砌环由6块管片组成（见），其中1块封顶块（K）、2块邻接块（B1、B2）、3

块标准块（A1、A2、A3）。为满足曲线地段线路拟合及施工纠偏的需要，专门设计了左、右转弯楔形环，通过与标准环的各种组合来拟合不同的曲线。衬砌环纵、环缝采用弯螺栓连接，其中每环纵缝采用12根M30螺栓，每个环缝采用16根M30螺栓。为保证管片的防水、拼装及结构受力需要，衬砌制作及拼装应达到一定的精度。管片制作及拼装允许误差应满足《地铁设计规范》（GB 50517—2003）的有关要求。单块管片制作的允许误差为：宽度±0.3mm；弧弦长±1.0mm；环向螺栓孔及孔位误差±1.0mm；厚度±1.0mm。工厂每生产100环管片应抽检3环作水平拼装检验，三环水平拼装允许误差为：环缝间隙0.6～0.8mm；纵缝间隙1.5～2.5mm；成环后内径-1～+3mm；成环后外径±3mm；纵向螺栓孔孔径、孔位分别为±1mm。

A

B

K

图1三种不同形式的管片与成环效果（略去手孔与连接螺栓孔）

2.2、设计概述

为满足高精度的要求，钢模的型腔面采用数控加工中心加工获得。耐久性与易操作性的要求通过合理的结构设计来满足。所以钢模设计其实是一般的模具设计与钢结构设计、机械设计的交叉领域，其设计难度较一般钢模板设计要高。

型腔的尺寸由管片外形尺寸确定，分型面（分开钢模能取出管片的面）的选取必须考虑开模、脱模、合模的方便性。这部分属于一般模具设计范畴。

图2钢模主体

一般的，钢模的结构主要由三大件（底座、两块侧模、两块端模）和相关构件组成（见图2）。钢模的结构设计主要是围绕三大件的设计，需考虑它们的定位方式和开启方式等。端、侧模的开启方式有多种：侧模一般有平移和铰链翻合式开启两种方式；端模一般采用铰链翻合式开启，也有采用底座弧面少量变形方式开启的。为使得各部分构件具有足够的强度，就需要进行强度校核与变形计算，这部分就是钢结构设计的内容，通过合理的设计将三大件组合装配为一个整体就涉及机械设计领域了。本次设计侧模采用平移装置进行开启，端模采用铰链式开启。

钢模的在使用过程中的振动方式也是设计阶段必须考虑的问题，本次设计钢模将采用附着式高频气动振动器进行振动。

传统的钢模设计主要仍停留在二维设计阶段，各零部件之间尺寸不存在关联，在频繁的图纸修改过程中势必会出现前后尺寸不符、相互干涉的问题，而在设计阶段，设计人员无法获得一个直观的产品形象，很难发现这些问题，这就引出了钢模设计的一个难点：对机加工尺寸的确定。由于设计失误，造成钢模无法达到设计装配精度的情况是发生过的；另一个难点是兼顾耐久性与易操作性进行结构设计，这主要是因为传统的手工计算校核效率低下，并且对复杂构件计算难度较大。本文通过采用三维设计软件进行钢模设计，很好的解决了以上两个难题，设计出的钢模现已用于生产。现将设计过程简要介绍如下。

2.3、型腔（机加工尺寸）设计

为获得型腔的尺寸，首先需要建立管片的三维实体模型。使用Solidworks，运用拉伸与切除工具，很容易便可获得管片实体造型。手孔与连接螺栓孔在此造型中并未体现，钢模上与

之对应的模芯与芯棒将另行设计，并在后期装配到钢模主体上。

对管片模型运用拔模工具，或者进行向外抽壳，即得到型腔尺寸，见。通过合理选取分型面，将型腔分为一个底弧面、两块侧面、两块端面（见图3），这些零件将分别属于底座、侧模、端模。在此基础上根据设计意图，确定好螺栓孔、定位销孔、止水槽位置，十分方便的便得到了所有机加工所需的尺寸数据。

端面

图3型腔面

2.4、结构设计

钢模的多次重复使用要求各型腔面板具有足够的刚度，因此必须进行强度加强，一般通过在面板外侧设置纵横筋板的方式来达到这一目的。由于侧模、端模最终均要固定在底座上，底座的设计最为关键，所以从底座开始进行结构设计。

2.4.1、底座设计

一般可以将底座分为弧面板、端板、侧墙板、底部支座、内部强度加强结构等结构部件，底座设计不但要考虑其自身作为一个构件所应该具备的尺寸与强度，还应该考虑其与侧模、端模如何配合。

弧面板作为弧形型腔面，除考虑尺寸设计外，还需考虑加工方式，上海流派的钢模一般是通过卷板机初步卷板，然后在特制焊接工装上紧压组立来获得所需弧面，国内部分厂家还对该弧面进行了数控加工，以获得一个精准的弧面，保障弧面本身的尺寸，并方便端、侧模的后期装配定位。在选材方面，该面板作为钢模上面积最大的单块型腔面，对强度要求较高，