盾构管片模具技术及应用.docx

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盾构管片模具技术及应用

高精度盾构管片模具技术及应用

发布时间：

2008-7-9    作者：

王茂马明刚刘晓利演讲人：

马明刚

　　提要：

本文介绍了盾构隧道管片的型式，高精度钢筋混凝土管片模具的型式，高精度管片模具的设计和制造工艺，以及钢模的精度要求，钢模的测量方法等；我公司在新产品开发流程过程中经验总结

关键词：

隧道工程、隧道管片通缝和错缝拼装、盾构管片模具、模具测量样板

    1　前言

    近年来，随着我国城市化建设飞速发展，城市道路交通压力越来越大，汽车拥堵、尾气污染等问题日益严重，道路交通的建设与机动车数量的矛盾日益突出。

地下空间资源的开发利用越来越收到重视，其中又以地铁建设为主要的实施手段，城市地下轨道交通具有安全快速可靠、运力大、施工过程对环境及生态破坏小、抗震性能好等诸多方面的优点。

地铁隧道的施工又以盾构法占了主导地位，随着盾构掘进机的制造和施工技术也在不断地发展，对于“盾构管片模具”（简称管片模具）提出了更高的要求，用其生产的混凝土管片也成为盾构法施工中关系到整个隧道工程质量的重要关键技术之一。

2006年我公司开始了盾构管片模具设计和开发工作，我们放弃了直接引进国外整套技术的做法，而是通过与欧洲厂家技术交流只引进其制造工艺技术并联合国内较早引进欧洲模具的施工单位，认真听取使用单位的意见反馈。

经过认真分析国内外现有模具的优缺点，分析其结构工艺性、焊接工艺性、模具的使用操作及型腔尺寸的稳定性、混凝土管片成型工艺性，在此基础上进行攻关优化设计。

在整个过程中始终坚持以我方为主的原则，设计开发具有自主知识产权的高精度盾构管片模具并成功应用于当年成都地铁1号线工程管片模具的开发与制造。

在设计制造过程中提出了模具焊接结构件全部采用热处理时效工艺、端模固定辅助活动钢条的脱模方式等具有创新性的工艺方案。

随后又陆续完成了广深港狮子洋隧道工程、深圳地铁1号线工程、广州地铁4号线工程、成都地铁1号线小曲率半径施工等管片模具的设计开发，标注着我公司已经成功掌握了高精度钢筋混凝土管片钢模的设计和制造技术能力。

     2　隧道管片的型式

    在盾构隧道中，由于隧道的断面形状、施工方法等的不同，其力学结构也不相同。

根据隧道的断面形状可分为圆形、椭圆形、矩形、复圆形等多种断面，那么管片的形状也就根据各种断面的形状来设计。

其中采用盾构法施工多为圆形、复圆形断面如地铁隧道工程，人工开挖其截面形式更为自由如穿山隧道，优点可利用空间大、开挖量小、投资小，缺点施工速度慢。

     2.1　隧道管片的分类

   隧道管片按制作的材料不同还可分为钢制管片、铸铁制管片、复合管片和钢筋混凝土管片等，国内主要采用是钢制管片和钢筋混凝土管片混合使用的方法，在地质结构比较复杂地段使用钢制管片，在地质结构较好地段采用钢筋混凝土管片，主要是出于成本考虑；在日本火山和地震频发的国家钢制管片使用的比例较大。

按直线段隧道和曲线段隧道的需要，管片可分为直线段管片和曲线段管片，曲线段管片又分为左曲管片和右曲管片。

另外，还有既能用于直线段又能用于曲线段的通用管片，通过对通用管片的有序旋转，可完成直线段和不同半径的曲线段以及空间曲线段的拼装，优点是管片模具投资少、模具利用率高，缺点是拼装复杂，多为穿山、穿江大口径隧道，国内应用于地铁隧道是深圳地铁该工程管片模具也是我公司生产。

     2.2　圆形隧道的钢筋混凝土管片

    目前在我国的盾构法隧道中，管片的型式以圆形的钢筋混凝土管片为主。

圆形管片的分块数：

圆形管片一般是根据隧道的直径大小来分块，可分为4块～8块。

按照管片在隧道内的位置，我们将它们分别取名为：

标准块（B）、拱底块（G）、邻接块（L1,L2）、封顶块（F）。

     2.3　管片的拼装形式

    管片的拼装形式：

可分为通缝拼装（图1）和错缝拼装（图2）以及通用管片的拼装。

按封顶块的插入形式又可分为沿径向插入型和沿轴向插入型。

图1　管片通缝拼装示意图

图2　管片错缝拼装示意图

    从管片的通缝和错缝两种拼装形式来看，各有各的优缺点。

通缝拼装的优点是：

盾构掘进时，管片拼装机的操作较简单，每环管片的拼装角度都相同，不需变换角度；缺点是：

从整个隧道的受力情况分析，通缝拼装的管片成环后的整体受力情况不是最好。

    错缝拼装的管片优点是整体受力情况好。

但是，盾构中管片拼装机的操作较复杂；当盾构千斤顶的顶力作用于管片上时，如果管片的宽度误差较大，会使管片因受力不均引起应力集中而导致被顶坏。

因此要避免管片被顶坏，必须提高管片的精度要求，特别是管片的宽度精度要求大大提高。

     3　高精度管片模具

    目前，对于成型后隧道的结构性能、防水性能和耐久性的要求越来越高，由于错缝拼装的管片整体受力情况好，故越来越多的隧道衬砌设计为错缝拼装的管片。

错缝拼装需要高精度的管片，而高精度的管片是由高精度的模具来保证的。

随着隧道工程的快速发展，高精度的管片需求量大大增加，因此高精度的模具需求量也大幅上升。

可以这样说能否在中国形成具有设计制造高精度管片模具的产业集群将直接影响到国内地铁建设的速度和工程成本。

     3.1　高精度钢筋混凝土管片钢模的精度

    高精度钢筋混凝土管片钢模的精度要求主要为表1中的五项检测工程：

模具宽度、模具高度、模具内外径弧弦长、纵向环向芯棒中心距、纵向环向芯棒孔径。

从表1中的数据可以看出，它的精度已相当高，比老标准的精度提高了近一倍。

例如，以往外径≤11.0m钢模的宽度允差为±0.4mm，现高精度钢模的宽度允差为±0.25mm。

表1　钢模的精度要求

序号

检 测 项 目

外径≦11.0M允差（mm）

外径>11M允差（mm）

1

钢模宽度

±0.25

±0.35

2

钢模高度

0～+2

0～+2.5

3

钢模内外径弧、弦长

±0.35

±0.5

4

纵向、环向芯棒中心距

±0.3

±0.4

5

纵向、环向芯棒孔径

±0.1

±0.2

     高精度钢模的精度要求是根据钢筋混凝土管片的精度要求而定。

表2为钢筋混凝土管片的精度要求。

表2　钢筋混凝土管片的精度要求

管片检测工程

国家标准的管片允许偏差

（GB50299-1999）单位mm

高精度管片允许偏差

单位:

mm

管片宽度

±1,

±0.5

管片弧、弦长

±1

±0.5

 管片高度（厚度）

-1～+3

0～+3

拼装3环缝隙

£2

£1

3.2高精度管片模具的分类

3.2.1　按振捣方式分离

高精度管片钢模的设计已形成多种流派：

日本的、法国的、瑞士的、意大利的等等，各有特点。

从国外的现状看，管片模具振捣形式可分为三种类型：

人工插入式振捣、附着式整体振捣、震动台自动化生产线，需根据不同的振捣方式来设计不同形式的钢模。

每一种模具都有着各自的优缺点，也需要用户根据实际需求和生产条件进行选择：

1）人工插入式振捣:

其特点是投资低、配套设施少、管片质量稳定、管片模具的重量、造价价低等优点，但同时也存在着工人劳动强度大、操作人员多、存在震动棒损耗等方面的费用等缺点，主要应用于管片生产批量较小的工程如大口径穿江隧道管片；

2）附着式整体振捣

其优点是快速、省力，自动化程度高。

但也存在使用过程中的噪音大、模具的制造成本高难度大（如对模具的焊接质量要求高、焊接结构件时效处理彻底）、使用现场模具固定基座需进行混凝土二次浇筑以保证模具的平面度要求、管片侧壁气孔过大等方面缺陷。

针对该类型模具的缺点我公司工程技术人员积极与使用单位交流探讨新的施工方案，优化模具结构，提高工艺装备水平，提出了如下的优化方案：

a）强化模具结构强度、严格控制焊接质量b）配置大容积回火电炉，保证焊接结构件的内应力的消除c）设计可调节的橡胶减震基座，模具到达使用现场后只需调节其中一个基座就可以达到模具均匀受力的效果d）振捣方式：

我们建议施工在振捣的最后阶段采用辅助人工式插入只对靠近侧模的部位单独进行处理，就可满足效率和质量的统一。

以上两种模具我公司已经完全具备了设计制造能力，并积累了大量的模具制造和现场使用的经验。

3）震动台自动化生产线

其优点是管片生产实现了流水化作业，管片模具通过轨道移动完成模具开合模、钢筋笼的吊装、混凝土浇筑振捣、蒸养、脱模、养护等各固定工位的工序内容。

具有自动化程度高、生产效率高、混凝土振捣均匀等诸多方面的优点；缺点是前期投资大，管片模具制造难度大、混凝土浇筑振捣工序工艺要求严格，该种管片生产方式的在国内使用厂家不断增多，渐成主流。

该种模具对于管片模具的生产制造厂家提出更加严格的要求，需要对整个结构设计、制造工艺进行开发。

现公司已经完成应用于震动台施工的管片模具设计开发工作，并完成了模具按现场施工状态的耐久性实验。

3.2.2按管片模具结构及开启形式分类　

按管片模具结构及开启形式也可分为三种类型：

侧模＋端模翻转式、侧模平移＋端模翻转式、端模固定＋侧模平移或翻转。

 模具的结构形式：

主要由三大件（底座、两块侧板、两块端板）和相关构件组成。

其中端、侧板的开启方式有多种：

有采用铰链翻合式开启的端、侧板；或利用平移机构完成侧模的平移开启方式；利用管片纵缝截面设计的特点实现端模固定附着活动钢条脱模的方式。

现分析一下端模与侧模的各种开启方式的特点：

1）侧模＋端模翻转式

利用转轴和固定套机构完成侧模或端模的翻转动作具有结构简单可靠、侧模重量轻、装配，模具的重复定位精度取决于轴与套的配合间隙也就要求该机构要具有耐磨损、易更换的要求；模具设计时保证中心位置合理，否则容易引起啃边现象。

我公司在设计生产该类型模具时采用转轴淬火和自润滑锌基可更换转轴套以满足其耐磨损、易更换的要求；对于每一批工程要利用三维设计软件确定转轴中心线位置，让模具始终处于最佳的开模状态防止出现管片止水条槽处的啃边现象，我公司制作的几批模具未出现啃边的情况。

2）侧模平移＋端模翻转式

该种结构的特点是完全消除了侧模开启时可能造成的啃边现象，侧模垂直于管片侧模移动满足了最大的脱模角度。

平移机构的结构复杂、安装的难度大、成本高、侧模的重量也会引起较大的增加。

我公司在设计生产该类型模具时采用了导柱、导套加直线轴承的结构：

导柱和导套均采用渗碳淬火工艺表面硬度达到HRC60的要求，使用直线轴承达到了配合精度0.05mm实现了不使用定位销即可完成侧模与底模的定位要求，测试精度：

模具开合1万次侧模定位精度降低0.1mm。

设计使用侧模分离器主要是克服侧模在与管片分离的瞬间的大气压力和混凝土于管片模具的粘合力，由于有直线轴承的作用侧模的运动流畅、自由。

（3）端模固定＋侧模平移或翻转式。

采用该种模具的开合结构方式是我公司在国内最先使用，之所以采用此种方式是我公司的工程技术人员到混凝土管片生产现场处理管片模具端板关闭不严引起管片弧弦长尺寸变化的问题时提出优化方案。

我们发现模具在使用过程中，端模打开后由于端板与底模贴合面与竖直方向夹角很多，管片脱模后在清理过程中大量的混凝土残渣会落在贴合面上合模后无法关严，同时也发现在施工过程中很难要求操作人员做到及时清理，日积月累情况更加严重。

针对这种情况我们提出了采用端板与底模永久固定并在管片止水带处增加一个活动钢条，这样即满足了模具的端模位置的尺寸稳定又保证管片脱模不受影响。

  综上所述，这样的开启方式可以说是优化组合式。

广州地铁4号线工程的管片使用情况来看，这种设计是比较合理的，效果令人满意。

见图3的模具组装图。

图3　钢模组装图

     3.3　高精度管片钢模的制造

管片模具之所有制作难度这么大主要原因是其涉及到的学科广、制作工艺流程复杂、过程控制严格细致。

管片模具的制造涉及到结构设计、管片模具刚性有限元分析、模具在震动力场下的震动能力的传导特性、焊接结构件制作、金属热处理、数控加工、钳工装配、混凝土制作工艺、生产现场的特定的使用环境等诸多方面。

只要不断的提高各工序的工艺制造水平和严格工艺纪录，才能生产出应用于不同形式的管片模具

     3.3.1　管片模具主体结构设计

（1）管片模具刚性有限元分析、模具在震动力场下的震动能力的传导特性（主要应用于附着式振捣和整体震动台中的混凝土流动的力学模型），在这方面我公司已经取得了一定的经验和积累。

（2）模具结构设计始终站在使用者的角度出发：

操作简单、使用方便、可靠性好，同时也要考虑到制造过程中的工艺性。

持续改进、不断优化。

3.3.2焊接结构的制作

在模具底模、侧模、端模的结构制作中底模的制作难度是最大的，其制作精度和内应力的消除会直接影响到下序的数控加工和管片模具在使用过程中的性能。

为此我们采用了数控下料、四辊轧机、高精度的拼装模台，满足其弧面加工余量误差控制在1mm以内。

     3.3.3　数控加工工艺不断创新

   高精度的管片模具需要数控铣床来保证，持续不断的优化数控机加工工艺方法。

包括优化工卡量具，满足加工过程中精度和加工效率的要求。

     3.3.4　严格执行流程控制、细节决定成败

    想要生产出一套合格管片模具，就要制定一套严格的各工序的工艺制作流程，将ISO9001的质量控制体系贯彻始终做到信息可反馈，质量可跟踪。

细化各工序，编制作业指导书和验收标准和方法，做到明确任务明确责任，对于客户反映的信息不断改进。

细节决定成败。

     3.4　高精度钢筋混凝土管片钢模的检测

    高精度的钢模必须要有高精度的测量工具和检测手段，才能制造出符合质量要求的一流钢模。

因此，只有改变过去的传统检测方法，采用高精度的样板作为检测工具，才能达到这一目的。

设计和制造高精度的样板，用以钢模的制造过程及钢模和管片的检测。

采用样板法，可控制钢模制造过程中的误差，使装配尺寸容易控制，提高了精度；还能使模芯定位更为精确，不再产生摇摆，使管片拼装变得简易。

在钢模检验及管片厂生产管片过程中，使钢模的检测变得更精确、直接和简易。

改变过去钢模的弧长尺寸不能直接测量，只能由加工机床保证的老方法。

确保了高精度钢模的制造质量。

    高精度钢模的测量方法，按以下的方法进行，见图4。

图4　测量示意图

     3.4.1　钢模宽度测量

    在钢模内腔，按图4中六点的位置测量宽度，使用内径千分尺直接测量。

     3.4.2　钢模外径和内径弧、弦长的测量

    将测量样板放入钢模内，插入检查销，固定好测量样板，用塞尺测出样板和钢模端面的间隙，通过计算得出钢模的弧、弦长。

     3.4.3　钢模高度测量

     使用深度千分尺量具直接测量

     3.4.4　纵向、环向芯棒中心距及芯棒孔距的测量

     在钢模内调整测量样板，插入检查销检查。

4对于我公司开发盾构管片模具过程中的经验总结

可以这么说中国是一个制造大国却不是一个工业强国，就以制造业为例：

数控铣床代表着一个国家的工业科技水平，其核心部件如控制系统、伺服电机、主轴变频电机、丝杠、光栅尺、线轨等有几种是国产品牌生产；数控刀具几元钱的胚料送到日本进行一次表面涂层处理就可能卖到国内值几十元，就因为我们的表面涂层处理不过关；我们前总理也曾感叹到我们要用五亿双袜子去环一架波音飞机，我想我们离工业强国的路还很有远，还要有很长的路要走。

国内许多行业的发展却出现了很多普遍的现象就是低水平重复建设，压低价格、靠低成本竞争，众鑫源桥隧设备制造有限公司之所以放弃传统的模板制造进入盾构管片模具市场，就是要走一条高技术含量、高附件值的道路，通过我们的努力为用户提供一流的技术支持、一流的产品、一流的售后服务也使得众鑫源公司成为一个具有核心竞争力的品牌。

此外我想就众鑫源公司在开发新产品过程中的一些体会和大家交流一下，我主要从以下几点谈一下：

我们要尽可能的通过我们自己的努力去

1、信息的收集、整理、分析、产品差异化目标的确定；

2、各方面的技术和人才的储备；

3、设计方案的验证；

4、结合产品使用环境的实际性况，技术人员必需到现场。

5、取得用户的支持，一流的售后服务是取得用户信赖的保障。

6、以用户和使用者为中心，持续改进。

7、小批量生产与批量化关系；

8、制造过程中的工艺流程细化，和过程质量控制。

希望这些能对大家有所帮助。