盾构隧道高精度盾构管片钢模设计过程

1、PAGE PAGE 14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、钢模技技术要求求盾构机和管管片是控控制盾构构隧道质质量的两两大要素素，管片片质量的的好坏直直接影响响了盾构构机掘进进控制、管管片拼装装质量以以及成型型后隧道道的结构构性能，防水性性能和耐耐久性，在隧道使用用阶段，管管片质量量是第一一位的。影响管片生产质量的最主要因素是管片钢模。管片钢模与与普通的的钢模板板有明显显差别，其技术术要求

2、具具有高精精度性，坚固耐耐久性，易易操作性性。根据GBB502299-19999地下铁铁道工程程施工及及验收规规范对对钢筋混混凝土管管片的精精度要求求可以确定定对钢模模的精度度要求，主要为为表1中的五五项检测测项目：钢模宽宽度、钢钢模高度度、钢模模内外径径弧弦长长、纵向向环向芯芯棒中心心距、纵纵向环向向芯棒孔孔径。表 SEQ 表 * ARAABICC1钢模的的精度要要求序号检测项目外径111.0MM允差 (mmm)外径111M允差(mmm)1钢模宽度0.2550.3552钢模高度0+20+2.53钢模内外径径弧、弦弦长0.3550.54纵向、环向向芯棒中中心距0.30.45纵向、环向向芯棒孔孔

3、径0.10.2出于成本、精精度等多多方面考考虑，工工程应用用的管片片钢模一一般需生生产10000环管片片，反复复的开合合模、振振捣等操操作，加加上国内内一般采采用蒸养养工艺来来加快钢钢模周转转速度，使使得其使使用环境境十分恶恶劣，这些都都对钢模模的耐久久性是个个极大的的考验。而而作为一一件工业业装备，操操作的方方便性是是其必须须具备的的属性。二、钢模设设计2.1、管管片形式式介绍地铁采用了了常见的的12000mmm宽幅的的管片，外外径为66200mmm，内内径55500mmm，管管片厚度度350mmm。每环衬衬砌环由由6块管片片组成（见见），其其中1块封顶顶块（K）、2块邻接接块（B1、B2）

4、、3块标准准块（A1、A2、A3）。为满足足曲线地地段线路路拟合及及施工纠纠偏的需需要，专专门设计计了左、右右转弯楔楔形环，通通过与标标准环的的各种组组合来拟拟合不同同的曲线线。衬砌砌环纵、环环缝采用用弯螺栓栓连接，其其中每环环纵缝采采用12根M300螺栓，每每个环缝缝采用116根M300螺栓。为为保证管管片的防防水、拼拼装及结结构受力力需要，衬衬砌制作作及拼装装应达到到一定的的精度。管管片制作作及拼装装允许误误差应满满足地地铁设计计规范（GB 505172003）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

5、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1.52.5mm；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。ABKABK图 SEQ 图 * ARABIC 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、设设计概述述为满足高精精度的要要求，钢钢模的型型腔面采用数数控加工工中心加加工获得得。耐久久性与易易操作性性的要求求通过合合理的结结构设计计来满足足。所以以钢模设设计其实实是一般般的模具具设计与与钢结构构设计、机机械设计计的交叉叉领域，其设计难度较一般钢模板设计要高。型腔的尺寸寸由管片片外形尺尺寸确定

6、定，分型型面（分分开钢模模能取出出管片的面面）的选选取必须须考虑开开模、脱脱模、合合模的方方便性。这这部分属属于一般般模具设设计范畴畴。图 SEQ 图 * ARAABICC2钢模主主体一般的，钢钢模的结结构主要要由三大大件（底底座、两两块侧模模、两块块端模）和相相关构件件组成（见见图2）。钢模模的结构构设计主主要是围围绕三大大件的设设计，需考虑虑它们的的定位方方式和开开启方式式等。端端、侧模模的开启启方式有有多种：侧模一般有有平移和铰链翻翻合式开开启两种种方式；端模一般采采用铰链链翻合式式开启，也也有采用用底座弧弧面少量量变形方方式开启启的。为使得得各部分分构件具具有足够够的强度度，就需需要进

7、行行强度校校核与变变形计算算，这部部分就是是钢结构构设计的的内容，通通过合理理的设计计将三大大件组合合装配为为一个整整体就涉涉及机械械设计领领域了。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。钢模的在使使用过程程中的振振动方式式也是设设计阶段段必须考考虑的问问题，本本次设计计钢模将将采用附附着式高高频气动动振动器器进行振振动。传统的钢模模设计主主要仍停停留在二二维设计计阶段，各各零部件件之间尺尺寸不存存在关联联，在频频繁的图图纸修改改过程中中势必会会出现前前后尺寸寸不符、相相互干涉涉的问题题，而在在设计阶阶段，设设计人员员无法获获得一个个直观的的产品形形象，很很难发现现这些问问题，这

8、就引引出了钢钢模设计计的一个个难点：对机加加工尺寸寸的确定定。由于于设计失失误，造造成钢模模无法达达到设计计装配精精度的情情况是发发生过的的；另一一个难点点是兼顾顾耐久性性与易操操作性进进行结构构设计，这这主要是是因为传传统的手手工计算算校核效效率低下下，并且且对复杂杂构件计计算难度度较大。本文通过过采用三三维设计计软件进进行钢模模设计，很很好的解解决了以以上两个个难题，设设计出的的钢模现现已用于于生产。现现将设计计过程简简要介绍绍如下。2.3、型型腔（机机加工尺尺寸）设设计为获得型腔腔的尺寸寸，首先先需要建建立管片片的三维维实体模模型。使使用Sollidwworkks，运用用拉伸与与切除工工

9、具，很很容易便便可获得得管片实实体造型型。手孔孔与连接接螺栓孔孔在此造造型中并并未体现现，钢模模上与之之对应的的模芯与与芯棒将将另行设设计，并并在后期期装配到到钢模主主体上。对管片模型型运用拔拔模工具具，或者者进行向向外抽壳壳，即得得到型腔腔尺寸，见见。通过过合理选选取分型型面，将将型腔分分为一个个底弧面面、两块块侧面、两块块端面（见见图3），这些些零件将将分别属属于底座座、侧模模、端模模。在此此基础上上根据设设计意图图，确定定好螺栓栓孔、定定位销孔孔、止水水槽位置置，十分分方便的的便得到到了所有有机加工工所需的的尺寸数数据。侧面端面底弧面侧面端面底弧面图 SEQ 图 * ARAABICC3型

10、腔面面2.4、结结构设计计钢模的多次次重复使使用要求求各型腔腔面板具具有足够够的刚度度，因此此必须进进行强度度加强，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。2.4.11、底座设设计一般可以将将底座分分为弧面面板、端端板、侧侧墙板、底底部支座座、内部部强度加加强结构构等结构构部件，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。弧面板作为为弧形型腔腔面，除除考虑尺尺寸设计计外，还还需考虑虑加工方方式，上上海流派派的钢模模一般是是通过卷卷板机初初步卷板板，然

11、后后在特制制焊接工工装上紧紧压组立立来获得得所需弧弧面，国国内部分分厂家还还对该弧弧面进行行了数控控加工，以以获得一一个精准准的弧面面，保障障弧面本本身的尺尺寸，并并方便端端、侧模模的后期期装配定定位。在在选材方方面，该该面板作作为钢模模上面积积最大的的单块型型腔面，对对强度要要求较高高，故选选用了Q3445的板材材，为使使钢模振振动效果果良好，必必须使钢钢模具有有一定的的柔性，所以弧面板的厚度又不能过厚，按实际使用效果，一般采用12mm厚板。底座端板后后期将与与端模装装配在一一起。上上海流派派的钢模模一般端端板与弧弧面两端端平齐，通通过对端端板面进进行数控控加工，可可以很好好的获得得装配基基

12、准。但但这种钢钢模在实实际使用用过程中中，弧面面板以下下部位难难于清理理，影响响合模精精度。本本次设计计将该端端板内移移了200mm，端端模与底底座的定定位采用用可调式式定位销销，尺寸寸调好后后再将定定位销焊焊接、固固定。图 SEQ 图 * ARAABICC4底座图 SEQ 图 * ARAABICC5底座内内部结构构（剖视视图）底座侧墙板板的作用用也十分分重要。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，侧墙板还给弧面板提供强度支撑。为防止弧面板使用过程中出现较大变形，需使侧墙板与弧面板紧贴，因此侧墙板采用了激光切

13、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）。底座底部的的支座主主要提供供结构方方面的稳稳定性保保障，一一般采用用槽钢或或者工字字钢焊接接而成，本本次设计计采用槽槽钢焊接接。单纯这些外外部功能能性结构构是无法法满足强强度要求求的，底底座很容容易变形形，必须须在内部部进行强强度加强强。对于于弧面板板的加强强是采用用了两块块1000mm宽宽的弧形形筋板，为为保障底底座的宽宽度需对对侧墙板板进行强强度加强强，这通通过在两两块侧墙墙板之间间设置三三块竖向向筋板实实现，而而在端板板的中部部设置了了一

14、条横横筋板来来对端板板进行强度度加强。本次设计的的钢模将将采用附附着式振振动器进进行振动动，振动动器一般般安装在在弧面以以下。为为将振动动力逐步步分散开开来，在在弧面下下焊接了了槽钢，振振动器焊焊接在槽槽钢上面面，以此此加大受受力面积积，避免免弧面板板受力集集中时的的变形。2.4.22、侧模设计计1）结构设设计侧模结构构主要由由三部分分组成：面板、筋筋板、支支撑腿。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。传统二维设设计时，需人工计算整个侧板的刚度，整个过程较为复杂

15、，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。图 SEQ 图 * ARAABICC6侧板面面板的应应力分布布图 SEQ 图 * ARAABICC7侧板形形变展示示（一）图 SEQ 图 * ARAABICC8侧板形形变展示示（二）图68分分别展示示了侧板板的应力力分布与与形变情情况，为为获得直直观的展展示，图图像对形形变进行行了夸张张处理，图8显示，两个四分点的形变量最大，但也不超过0.03mm。2）侧模定定位装置置为保证侧侧模合模模精度，必必须将其其与底座座进行定定位，一一般采

16、用用的是一一种锥形形定位销销的装置置，通过过凹凸面面的配合合来对侧侧模进行行定位。3）侧模平平移开启启机构为实现侧模模的平移移，采用用了如图图9的一个个开启机机构，国国内平移移机构一一般都是是这种形形式，也也有厂家家采用直直线轴承承来做平平移机构构的。图 SEQ 图 * ARAABICC9侧板横横移装置置4）紧固螺螺栓合模后，必必须将侧侧模（以以及端模模）与底底座进行行紧固，遂遂在侧板板上布置置了适当当的紧固固螺栓，为为防止操操作时将将螺栓拔拔出，造造成丢失失，在紧紧固螺栓栓上添加加了限位位销。2.4.33、端模设计计1）结构设设计大体设计思思路与侧侧板相同同，但由由于采用用铰链式式开启，在在

17、设计铰铰链板时时还需考考虑开模模角度，避避免产生生“咬边”现象。2）端板定定位装置置由于底座端端板内移移了200mm，端端模无法法像侧模模样直接接紧靠底底座来完完成装配配，于是是设计了了可调式式的定位位装置。图 SEQ 图 * ARAABICC10可调调式定位位销2.4.44、模芯芯、芯棒棒设计模芯将会对对应管片片的手孔孔位置，而而芯棒则则对应连连接螺栓栓孔。对对模芯的的设计主主要要保保证孔位位，另一一方面要要考虑脱脱模角度度。模芯芯的制作作方法一一般有两两种，一一是采用用铸件，二二是采用用焊接件件。前者者在生产产数量上上达到一一定规模模时具有有成本上上的优势势。芯棒棒设计时时主要考考虑与套套

18、筒的紧紧固和密密封。2.4.55、盖模模设计由于采用附附着式振振动，盖盖板设计采采用整体体式，在在两端依依靠弹簧簧的弹性性变形来来方便的的开启盖盖板。出于安安全方面面的考量量，在盖盖模上设设置了安安全销，在在盖模开启到到设计位位置后将将其锁死死，防止止盖模倒倒下伤人人。2.5、配配件设计计三大件的设设计决定定了钢模模的主体体尺寸，要要将这三三大件装装配到一一起，以以实现钢钢模设计计意图还还必须进进行必要要的配件件设计，除除了前文文提到的的侧模横横移开启启机构、定定位销、紧紧固螺栓栓，配件件还包括括端模开开合装置置、管片片号、对对接标记记、安装装标记、注注浆孔模模芯、芯芯棒压紧紧装置等等。为确确定侧模模、端模模、模芯芯安装位位置还必必须进行行样板设设计。这这些配件件虽然对对结构影影响不大大，但对对合模精精度、易易操作性性却有着着决定性性的作用用，因此此配件设设计也十十分重要要。锥形定位装置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铭牌图 SE