類矩形砼管片鋼模的設計與制造

杜銀星 王守友 襲衛(wèi)兵

摘 要：類矩形砼管片是適應類矩形隧道的一種結構特殊的管片類型，不同于常規(guī)的圓環(huán)型管片，類矩形砼管片拼裝后斷面呈橢圓形，其為適應雙線通車的要求，直徑多在10 m以上，屬于超大直徑砼管片。相應的其砼鋼模也是屬于超大直徑鋼模。超大直徑鋼模的設計及制造在國內是不多見的，本文從結構設計和工藝制造的層面，分析下類矩形砼鋼模的設計要點和制造要點，為同類產品的設計制造提供參考和借鑒。

關鍵詞：類矩形片;鋼模;底模;側模;端模;蓋板

中圖分類號：U455 文獻標識碼：A 文章編號：2096-6903（2022）02-0032-03

0引言

目前，盾構法隧道絕大多數(shù)設計為圓形，其主要源于隧道結構受力合理、盾構機設備開挖面切削全面、拼裝施工工藝簡便等優(yōu)點，但圓形盾構隧道存在斷面空間利用率低的弱點。矩形斷面與圓形斷面相比，其有效使用面積比圓形增大20%以上，且可大大減小隧道覆土[1]。此外，在滿足相同凈空要求的情況下，矩形隧道較圓形隧道所需的覆土厚度小，進而相同坡度的矩形隧道與地面的接線段長度也相應減小。

1管片結構特點和精度要求分析

類矩形砼管片每環(huán)由B1、B2、B3、C1、C2、C3、T1、T2、F和L塊等10塊組成，管片寬1 200 mm，厚450 mm。如圖1所示。其中T1、T2塊具有圖臺結構的多邊性異形結構。其他各塊為整個橢圓圓弧下的各分段結構。單塊尺寸精度要求寬度±0.4 mm;弧長±1 mm，管片外徑（0/+2 mm），內半徑（0/+2 mm）。

為適應類矩形砼管片，相應的鋼模也必須適應管片特征，具有相應的異形結構。一套完整的管片鋼模一般由一組底模、兩組端模、兩組側模、一套蓋板、一組適應流水線生產的運載小車組成。限于篇幅所限，本文僅對類矩形模具的典型T塊模具的底、側、端模及蓋板結構為例，在整體結構設計和制造工藝性層面，闡述類矩形砼鋼模的設計要點和結構制造要點。

2底模結構及制造工藝設計

底模是整套鋼模的基礎，承載所有載荷，并且其側模、端模都是布置在底模上，利用底模的框架支撐下圍攏成管片型腔[2]。對具有獨特結構的類矩形模具而言，因其分塊后并非同簡單的整圓結構，而是各不相同的分段橢圓弧結構。結構設計要重復考慮制作工藝性。以下以典型的T塊底模為例分析其結構設計制造工藝特點。T塊結構如圖2所示。

對T塊而言，制造底模需要將面板設計成和T塊的凸起形狀一致的結構形式。設計要點是結構強度和尺寸精度確保。按圖2所示底模由面板件4、腹板件5、平移支架件3和各種加強筋板組成。

為保證側模和底模精準定位，在底模的加工板上預留緊固定位孔1，解決側模和底模的重復精準定位問題，需要在側模和底模間用錐形緊固定位結構確保相互裝配位置。因底模結構較長，設計成三點緊固定位方式。側模采用平移方式開模，平移支架盡量設計成大檔距形式。面板件4的凹塊部分面板采用拼接成型，且接縫處采用坡口熔透焊接。腹板件5設計時要重復考慮整體形式，兩側成翼形分布，以便振搗力的傳遞和整體結構穩(wěn)定性，中間部位開>500 mm×500 mm的入孔，即可減重，可以便于人員進入底模內部操作維修。因面板的異形結構，及精準的尺寸要求，腹板下料時可以在底部邊線及上部異形邊線處留5 mm的加工余量，后轉數(shù)控機床整體機加確保外形尺寸，如此，即可精準確保底模整體中心高度，又可以確保面板的組對夾角β。

面板與腹板及各筋板之間焊接可采用雙面交錯斷續(xù)焊接，焊接100 mm隔100 mm的焊縫形式，焊角宜控制在8 mm左右，以減少焊接變形。各加工板和腹板之間采用連續(xù)角焊縫，焊角宜控制在10 mm左右，且加工板要和面板頂磨光頂緊，這樣可以利用加工板的結構頂緊結構增強面板的結構剛性。整體結構焊后可采用振動時效處理，消除內應力。

3側模結構及制造工藝設計

側模需要加工出和需要的管片結構相一致的型腔結構，且為保證整體剛度和強度，側模面板加工后最小板厚應控制在15 mm以上。側模結構如圖3所示。

限于類矩形模具的特殊結構，模具制造時也要制造和砼管片相一致的型腔結構。側模結構設計要考慮整體剛性和強度。側模是布置緊固定位機構最多的部位。因類矩形模具屬于超大直徑模具，分塊模具尺寸較長，故設計的緊固裝置多達5處，緊固定位裝置考慮到最大效用原則，采用兩點定位方式。

為增加整體剛性，采用三層環(huán)筋布置形式。緊固點兩側的縱筋應采用通長設計，環(huán)筋和縱筋的寬度取150 mm左右。整體結構制造時，面板外弧半徑加5 mm加工余量，切面板要控制整體下料平整度≤1 mm，組對時，要設計整體組對基準中線，并用樣沖打點標記，作為整體機械加工和裝配的參考基準線。為避免過大的應力集中，側模各筋板焊接焊縫盡量避免集中焊接，可采用雙面交錯焊縫，焊50 mm間隔100 m，焊角10 mm左右。側模整體焊接時要注意采用兩組側模面板臨時固定方式焊接，以抵消整體焊接變形，焊后要采用整體火焰修整的工藝，控制焊后板面平整度≤1 mm。最終還要進行整體退火處理，以充分消除焊接內應力。整體機械加工時，必須采用數(shù)控機床加工，且要合理設計裝卡點，必要時設計裝夾專用工裝，制定合理的加工工藝，在最終成型的加工工序前，應設計釋放切削應力的機加工序，以避免加工后的切削應力變形[3]。

總體而言，側模是模具結構中結構最為復雜，機械加工量最大的部位。設計側模不僅要考慮整體結構，更要考慮加工的工藝性。

4端模結構及制造工藝設計

類矩形模具的端模結構和普通模具的端模結構類似，相對底模和側模結構簡單，且都為平直結構。端模結構形式如圖4所示。

端模結構主要由面板和筋板組成。由于端模要做成鉸接開合結構，所以需要預留開合絲桿底座位置，端模需要用緊固定位結構和底模連接，緊固定位孔處要增加加工板，防止因緊固導致端模變形。開合絲桿處要增加開合絲桿底座，開合絲桿底座處也要考慮增加加工板，端模整體加工時，將這些加工墊板一并機加。防止這些緊固點把合后導致模具面板變形。此外，端模結構設計要考慮緊固定位安裝空間問題，要便于焊接操作。

5蓋板及其支架結構及制造工藝設計

（1）類矩形模具的蓋板首先要考慮兩方面：落料口的開口尺寸和開口的位置。T塊模具因其底模有凹槽結構，預制砼投料時要充分考慮其布料的流暢性和均勻性問題。如果投料口正對準凹槽中部，可能造成兩側布料不均，如果落料口遠離凹槽，也會造成凹槽底部容易處出現(xiàn)澆不實的缺陷。故此，蓋板落料口中心位置設計在凹槽和弧形交錯線位置為佳。另一方面，類矩形模具的T塊尺寸應按超大直徑模具考慮，開口尺寸要放大至900 mm左右，既可以滿足生產線生產節(jié)奏，又能便于人工輔助振搗棒現(xiàn)場補充操作。

類矩形模具的蓋板結構設計要考慮輕量化要求，通過合理的筋板布置結構增強其鋼性。具體結構形式如圖5所示。

蓋板結構由面板、密封邊框、筋板和緊固點和緊固定位點組成。面板使用后要求和側模、端模的頂部邊框密閉配合，防止漏漿，且面板整體弧度要和模具的側?；《纫恢?。邊框的作用是整體框架和鑲嵌密封條，筋板的作用是增加整體剛性，緊固點的作用是壓緊蓋板，緊固定位點作用是控制蓋板重復使用位置準確性，防止密封邊框和側端模頂部邊框偏差導致的密封時效。并且，緊固定位點要選擇在蓋板端部位置，全部的緊固點位置要注意避免和側模、端模的筋板干涉。蓋板因其自身不屬于受力部件，且要求的弧度精度較高，必須控制整體弧度偏差≤1 mm范圍內，焊縫設計要避免過度的應力集中，采用點焊和交錯斷續(xù)焊接即可，各筋板和面板之間焊10 mm間隔100 mm的交錯焊，邊框和面板間焊縫采用焊50 mm間隔100 mm的交錯焊縫即可滿足使用要求。

整體制造工藝采用專用弧度工裝制造，先將面板整體卷圓成型，鋪設在弧度工裝上，并按各個尺寸整體放樣，再裁剪面板成型。之后將面板臨時鋪設在工裝上，整體按圖紙放樣劃線，在組對其他各筋板和邊框即可成型。制造時要嚴格控制焊接變形，防止蓋板整體從工裝上出胎后二次變形。

蓋板在砼管片生產線上，屬于高頻度操作部件，要符合輕量化要，整體重量控制在180 kg以下。

（2）蓋板支架主要用于支撐蓋板，使蓋板便于操作，綜合考慮現(xiàn)場使用，蓋板采用繞支架翻轉形式操作，利用扭簧助力，使蓋板便于操作。故此蓋板支架設計主要考慮以下幾方面：蓋板翻轉操作空間、整體高度和蓋板整體位置。

蓋板支架多用型鋼制造，并采用連接轉臂和蓋板連接。形成鉸鏈翻轉結構。助力扭簧放置在型鋼槽內，即可節(jié)省空間，又能避免扭簧意外斷裂事故發(fā)生。且蓋板支架的整體位置不得超出模具運輸小車整體范圍，避免在砼管片生產線上和其他部件干涉。

6結語

類矩形模具不同于普通模具，具有多弧度，大直徑和整體異形的特點。本文僅僅對其典型的T塊模具結構設計和工藝設計兩方面進行了分析和介紹?？傊?，類矩形模具不同于普通管片模具，在結構設計、工藝設計和質量檢測方面都有其獨特特點：

（1）結構異形，其各分塊為橢圓型，且模具弧度為多弧交叉結構，需要的精度較常規(guī)模具高。

（2）尺寸超大，襯砌環(huán)總體為橢圓結構，達11 500 mm× 6 397 mm。其預制的砼模具屬于超大直徑管片模具，其制造難度和制造工藝相對復雜。

（3）各分塊模具形式多樣，制造時需要兼顧整體結構剛性和整體加工工藝性，需要制造專用的組對工裝和機械加工工裝。

（4）類矩形模具整體合模后的整體精度是基于各部件的高精度，必須且結構異形，如典型的T塊模具具有凹缺結構，這就要求設計專用的檢查樣板。

（5）為保證整體模具精度需要引入三維激光掃描檢測技術，對整體型腔尺寸和底、側、端模的分體尺寸進行三維模擬成像檢查，及時發(fā)現(xiàn)加工制造缺陷和整體裝配缺陷，從而提高整體鋼模質量。

（6）該種類矩形模具的結構及其制造方法已獲得發(fā)明專利授權，專利名稱：《一種超大直徑類矩形砼鋼模結構及其制造方法》，申請（專利）號：CN201811274232.0授權公布號：CN109203214B。

參考文獻

[1] 李培楠，黃德中，朱雁飛，等.類矩形盾構法隧道在寧波軌道交通建設中應用[J].中國市政工程，2016（S1）：34-36+41+115.

[2] 虞祖藝.盾構法隧道襯砌管片鋼模的設計[J].上海建設科技， 2007（5）：15-18.

[3] 杜銀星，襲衛(wèi)兵.維激光掃描測量管片鋼模精度分析[J].中國高新技術企業(yè)，2017（7）：103-104.

Design and Manufacture of Steel Mould for Rectangular Concrete Segments

DU Yinxing， WANG Shouyou， XI Weibing

（Qinhuangdao Tianye Tonglian Heavy Industry Technology Co.， Ltd. Hebei Heavy Equipment Engineering Technology Research Center， Qinhuangdao? Hebei? 066004）

Abstract： Rectangle-like concrete segment is a type of segment with special structure suitable for rectangular-like tunnels. It is different from the conventional ring-shaped segment. After assembly， the cross-section of the segmental rectangular concrete segment is elliptical， which is suitable for two-lane opening to traffic. The diameter is more than 10 meters， which belongs to the super-large diameter concrete segment. Correspondingly， its concrete steel mold is also a super large diameter steel mold. The design and manufacture of super-large diameter steel molds are rare in China. This article analyzes the design and manufacturing points of the rectangular concrete steel molds from the structural design and process manufacturing levels， and provides references and references for the design and manufacture of similar products.

Keywords： rectangular-like sheet; steel mold; bottom mold; side mold; end mold; cover plate

收稿日期：2021-12-15

作者簡介：杜銀星（1978—），男，河北秦皇島人，本科， 高級工程師，研究方向：建筑工程機械。