1、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 地下铁道工程施工
2、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+2 0+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
3、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2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
4、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 （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。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
5、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，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 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）ABK3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
6、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
7、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4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，将型腔分为一个底弧面、两
8、块侧面、两块端面（见图 3） ，这些零件将分别属于底座、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弧面板、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。
9、弧面板作为弧形型腔面，除考虑尺寸设计外，还需考虑加工方式，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弧面，国内部分厂家还对该弧面进行了数控加工，以获得一个精准的弧面，保障弧面本身的尺寸，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，底弧面侧面端面5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。底座端板后期将与端模装配在一起。上海流派的钢模一般端板与弧面两端平齐，通过对端板面进行数控加工，可以很好的获得装配基准。
10、但这种钢模在实际使用过程中，弧面板以下部位难于清理，影响合模精度。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
11、左右（钢模高度约 1.4m） 。底座底部的支座主要提供结构方面的稳定性保障，一般采用槽钢或者工字钢焊接而成，6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。对于弧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，振动器一般安装在弧面以下。为将振动力逐步分散开来，在弧面下焊接了槽钢，振动器焊接在槽钢上面，以此加大受力面积，避免弧面板受力集中时的变形。2.4.2、
12、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、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。图 6 侧板面板的应力分布7图 7 侧板形变展示（一）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
13、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。8图 9 侧板横移装置4）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
14、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92.4.4、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
15、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。图 11 钢模配件 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 锥形定位装置 举重臂孔模芯座 管
16、片号10三、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）生成供数控机床使用的数控代码。钢模主体以焊接件为主，SolidWorks 的焊接件设计模块能有效地提高焊接件的设计效率。在对钢模设计深入了解后，利用 SolidWorks 的参数化设计特点和设计库功能，可以非常容易地构建一套易于使用的傻瓜型钢模改型设计系统。设计人员只要输入相关参数后即可完成钢模关键零部件的自动设计，大幅度提高设计效率。相对于传统二维设计方法，此种设计方法一个最大的优点在于其可视化的效果，能够直观的展示设计者的设计意图，通过虚拟装配，还可以提前发现错误，避免了设计上的失误。图 12 地铁管片钢模设计展示2015 年 3 月
