盾构隧道高精度盾构管片钢模设计过程

1、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

2、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钢模的精度要求序号检测项目外径M11.0M 允差（mm）外径11M允差（mm）1钢模宽度0.250.352钢模高度0+20 +2.53钢模内外径弧、弦长0.350.54纵向、环向芯棒中心距0.30.45纵向、环向芯棒孔径0.10.2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

3、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

4、制作及拼装允许误差应满足地 铁设计规范（GB 505172003）的有关要求。单块管片制作的允许误差为：宽度土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0.60.8mm；纵缝间隙1.5 2.5mm；成环后内径-1+3mm；成环后外径土3mm；纵向螺栓孔孔径、孔位分别为1mm。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

5、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，也有采用底座孤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

6、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

7、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，将型腔分为一个底孤面、两块侧面、两块端面（见图3），这些零件将分别属于底座、

8、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。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孤面板、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。孤面板作为弧形型腔面，除考虑尺寸设计外，还需考虑加

9、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孤面，国内部分厂家还 对该孤面进行了数控加工，以获得一个精准的孤面，保障孤面本身的尺寸，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， 故选用了 Q345的板材，为使钢模振动效果良好，必须使钢模具有一定的柔性，所以孤面板 的厚度又不能过厚，按实际使用效果，一般采用12mm厚板。底座端板后期将与端模装配在一起。上海流派的钢模一般端板与孤面两端平齐，通过对 端板面进行数控加工，可以很好的获得装配基准。但这种钢模在实际使用过程中，孤面板以 下部位难于清理，影响合

10、模精度。本次设计将该端板内移了 20mm，端模与底座的定位采用 可调式定位销，尺寸调好后再将定位销焊接、固定。图4底座图5底座内部结构（剖视图）底座侧墙板的作用也十分重要。一方面，侧模后期将装配在底座上后，是与侧墙板直接 接触、配合的，通过对侧墙板上贴板的数控加工可以容易的获得宽度保证，另一方面，侧墙 板还给孤面板提供强度支撑。为防止孤面板使用过程中出现较大变形，需使侧墙板与孤面板 紧贴，因此侧墙板采用了激光切割获得，以此保证弧形边的精度。另外的，侧墙板高度将直 接决定底座高度，从而决定整个钢模的高度，为方便操作底座高度一般控制在1m左右（钢 模高度约1.4m）。底座底部的支座主要提供结构方面

11、的稳定性保障，一般采用槽钢或者工字钢焊接而成，本次设计采用槽钢焊接。单纯这些外部功能性结构是无法满足强度要求的，底座很容易变形，必须在内部进行强 度加强。对于孤面板的加强是采用了两块100mm宽的弧形筋板，为保障底座的宽度需对侧墙 板进行强度加强，这通过在两块侧墙板之间设置三块竖向筋板实现，而在端板的中部设置了 一条横筋板来对端板进行强度加强。本次设计的钢模将采用附着式振动器进行振动，振动器一般安装在孤面以下。为将振动 力逐步分散开来，在孤面下焊接了槽钢，振动器焊接在槽钢上面，以此加大受力面积，避免 孤面板受力集中时的变形。2.4.2、侧模设计1）结构设计侧模结构主要由三部分组成：面板、筋板、

12、支撑腿。侧模面板一般根据管片形状做成 扇形环，内侧将通过数控加工出型腔面，外侧根据结构与美观的需要布置适当的弧形筋板与 竖向筋板。整个侧模将通过支撑腿与平移开启机构连接，实现开、合模。传统二维设计时，需人工计算整个侧板的刚度，整个过程较为复杂，而通过三维设计， 建立侧板的数字模型，通过有限元计算手段，可以很方便的获得整个侧模的受力情况、变形 情况，从而实现对结构的快速优化，在成本与性能中间找到合理的平衡点。&押舞F皓5. 8200065.T&2il-DDE3契F063. 105006M打蚯b4tai-ddbj 16006590006呢 1WQD5S2DsrCifl5236cO0 3图6侧板面板

13、的应力分布LIES (两L 2LGe3 rzse7. 29G4. 564 e2. 4 技 q1. DDOe002z. 6r5e-aa22 492fi-flfl22. LD9e-(21. LIES (两L 2LGe3 rzse7. 29G4. 564 e2. 4 技 q1. DDOe002z. 6r5e-aa22 492fi-flfl22. LD9e-(21. 7D2e-Q(2L 43?e-QQE0020030030030Q3030图7侧板形变展示（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图8侧板形变展示（二）图68分别展示了侧板的应力分布与形变情况，为获得直观的展示，图像对形变进行了 夸张处理，图8显示，两个四分点的形变量最大，但也不超过0.03mm。2）侧模定位装置为保证侧模合模精度，必须将其与底座进行定位，一般采用的是一种锥形定位销的装 置，通过凹凸面的配合来对侧模进行定位。3）侧模平移开启机构为实现侧模的平移，采用了如图9的一个开启机构，国内平移机构一般都是这种形式， 也有厂家采用直线轴承来做平移机构的。图9侧板横移装置4）

15、紧固螺栓合模后，必须将侧模（以及端模）与底座进行紧固，遂在侧板上布置了适当的紧固螺栓， 为防止操作时将螺栓拔出，造成丢失，在紧固螺栓上添加了限位销。2.4.3、端模设计1）结构设计大体设计思路与侧板相同，但由于采用铰链式开启，在设计铰链板时还需考虑开模角度， 避免产生“咬边”现象。2）端板定位装置由于底座端板内移了 20mm，端模无法像侧模样直接紧靠底座来完成装配，于是设计了 可调式的定位装置。图10可调式定位销2.4.4、模芯、芯棒设计模芯将会对应管片的手孔位置，而芯棒则对应连接螺栓孔。对模芯的设计主要要保证孔 位，另一方面要考虑脱模角度。模芯的制作方法一般有两种，一是采用铸件，二是采用焊接

16、 件。前者在生产数量上达到一定规模时具有成本上的优势。芯棒设计时主要考虑与套筒的紧 固和密封。2.4.5、盖模设计由于采用附着式振动，盖板设计采用整体式，在两端依靠弹簧的弹性变形来方便的开启 盖板。出于安全方面的考量，在盖模上设置了安全销，在盖模开启到设计位置后将其锁死， 防止盖模倒下伤人。2.5、配件设计三大件的设计决定了钢模的主体尺寸，要将这三大件装配到一起，以实现钢模设计意图 还必须进行必要的配件设计，除了前文提到的侧模横移开启机构、定位销、紧固螺栓，配件 还包括端模开合装置、管片号、对接标记、安装标记、注浆孔模芯、芯棒压紧装置等。为确 定侧模、端模、模芯安装位置还必须进行样板设计。这些

17、配件虽然对结构影响不大，但对合 模精度、易操作性却有着决定性的作用，因此配件设计也十分重要。侧板横移机构模芯 芯棒芯棒压紧装置端板绞链座端板开合装置紧固装置密封条举重臂孔模芯座管片号锥形定位装置举重臂孔模芯座管片号锥形定位装置三、与传统设计方式的对比由于各个城市的管片形式一般均不相同，因此钢模是典型的定制化生产产品，设计工作 量很大，采用二维设计软件差错比较多，尤其是在老图纸修改过程中，错误比较多，采用三 维CAD可以大幅度地减少设计错误，提高设计效率。三维CAD软件是制造业信息化建设的基础，只有采用三维CAD软件，设计的产品才能直 接导入计算机辅助分析软件（CAE）进行结构分析、振动频率分析；才能导入计算机辅助制造 软件（CAM）