盾構(gòu)隧道高精度盾構(gòu)管片鋼模設(shè)計(jì)過程

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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，率先試制成功國產(chǎn)新一代高精度鋼模，隨后國產(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

2、道工程施工及驗(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≦11.0M允差(mm)外徑>11M允差(mm)1鋼模寬度±0.25±0.352鋼模高度0～+20～+2.53鋼模內(nèi)外徑弧、弦長(zhǎng)±0.35±0.54縱向、環(huán)向芯棒中心距±0.3±0.45縱向、環(huán)向芯棒孔徑±0.1±0.2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

3、劣，這些都對(duì)鋼模的耐久性是個(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）10、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)

4、達(dá)到一定的精度。管片制作及拼裝允許誤差應(yīng)滿足《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50517—2003）的有關(guān)要求。單塊管片制作的允許誤差為：寬度±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0.6～0.8mm；縱縫間隙1.5～2.5mm；成環(huán)后內(nèi)徑-1～+3mm；成環(huán)后外徑±3mm；縱向螺栓孔孔徑、孔位分別為±1mm。ABK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

5、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。10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，也有采用底座弧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

6、核與變形計(jì)算，這部分就是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的內(nèi)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

7、易操作性進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這主要是因?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)出的鋼模現(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10與之對(duì)應(yīng)的模芯與芯棒將另行設(shè)計(jì)