盾構(gòu)隧道高精度盾構(gòu)管片鋼模設(shè)計(jì)過程

1、盾構(gòu)隧道高精度盾構(gòu)管片鋼模設(shè)計(jì)過程（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

2、程施工及驗(yàn)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鋼模的精度要求序號(hào)檢測(cè)項(xiàng)目外徑M11.0M 允差（mm）外徑11M允差（mm）1鋼模寬度0.250.352鋼模高度0+20 +2.53鋼模內(nèi)外徑弧、弦長(zhǎng)0.350.54縱向、環(huán)向芯棒中心距0.30.45縱向、環(huán)向芯棒孔徑0.10.2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 合模、振搗等操作，加上國(guó)內(nèi)一般采用蒸養(yǎng)工藝來加快鋼模周轉(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

3、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），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，專門設(shè)計(jì)了左、右 轉(zhuǎn)彎楔形環(huán)，通過與標(biāo)準(zhǔn)環(huán)的各種組合來擬合不同的曲線。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

4、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：寬度土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)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1.5 2.5mm；成環(huán)后內(nèi)徑-1+3mm；成環(huán)后外徑土3mm；縱向螺栓孔孔徑、孔位分別為1mm。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 要求通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來滿足。所以鋼模設(shè)計(jì)其實(shí)是一般的

5、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（分開鋼模能取出管片的面）的選取必須考慮 開模、脫模、合模的方便性。這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 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啟方式等。端、 側(cè)模的開啟方式有多種：側(cè)模一般有平移和鉸鏈翻合式開啟兩種方式；端模一般采用鉸鏈翻 合式開啟，也有采用底座孤面少量變形方式開啟的。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)

6、容，通過合理的設(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)行開啟，端模采用 鉸鏈?zhǔn)介_啟。鋼模的在使用過程中的振動(dòng)方式也是設(shè)計(jì)階段必須考慮的問題，本次設(shè)計(jì)鋼模將采用附 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 圖紙修改過程中勢(shì)必會(huì)出現(xiàn)前后尺寸不符、相互干涉的問題，而在設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)人員無法 獲得一個(gè)直觀的產(chǎn)品形象，很難發(fā)現(xiàn)這些問題，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，造成鋼模無法達(dá)到設(shè)計(jì)裝配精度的情況是發(fā)生過的；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

7、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)?，F(xiàn)將設(shè)計(jì)過程簡(jiǎn)要介紹如下。2.3、型腔（機(jī)加工尺寸）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。通過合理選取分 型面，將型腔分為一個(gè)底孤面、兩塊側(cè)面、兩塊端面（見圖3），這些零件將分別屬于底座、

8、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)。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)度加強(qiáng)，一般通 過在面板外側(cè)設(shè)置縱橫筋板的方式來達(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孤面板、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。孤面板作為弧形型腔面，除考慮尺寸設(shè)計(jì)外，還需考慮加

9、工方式，上海流派的鋼模一般 是通過卷板機(jī)初步卷板，然后在特制焊接工裝上緊壓組立來獲得所需孤面，國(guó)內(nèi)部分廠家還 對(duì)該孤面進(jìn)行了數(shù)控加工，以獲得一個(gè)精準(zhǔn)的孤面，保障孤面本身的尺寸，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， 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，所以孤面板 的厚度又不能過厚，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孤面兩端平齊，通過對(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)際使用過程中，孤面板以 下部位難于清理，影響合

10、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、配合的，通過對(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 板還給孤面板提供強(qiáng)度支撐。為防止孤面板使用過程中出現(xiàn)較大變形，需使側(cè)墻板與孤面板 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

11、的穩(wěn)定性保障，一般采用槽鋼或者工字鋼焊接而成，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)于孤面板的加強(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)度加強(qiáng)，這通過在兩塊側(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)器一般安裝在孤面以下。為將振動(dòng) 力逐步分散開來，在孤面下焊接了槽鋼，振動(dòng)器焊接在槽鋼上面，以此加大受力面積，避免 孤面板受力集中時(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、

12、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)模將通過支撐腿與平移開啟機(jī)構(gòu)連接，實(shí)現(xiàn)開、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)過程較為復(fù)雜，而通過三維設(shè)計(jì)， 建立側(cè)板的數(shù)字模型，通過有限元計(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)。&押舞F皓5. 8200065.T&2il-DDE3契F063. 105006M打蚯b4tai-ddbj 16006590006呢 1WQD5S2DsrCifl5236cO0 3圖6側(cè)板面板

13、的應(yīng)力分布LIES (兩L 2LGe3 rzse7. 29G4. 564 e2. 4 技 q1. DDOe002z. 6r5e-aa22 492fi-flfl22. LD9e-(21. LIES (兩L 2LGe3 rzse7. 29G4. 564 e2. 4 技 q1. DDOe002z. 6r5e-aa22 492fi-flfl22. LD9e-(21. 7D2e-Q(2L 43?e-QQE0020030030030Q3030圖7側(cè)板形變展示（一）UKES (nn)2.516e-0022.&75c-OO22.432C-00ZlS9c-OD23466-002 1. 702-002| _ 1.

14、455e-002 _ 1. 216-002_T28e-003I 7. 2e-0Q2h 4. Ee4e-003d32c-OO8. 1.OOOe-OSO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，通過凹凸面的配合來對(duì)側(cè)模進(jìn)行定位。3）側(cè)模平移開啟機(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， 也有廠家采用直線軸承來做平移機(jī)構(gòu)的。圖9側(cè)板橫移裝置4）

15、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_啟，在設(shè)計(jì)鉸鏈板時(shí)還需考慮開模角度， 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，端模無法像側(cè)模樣直接緊靠底座來完成裝配，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。模芯的制作方法一般有兩種，一是采用鑄件，二是采用焊接

16、 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方便的開啟 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)模橫移開啟機(jī)構(gòu)、定位銷、緊固螺栓，配件 還包括端模開合裝置、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、模芯安裝位置還必須進(jìn)行樣板設(shè)計(jì)。這些

17、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。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合裝置緊固裝置密封條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)錐形定位裝置三、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）