盾構(gòu)隧道高精度鋼筋混凝土管片鋼模的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)
【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鋼模的型式，高精度管片鋼模的設(shè)計(jì)和制造工藝，以及鋼模的精度要求，鋼模的測(cè)量方法等。通過上海隧道工程股份有限公司機(jī)械廠生產(chǎn)的高精度管片鋼模，可以證明我國(guó)管片鋼模的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)已達(dá)到了世界先進(jìn)水平。
【關(guān)鍵詞】：隧道管片通縫和錯(cuò)縫拼裝高精度管片鋼模鋼模測(cè)量樣板
Abstract: This article introduces segment categories of shield driven tunnel lining, types of steel shuttering for casting high precision RC segment, steel shuttering design & manufacturing technology of high precision segments and fine tolerance requirements measurement methods for steel shutterings. In the light of steel shuttering manufacture of high precision segments by machinery plant under STEC, it could be proved that design and manufacturing technology for steel shuttering of segment casting has reached the international advanced level.
Keywords: tunnel segments， through joint and staggered joint segment erection， high precision steel shuttering for segment， measurement gauge for steel shuttering.
1 前言
近年來，我國(guó)城市中的地下建設(shè)正飛速發(fā)展，與國(guó)外大城市隧道建設(shè)相比，其規(guī)模和速度都是罕見的，采用盾構(gòu)法技術(shù)施工已在隧道建設(shè)中占了主導(dǎo)地位，盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的制造和施工技術(shù)也在不斷地發(fā)展。“鋼筋混凝土襯砌鋼模（以下簡(jiǎn)稱鋼模）”在盾構(gòu)法施工中是整個(gè)隧道工程質(zhì)量的主要關(guān)鍵技術(shù)之一。
我國(guó)引進(jìn)了日本隧道管片鋼模的先進(jìn)技術(shù)，上海隧道工程股份有限公司機(jī)械廠在大連路隧道工程的鋼模上獲得很大成功后，消化吸收了日本鋼模的技術(shù)，結(jié)合我國(guó)鋼模的生產(chǎn)實(shí)際，研制開發(fā)出新一代高精度管片鋼模，自行設(shè)計(jì)和制造了上海地鐵隧道、復(fù)興路隧道、天津地鐵隧道等管片鋼模，生產(chǎn)出了一批又一批國(guó)產(chǎn)的高精度精品鋼模。掌握了高精度鋼筋混凝土管片鋼模的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)。
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(xué)行為也不相同。所以，襯砌設(shè)計(jì)必須以對(duì)應(yīng)這些條件為原則。根據(jù)隧道的斷面形狀可分為圓形、橢圓形、矩形、復(fù)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(jì)。我國(guó)的地下隧道通常為單圓隧道，因此管片的型式大多為圓形的鋼筋混凝土管片。隨著我國(guó)第一臺(tái)雙圓盾構(gòu)在上海隧道機(jī)械廠誕生，雙圓型管片和鋼模也相繼制造成功。
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(fù)合管片和鋼筋混凝土管片等。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(duì)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。
2.2 圓形隧道的鋼筋混凝土管片
目前在我國(guó)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(biāo)準(zhǔn)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(cuò)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。
從管片的通縫和錯(cuò)縫兩種拼裝形式來看，各有各的優(yōu)缺點(diǎn)。通縫拼裝的優(yōu)點(diǎn)是：盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，管片拼裝機(jī)的操作較簡(jiǎn)單，每環(huán)管片的拼裝角度都相同，不需變換角度；盾構(gòu)中推進(jìn)千斤頂位置的布置較方便，而且長(zhǎng)行程千斤頂只需按封頂塊的大小來布置，數(shù)量較少。從通縫拼裝的受力情況分析，當(dāng)盾構(gòu)千斤頂?shù)捻斄ψ饔糜诠芷蠒r(shí)，如果管片的寬度差異較大，對(duì)于管片的受力也不會(huì)產(chǎn)生大的影響，在正常的頂力下，管片不會(huì)被頂壞。缺點(diǎn)是：從整個(gè)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(cuò)縫拼裝的管片優(yōu)點(diǎn)是整體受力情況好。但是，盾構(gòu)中管片拼裝機(jī)的操作較復(fù)雜；長(zhǎng)行程千斤頂?shù)臄?shù)量增多。當(dāng)盾構(gòu)千斤頂?shù)捻斄ψ饔糜诠芷蠒r(shí)，如果管片的寬度誤差較大，會(huì)使管片因受力不均引起應(yīng)力集中而導(dǎo)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 高精度鋼筋混凝土管片鋼模
目前，對(duì)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(cuò)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(jì)為錯(cuò)縫拼裝的管片。錯(cuò)縫拼裝需要高精度的管片，而高精度的管片是由高精度的鋼模來保證的。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，因此高精度的鋼模需求量也大幅上升。世界上生產(chǎn)鋼模的廠家不多，相比較日本鋼模的精度較高，堪稱世界一流。為了滿足不斷增長(zhǎng)的高精度鋼模需求，為了科技進(jìn)步和趕超世界先進(jìn)水平，上海隧道工程股份有限公司機(jī)械廠在大連路隧道管片鋼模的制造上率先引進(jìn)了日本的先進(jìn)技術(shù)，首次制造出了高精度精品鋼模。從大連路隧道工程的實(shí)際運(yùn)用情況可以證明，該管片鋼模達(dá)到了世界一流的先進(jìn)水平。上海隧道工程股份有限公司機(jī)械廠在上海大連路隧道管片鋼模的制造基礎(chǔ)上，消化吸收了日本鋼模的先進(jìn)技術(shù)，并在生產(chǎn)實(shí)踐中不斷探索、不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，研制開發(fā)出新一代高精度管片鋼模，使管片鋼模的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)有了一個(gè)新的飛躍，形成了自己的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。該廠自行設(shè)計(jì)和制造了上海地鐵隧道的高精度管片鋼模，獲得了很大成功。接著，他們又相繼設(shè)計(jì)和制造了上海復(fù)興路雙層隧道的帶牛腿的管片鋼模、天津地鐵隧道管片鋼模等國(guó)產(chǎn)高精度精品鋼模。同時(shí)他們還與日本都筑公司繼續(xù)合作，生產(chǎn)了上海地鐵雙圓隧道管片鋼模、廣州地鐵管片鋼模等，通過一系列高精度管片鋼模的設(shè)計(jì)制造，積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，掌握了具有世界先進(jìn)水平的、獨(dú)特的高精度管片鋼模的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，成為我國(guó)唯一的自行設(shè)計(jì)和制造高精度管片鋼模的生產(chǎn)企業(yè)。由于我國(guó)尚無(wú)高精度管片鋼模的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，為了使高精度管片鋼模的設(shè)計(jì)和制造標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，確保鋼模的制造質(zhì)量，該廠還編制了相應(yīng)的高精度鋼筋混凝土管片鋼模的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并通過了上海市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局的批準(zhǔn)，現(xiàn)已發(fā)布。
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(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。從表1中的數(shù)據(jù)可以看出，它的精度已相當(dāng)高，比老標(biāo)準(zhǔn)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。
3.2 高精度管片鋼模的設(shè)計(jì)
高精度管片鋼模的設(shè)計(jì)已形成多種流派：日本的、法國(guó)的、瑞士的、意大利的等等，各有特點(diǎn)。從國(guó)外的現(xiàn)狀看，鋼模振搗形式可分為兩大類型：人工插入式振搗和附著式整體振搗，需根據(jù)不同的振搗方式來設(shè)計(jì)不同形式的鋼模。歐洲的鋼模大多采用附著式整體振搗，而日本和上海的鋼模多為人工插入式振搗。附著式整體振搗的優(yōu)點(diǎn)是快速、省力，自動(dòng)化程度高。但開動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生高分貝的噪音，必須采取嚴(yán)格的隔音措施；且高能量振動(dòng)對(duì)鋼模的材料及強(qiáng)度和剛度要求很高，勢(shì)必要設(shè)計(jì)較笨重的鋼模，增加了鋼模的成本；由于整體振搗的能量極高，還將影響鋼模的使用壽命。人工插入式振搗方式降低了管片廠的設(shè)備、場(chǎng)地要求，可節(jié)省投資。而且只要通過簡(jiǎn)單培訓(xùn)，工人很快能掌握振搗技巧，并能人工控制每一處的振搗質(zhì)量，使管片質(zhì)量穩(wěn)定；還可減輕鋼模的重量，節(jié)省鋼材，同時(shí)能增加鋼模的使用壽命。日本鋼模和上海鋼模主要采用了人工插入式振搗方式。
鋼模的結(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。鋼模的設(shè)計(jì)主要是圍繞三大件的設(shè)計(jì)。從三大件的設(shè)計(jì)著手，需考慮它們的定位方式和開啟方式等。端、側(cè)板的開啟方式有多種：有采用底座弧面少量變形方式開啟的端板；有采用鉸鏈翻合式開啟的端、側(cè)板；有采用滾輪式平移開啟的端、側(cè)板。有采用鉸鏈翻合式開啟的端板和采用滾輪式平移開啟的側(cè)板相結(jié)合的方式。現(xiàn)分析一下鉸鏈翻合式開啟和滾輪平移式開啟的優(yōu)缺點(diǎn)：
（1） 從鋼模的端、側(cè)板的定位精度分析：鉸鏈翻合式開啟的端、側(cè)板在底座上的定位為固定定位，它的重復(fù)定位誤差取決于鉸鏈上銷孔的配合精度，而滾輪平移式開啟的端、側(cè)板在底座上的定位采用圓錐銷孔定位。定位不固定，故它的軸向定位精度沒有鉸鏈?zhǔn)降亩ㄎ痪雀摺?BR> （2） 從鋼模的脫摸情況來看，鉸鏈翻合式開模時(shí)，因?yàn)橛幸粋€(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，如果脫模斜度不夠，容易造成混凝土管片止水條槽處的啃邊現(xiàn)象。滾輪平移式開啟的端、側(cè)板開模時(shí)，由于是平開式就不會(huì)造成管片啃邊，而且開模后側(cè)板與底座間的空隙較大，管片起模時(shí)操作方便。
（3） 從開合鋼模的操作上看，滾輪平移式與鉸鏈翻合式相比，操作簡(jiǎn)便、省力，可降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率。
（4） 端板為鉸鏈開啟、側(cè)板為滾輪式平移開啟的兩種不同開啟方式相結(jié)合的方法。它們的優(yōu)點(diǎn)是：由于端板與垂直方向成一斜角，采用鉸鏈翻合式開啟鋼模時(shí)，對(duì)管片止水槽處的脫模斜度影響很小，不會(huì)造成管片的損壞；況且端板的體積和重量都不是很大，開啟和閉合不會(huì)太費(fèi)力。并且，鉸鏈?zhǔn)降陌惭b精度和定位精度比較高，而且安裝時(shí)定位較方便。對(duì)于側(cè)板，由于側(cè)板的體積和重量比較大，為了減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，便于操作，又由于側(cè)板與底座的夾角成直角，如采用鉸鏈?zhǔn)介_啟，受鉸鏈開啟轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角度影響，容易造成砼“啃邊”而損壞管片，故采用滾輪平移式的開啟方式。綜上所述，這樣的開啟方式可以說是優(yōu)化組合式。從大連路隧道鋼模和上海地鐵鋼模的使用情況來看，這種設(shè)計(jì)是比較合理的，效果令人滿意。見圖3的鋼模組裝圖。
3.3 高精度鋼筋混凝土管片鋼模的制造
制造高精度的鋼筋混凝土管片鋼模，關(guān)鍵在于先進(jìn)的制造工藝。必須摒棄傳統(tǒng)的制造工藝，采用先進(jìn)的結(jié)構(gòu)件工藝、金加工工藝和裝配工藝，才能制造出國(guó)產(chǎn)的精品鋼模。
3.3.1 采用先進(jìn)的結(jié)構(gòu)件工藝
（1） 按傳統(tǒng)的工藝，結(jié)構(gòu)件成型后，必定要先退火，消除內(nèi)應(yīng)力，再進(jìn)行機(jī)加工。上海大連路隧道的管片鋼模首創(chuàng)了結(jié)構(gòu)件不退火工藝，降低了成本、提高了經(jīng)濟(jì)效益。采用不退火工藝，必須要減少結(jié)構(gòu)件成型后內(nèi)應(yīng)力的積聚，需設(shè)計(jì)合理的焊縫形式和焊縫位置；從結(jié)構(gòu)件的放樣、下料到裝搭成型，都應(yīng)嚴(yán)格按照工藝要求執(zhí)行，以減少結(jié)構(gòu)件的焊接變形。
（2） 在保證鋼模的加工精度前提下，取消某些面的金加工，以取得事半功倍的效果。如底座的弧面加工，有采用金加工的；也有結(jié)構(gòu)件一次成型，不采用金加工的。但取消了弧面的金加工后，必須提高結(jié)構(gòu)件的精度，弧面的面輪廓度須控制在1mm以下，因此需設(shè)計(jì)制造結(jié)構(gòu)件的制作胎架和測(cè)量樣板，制定控制結(jié)構(gòu)件焊接變形的措施等。
3.3.2 采用先進(jìn)的金加工工藝，以確保鋼模的高精度
高精度鋼模的金加工也完全不同于傳統(tǒng)的加工方法，采用了最先進(jìn)的高精度設(shè)備和計(jì)算機(jī)編程，保證了鋼模零部件的高加工精度。底座、側(cè)板和端板三大件的金加工，由于采用了數(shù)控加工中心，都是通過計(jì)算機(jī)編程來加工的，因此精度相當(dāng)高，為鋼模的裝配提供了保證。
3.3.3 有了高精度的零部件，還需確保高質(zhì)量的裝配精度
設(shè)計(jì)和制造高精度的安裝模具，制定一套先進(jìn)的安裝工藝，是制造高精度鋼模必不可少的。鋼模的三大件全部采用在模具上定位，使定位精確度大大提高，而且簡(jiǎn)化了裝配工藝，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。同時(shí)，在鋼模的裝配過程中，采用高精度的測(cè)量模板，保證了高精度鋼模的裝配質(zhì)量。
3.4 高精度鋼筋混凝土管片鋼模的檢測(cè)
高精度的鋼模必須要有高精度的測(cè)量工具和檢測(cè)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(cè)方法，采用高精度的樣板作為檢測(cè)工具，才能達(dá)到這一目的。設(shè)計(jì)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(cè)。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(jiǎn)易。在鋼模檢驗(yàn)及管片廠生產(chǎn)管片過程中，使鋼模的檢測(cè)變得更精確、直接和簡(jiǎn)易。改變過去鋼模的弧長(zhǎng)尺寸不能直接測(cè)量，只能由加工機(jī)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(cè)量方法，按以下的方法進(jìn)行，見圖4。
圖4 測(cè)量示意圖
3.4.1 鋼模寬度測(cè)量
在鋼模內(nèi)腔，按圖4中六點(diǎn)的位置測(cè)量寬度，使用內(nèi)徑千分尺直接測(cè)量。
3.4.2 鋼模外徑和內(nèi)徑弧、弦長(zhǎng)的測(cè)量
將測(cè)量樣板放入鋼模內(nèi)，插入檢查銷，固定好測(cè)量樣板，用塞尺測(cè)出樣板和鋼模端面的間隙，通過計(jì)算得出鋼模的弧、弦長(zhǎng)。
3.4.3 鋼模高度測(cè)量
使用深度千分尺量具直接測(cè)量
3.4.4 縱向、環(huán)向芯棒中心距及芯棒孔距的測(cè)量
在鋼模內(nèi)調(diào)整測(cè)量樣板，插入檢查銷檢查。
4 結(jié)語(yǔ)
從以上的介紹中可以看出，我國(guó)完全有能力自己設(shè)計(jì)和制造國(guó)產(chǎn)的精品鋼模。按照我國(guó)近年來地下建設(shè)的發(fā)展速度，鋼模的需求量將大大增加。因此，如果全部采用國(guó)產(chǎn)的鋼模，每年可節(jié)約大量外匯，獲得巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。望鋼模的生產(chǎn)企業(yè)再接再厲，不斷創(chuàng)新，望能在祖國(guó)的神州大地上看到越來越多的國(guó)產(chǎn)精品鋼模。
新聞來源：《城市交通隧道工程最新技術(shù)》
