盾构隧道高精度盾构管片钢模设计过程

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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

2、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≦11.0M允差(mm)外径>11M允差(mm)1钢模宽度±0.25±0.352钢模高度0～+20～+2.53钢模内外径弧、弦长±0.35±0.54纵向、环向芯棒中心距±0.3±0.45纵向、环向芯棒孔

3、径±0.1±0.2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）10、3块标准块（A1、

4、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。管片制作及拼装允许误差应满足《地铁设计规范》（GB50517—2003）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100环

5、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0.6～0.8mm；纵缝间隙1.5～2.5mm；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。ABK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，

6、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。10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，也有采用底座弧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容，通过合理的设

7、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

8、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10与之对应的模芯与芯棒将另行设计