盾構(gòu)管片模具技術(shù)及應(yīng)用.doc

精品文檔高精度盾構(gòu)管片模具技術(shù)及應(yīng)用發(fā)布時間：2008-7-9作者：王茂 馬明剛 劉曉利 演講人：馬明剛提要：本文介紹了盾構(gòu)隧道管片的型式，高精度鋼筋混凝土管片模具的型式，高精度管片模具的設(shè)計和制造工藝，以及鋼模的精度要求，鋼模的測量方法等；我公司在新產(chǎn)品開發(fā)流程過程中經(jīng)驗總結(jié)關(guān)鍵詞：隧道工程、隧道管片通縫和錯縫拼裝、盾構(gòu)管片模具、模具測量樣板1前言近年來，隨著我國城市化建設(shè)飛速發(fā)展，城市道路交通壓力越來越大，汽車擁堵、尾氣污染等問題日益嚴重，道路交通的建設(shè)與機動車數(shù)量的矛盾日益突出。地下空間資源的開發(fā)利用越來越收到重視，其中又以地鐵建設(shè)為主要的實施手段，城市地下軌道交通具有安全快速可靠、運力大、施工過程對環(huán)境及生態(tài)破壞小 、抗震性能好等諸多方面的優(yōu)點。地鐵隧道的施工又以盾構(gòu)法占了主導地位，隨著盾構(gòu)掘進機的制造和施工技術(shù)也在不斷地發(fā)展，對于“盾構(gòu)管片模具”(簡稱管片模具)提出了更高的要求，用其生產(chǎn)的混凝土管片也成為盾構(gòu)法施工中關(guān)系到整個隧道工程質(zhì)量的重要關(guān)鍵技術(shù)之一。 2006年我公司開始了盾構(gòu)管片模具設(shè)計和開發(fā)工作，我們放棄了直接引進國外整套技術(shù)的做法，而是通過與歐洲廠家技術(shù)交流只引進其制造工藝技術(shù)并聯(lián)合國內(nèi)較早引進歐洲模具的施工單位，認真聽取使用單位的意見反饋。經(jīng)過認真分析國內(nèi)外現(xiàn)有模具的優(yōu)缺點，分析其結(jié)構(gòu)工藝性、焊接工藝性、模具的使用操作及型腔尺寸的穩(wěn)定性、混凝土管片成型工藝性，在此基礎(chǔ)上進行攻關(guān)優(yōu)化設(shè)計。在整個過程中始終堅持以我方為主的原則，設(shè)計開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高精度盾構(gòu)管片模具并成功應(yīng)用于當年成都地鐵1號線工程管片模具的開發(fā)與制造。在設(shè)計制造過程中提出了模具焊接結(jié)構(gòu)件全部采用熱處理時效工藝、端模固定輔助活動鋼條的脫模方式等具有創(chuàng)新性的工藝方案。隨后又陸續(xù)完成了廣深港獅子洋隧道工程、深圳地鐵1號線工程、廣州地鐵4號線工程、成都地鐵1號線小曲率半徑施工等管片模具的設(shè)計開發(fā)，標注著我公司已經(jīng)成功掌握了高精度鋼筋混凝土管片鋼模的設(shè)計和制造技術(shù)能力。 2隧道管片的型式在盾構(gòu)隧道中，由于隧道的斷面形狀、施工方法等的不同，其力學結(jié)構(gòu)也不相同。根據(jù)隧道的斷面形狀可分為圓形、橢圓形、矩形、復圓形等多種斷面，那么管片的形狀也就根據(jù)各種斷面的形狀來設(shè)計。 其中采用盾構(gòu)法施工多為圓形、復圓形斷面如地鐵隧道工程，人工開挖其截面形式更為自由如穿山隧道，優(yōu)點可利用空間大、開挖量小、投資小，缺點施工速度慢。 2.1隧道管片的分類 隧道管片按制作的材料不同還可分為鋼制管片、鑄鐵制管片、復合管片和鋼筋混凝土管片等，國內(nèi)主要采用是鋼制管片和鋼筋混凝土管片混合使用的方法，在地質(zhì)結(jié)構(gòu)比較復雜地段使用鋼制管片，在地質(zhì)結(jié)構(gòu)較好地段采用鋼筋混凝土管片，主要是出于成本考慮；在日本火山和地震頻發(fā)的國家鋼制管片使用的比例較大。按直線段隧道和曲線段隧道的需要，管片可分為直線段管片和曲線段管片，曲線段管片又分為左曲管片和右曲管片。另外，還有既能用于直線段又能用于曲線段的通用管片，通過對通用管片的有序旋轉(zhuǎn)，可完成直線段和不同半徑的曲線段以及空間曲線段的拼裝，優(yōu)點是管片模具投資少、模具利用率高，缺點是拼裝復雜，多為穿山、穿江大口徑隧道，國內(nèi)應(yīng)用于地鐵隧道是深圳地鐵該工程管片模具也是我公司生產(chǎn)。 2.2圓形隧道的鋼筋混凝土管片目前在我國的盾構(gòu)法隧道中，管片的型式以圓形的鋼筋混凝土管片為主。圓形管片的分塊數(shù)：圓形管片一般是根據(jù)隧道的直徑大小來分塊，可分為4塊8塊。按照管片在隧道內(nèi)的位置，我們將它們分別取名為：標準塊（B）、拱底塊(G)、鄰接塊(L1,L2)、封頂塊(F)。 2.3管片的拼裝形式管片的拼裝形式：可分為通縫拼裝（圖1）和錯縫拼裝（圖2）以及通用管片的拼裝。按封頂塊的插入形式又可分為沿徑向插入型和沿軸向插入型。 圖1管片通縫拼裝示意圖 圖2管片錯縫拼裝示意圖 從管片的通縫和錯縫兩種拼裝形式來看，各有各的優(yōu)缺點。通縫拼裝的優(yōu)點是：盾構(gòu)掘進時，管片拼裝機的操作較簡單，每環(huán)管片的拼裝角度都相同，不需變換角度；缺點是：從整個隧道的受力情況分析，通縫拼裝的管片成環(huán)后的整體受力情況不是最好。錯縫拼裝的管片優(yōu)點是整體受力情況好。但是，盾構(gòu)中管片拼裝機的操作較復雜；當盾構(gòu)千斤頂?shù)捻斄ψ饔糜诠芷蠒r，如果管片的寬度誤差較大，會使管片因受力不均引起應(yīng)力集中而導致被頂壞。因此要避免管片被頂壞，必須提高管片的精度要求，特別是管片的寬度精度要求大大提高。 3高精度管片模具目前，對于成型后隧道的結(jié)構(gòu)性能、防水性能和耐久性的要求越來越高，由于錯縫拼裝的管片整體受力情況好，故越來越多的隧道襯砌設(shè)計為錯縫拼裝的管片。錯縫拼裝需要高精度的管片，而高精度的管片是由高精度的模具來保證的。隨著隧道工程的快速發(fā)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。 可以這樣說能否在中國形成具有設(shè)計制造高精度管片模具的產(chǎn)業(yè)集群將直接影響到國內(nèi)地鐵建設(shè)的速度和工程成本。 3.1高精度鋼筋混凝土管片鋼模的精度高精度鋼筋混凝土管片鋼模的精度要求主要為表1中的五項檢測項目：模具寬度、模具高度、模具內(nèi)外徑弧弦長、縱向環(huán)向芯棒中心距、縱向環(huán)向芯棒孔徑。從表1中的數(shù)據(jù)可以看出，它的精度已相當高，比老標準的精度提高了近一倍。例如，以往外徑11.0m鋼模的寬度允差為 0.4mm，現(xiàn)高精度鋼模的寬度允差為0.25mm。 表1鋼模的精度要求序 號檢 測 項 目外徑11.0M允差 (mm)外徑11M允差(mm)1鋼模寬度0.250.352鋼模高度0+20+2.53鋼模內(nèi)外徑弧、弦長0.350.54縱向、環(huán)向芯棒中心距0.30.45縱向、環(huán)向芯棒孔徑0.10.2 高精度鋼模的精度要求是根據(jù)鋼筋混凝土管片的精度要求而定。表2為鋼筋混凝土管片的精度要求。 表2鋼筋混凝土管片的精度要求管片檢測項目國家標準的管片允許偏差 (GB50299-1999) 單位mm高精度管片允許偏差單位:mm管片寬度 1, 0.5管片弧、弦長 1 0.5 管片高度（厚度）-1 +30+3拼裝3環(huán)縫隙 2 1 3.2 高精度管片模具的分類3.2.1按振搗方式分離高精度管片鋼模的設(shè)計已形成多種流派：日本的、法國的、瑞士的、意大利的等等，各有特點。從國外的現(xiàn)狀看，管片模具振搗形式可分為三種類型：人工插入式振搗、附著式整體振搗、震動臺自動化生產(chǎn)線，需根據(jù)不同的振搗方式來設(shè)計不同形式的鋼模。每一種模具都有著各自的優(yōu)缺點，也需要用戶根據(jù)實際需求和生產(chǎn)條件進行選擇：1) 人工插入式振搗:其特點是投資低、配套設(shè)施少、管片質(zhì)量穩(wěn)定、管片模具的重量、造價價低等優(yōu)點，但同時也存在著工人勞動強度大、操作人員多、存在震動棒損耗等方面的費用等缺點，主要應(yīng)用于管片生產(chǎn)批量較小的項目如大口徑穿江隧道管片；2) 附著式整體振搗其優(yōu)點是快速、省力，自動化程度高。但也存在使用過程中的噪音大、模具的制造成本高難度大(如對模具的焊接質(zhì)量要求高、焊接結(jié)構(gòu)件時效處理徹底)、使用現(xiàn)場模具固定基座需進行混凝土二次澆筑以保證模具的平面度要求、管片側(cè)壁氣孔過大等方面缺陷。針對該類型模具的缺點我公司工程技術(shù)人員積極與使用單位交流探討新的施工方案，優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)，提高工藝裝備水平，提出了如下的優(yōu)化方案：a)強化模具結(jié)構(gòu)強度、嚴格控制焊接質(zhì)量b)配置大容積回火電爐，保證焊接結(jié)構(gòu)件的內(nèi)應(yīng)力的消除c）設(shè)計可調(diào)節(jié)的橡膠減震基座，模具到達使用現(xiàn)場后只需調(diào)節(jié)其中一個基座就可以達到模具均勻受力的效果d）振搗方式：我們建議施工在振搗的最后階段采用輔助人工式插入只對靠近側(cè)模的部位單獨進行處理，就可滿足效率和質(zhì)量的統(tǒng)一。以上兩種模具我公司已經(jīng)完全具備了設(shè)計制造能力，并積累了大量的模具制造和現(xiàn)場使用的經(jīng)驗。3）震動臺自動化生產(chǎn)線其優(yōu)點是管片生產(chǎn)實現(xiàn)了流水化作業(yè)，管片模具通過軌道移動完成模具開合模、鋼筋籠的吊裝、混凝土澆筑振搗、蒸養(yǎng)、脫模、養(yǎng)護等各固定工位的工序內(nèi)容。具有自動化程度高、生產(chǎn)效率高、混凝土振搗均勻等諸多方面的優(yōu)點；缺點是前期投資大，管片模具制造難度大、混凝土澆筑振搗工序工藝要求嚴格，該種管片生產(chǎn)方式的在國內(nèi)使用廠家不斷增多，漸成主流。該種模具對于管片模具的生產(chǎn)制造廠家提出更加嚴格的要求，需要對整個結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造工藝進行開發(fā)?，F(xiàn)公司已經(jīng)完成應(yīng)用于震動臺施工的管片模具設(shè)計開發(fā)工作，并完成了模具按現(xiàn)場施工狀態(tài)的耐久性實驗。3.2.2按管片模具結(jié)構(gòu)及開啟形式分類按管片模具結(jié)構(gòu)及開啟形式也可分為三種類型：側(cè)模端模翻轉(zhuǎn)式、側(cè)模平移端模翻轉(zhuǎn)式、端模固定側(cè)模平移或翻轉(zhuǎn)。模具的結(jié)構(gòu)形式：主要由三大件（底座、兩塊側(cè)板、兩塊端板）和相關(guān)構(gòu)件組成。其中端、側(cè)板的開啟方式有多種：有采用鉸鏈翻合式開啟的端、側(cè)板；或利用平移機構(gòu)完成側(cè)模的平移開啟方式；利用管片縱縫截面設(shè)計的特點實現(xiàn)端模固定附著活動鋼條脫模的方式?，F(xiàn)分析一下端模與側(cè)模的各種開啟方式的特點：1）側(cè)模端模翻轉(zhuǎn)式 利用轉(zhuǎn)軸和固定套機構(gòu)完成側(cè)?；蚨四５姆D(zhuǎn)動作具有結(jié)構(gòu)簡單可靠、側(cè)模重量輕、裝配，模具的重復定位精度取決于軸與套的配合間隙也就要求該機構(gòu)要具有耐磨損、易更換的要求；模具設(shè)計時保證中心位置合理，否則容易引起啃邊現(xiàn)象。我公司在設(shè)計生產(chǎn)該類型模具時采用轉(zhuǎn)軸淬火和自潤滑鋅基可更換轉(zhuǎn)軸套以滿足其耐磨損、易更換的要求；對于每一批項目要利用三維設(shè)計軟件確定轉(zhuǎn)軸中心線位置，讓模具始終處于最佳的開模狀態(tài)防止出現(xiàn)管片止水條槽處的啃邊現(xiàn)象，我公司制作的幾批模具未出現(xiàn)啃邊的情況。2）側(cè)模平移端模翻轉(zhuǎn)式該種結(jié)構(gòu)的特點是完全消除了側(cè)模開啟時可能造成的啃邊現(xiàn)象，側(cè)模垂直于管片側(cè)模移動滿足了最大的脫模角度。平移機構(gòu)的結(jié)構(gòu)復雜、安裝的難度大、成本高、側(cè)模的重量也會引起較大的增加。我公司在設(shè)計生產(chǎn)該類型模具時采用了導柱、導套加直線軸承的結(jié)構(gòu)：導柱和導套均采用滲碳淬火工藝表面硬度達到HRC60的要求，使用直線軸承達到了配合精度0.05mm實現(xiàn)了不使用定位銷即可完成側(cè)模與底模的定位要求，測試精度：模具開合1萬次側(cè)模定位精度降低0.1mm。設(shè)計使用側(cè)模分離器主要是克服側(cè)模在與管片分離的瞬間的大氣壓力和混凝土于管片模具的粘合力，由于有直線軸承的作用側(cè)模的運動流暢、自由。（3）端模固定側(cè)模平移或翻轉(zhuǎn)式。 采用該種模具的開合結(jié)構(gòu)方式是我公司在國內(nèi)最先使用，之所以采用此種方式是我公司的工程技術(shù)人員到混凝土管片生產(chǎn)現(xiàn)場處理管片模具端板關(guān)閉不嚴引起管片弧弦長尺寸變化的問題時提出優(yōu)化方案。我們發(fā)現(xiàn)模具在使用過程中，端模打開后由于端板與底模貼合面與豎直方向夾角很多，管片脫模后在清理過程中大量的混凝土殘渣會落在貼合面上合模后無法關(guān)嚴，同時也發(fā)現(xiàn)在施工過程中很難要求操作人員做到及時清理，日積月累情況更加嚴重。針對這種情況我們提出了采用端板與底模永久固定并在管片止水帶處增加一個活動鋼條，這樣即滿足了模具的端模位置的尺寸穩(wěn)定又保證管片脫模不受影響。綜上所述，這樣的開啟方式可以說是優(yōu)化組合式。廣州地鐵4號線工程的管片使用情況來看，這種設(shè)計是比較合理的，效果令人滿意。見圖3的模具組裝圖。圖3鋼模組裝圖 3.3高精度管片鋼模的制造 管片模具之所有制作難度這么大主要原因是其涉及到的學科廣、制作工藝流程復雜、過程控制嚴格細致。管片模具的制造涉及到結(jié)構(gòu)設(shè)計、管片模具剛性有限元分析、模具在震動力場下的震動能力的傳導特性、焊接結(jié)構(gòu)件制作、金屬熱處理、數(shù)控加工、鉗工裝配、混凝土制作工藝、生產(chǎn)現(xiàn)場的特定的使用環(huán)境等諸多方面。只要不斷的提高各工序的工藝制造水平和嚴格工藝紀錄，才能生產(chǎn)出應(yīng)用于不同形式的管片模具 3.3.1管片模具主體結(jié)構(gòu)設(shè)計 （1）管片模具剛性有限元分析、模具在震動力場下的震動能力的傳導特性(主要應(yīng)用于附著式振搗和整體震動臺中的混凝土流動的力學模型)，在這方面我公司已經(jīng)取得了一定的經(jīng)驗和積累。（2） 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計始終站在使用者的角度出發(fā)：操作簡單、使用方便、可靠性好，同時也要考慮到制造過程中的工藝性。持續(xù)改進、不斷優(yōu)化。3.3.2 焊接結(jié)構(gòu)的制作在模具底模、側(cè)模、端模的結(jié)構(gòu)制作中底模的制作難度是最大的，其制作精度和內(nèi)應(yīng)力的消除會直接影響到下序的數(shù)控加工和管片模具在使用過程中的性能。為此我們采用了數(shù)控下料、四輥軋機、高精度的拼裝模臺，滿足其弧面加工余量誤差控制在1mm以內(nèi)。 3.3.3數(shù)控加工工藝不斷創(chuàng)新高精度的管片模具需要數(shù)控銑床來保證，持續(xù)不斷的優(yōu)化數(shù)控機加工工藝方法。包括優(yōu)化工卡量具，滿足加工過程中精度和加工效率的要求。 3.3.4嚴格執(zhí)行流程控制、細節(jié)決定成敗想要生產(chǎn)出一套合格管片模具，就要制定一套嚴格的各工序的工藝制作流程，將ISO9001的質(zhì)量控制體系貫徹始終做到信息可反饋，質(zhì)量可跟蹤。細化各工序，編制作業(yè)指導書和驗收標準和方法，做到明確任務(wù)明確責任，對于客戶反映的信息不斷改進。細節(jié)決定成敗。 3.4高精度鋼筋混凝土管片鋼模的檢測高精度的鋼模必須要有高精度的測量工具和檢測手段，才能制造出符合質(zhì)量要求的一流鋼模。因此，只有改變過去的傳統(tǒng)檢測方法，采用高精度的樣板作為檢測工具，才能達到這一目的。設(shè)計和制造高精度的樣板，用以鋼模的制造過程及鋼模和管片的檢測。采用樣板法，可控制鋼模制造過程中的誤差，使裝配尺寸容易控制，提高了精度；還能使模芯定位更為精確，不再產(chǎn)生搖擺，使管片拼裝變得簡易。在鋼模檢驗及管片廠生產(chǎn)管片過程中，使鋼模的檢測變得更精確、直接和簡易。改變過去鋼模的弧長尺寸不能直接測量，只能由加工機床保證的老方法。確保了高精度鋼模的制造質(zhì)量。 高精度鋼模的測量方法，按以下的方法進行，見圖4。圖4測量示意圖 3.4.1鋼模寬度測量 在鋼模內(nèi)腔，按圖4中六點的位置測量寬度，使用內(nèi)徑千分尺直接測量。 3.4.2鋼模外徑和內(nèi)徑弧、弦長的測量 將測量樣板放入鋼模內(nèi)，插入檢查銷，固定好測量樣板，用塞尺測出樣板和鋼模端面的間隙，通過計算得出鋼模的弧、弦長。 3.4.3鋼模高度測量 使用深度千分尺量具直接測量 3.4.4縱向、環(huán)向芯棒中心距及芯棒孔距的測量 在鋼模內(nèi)調(diào)整測量樣板，插入檢查銷檢查。4 對于我公司開發(fā)盾構(gòu)管片模具過程中的經(jīng)驗總結(jié)可以這么說中國是一個制造大