盾構管片模具的選型研究

蒲青松，管會生

(1.中鐵五局有限公司，湖南長沙410000;2西南交通大學機械學院，四川成都610031)

盾構隧道是由盾構機在地下一邊掘進一邊拼裝襯砌管片而形成的，因此盾構隧道的質(zhì)量由盾構的掘進控制，管片拼裝質(zhì)量兩大要素決定。管片的生產(chǎn)質(zhì)量直接影響管片拼裝質(zhì)量以及成型后隧道的結構性能、防水性能和耐久性。影響管片生產(chǎn)質(zhì)量的最主要因素是管片模具(即鋼模)。鋼模是管片制作的重要設備，是管片尺寸精度的具體保證，可以說它是管片質(zhì)量成敗的關鍵。

鋼模的選型首先要弄清鋼模的結構、振搗形式、脫模形式、精度要求，其次是要了解制造商情況、鋼模的造價、生產(chǎn)制造周期和使用壽命等。

1 鋼模的基本結構形式

鋼模一般由底座、兩個側板、兩個端板、上蓋板、模芯和其它輔助件組成(見圖1)。底座、側板、端板構成了管片的表面形狀，它們的制造加工精度和脫模方式直接影響管片的精度。

圖1 管片鋼模結構示意

管片在鋼模中澆筑成型后，當混凝土達到規(guī)定強度時就可以脫模了。鋼模的脫模形式有鉸鏈翻合開啟脫模和滾輪平移開啟脫模兩種。有單獨使用其中一種，也有采用鉸鏈翻合式開啟端板和滾輪式平移開啟側板相結合的方式(見圖2)。

圖2 CBE公司管片模具

2 鋼模的振搗形式選擇

將混凝土注入鋼模后通常需要將一定振頻、振幅的激振力傳遞給混凝土，使骨料顆粒和水泥漿在鋼模中重新排列和充分的填充，形成致密的混凝土。鋼模的結構和振動方式?jīng)Q定了鋼模振動密實的效果和效率。鋼模的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。每一種模具都有著各自的優(yōu)缺點，要根據(jù)不同的振搗方式進行模具設計;也需要用戶根據(jù)實際需求和生產(chǎn)條件進行選擇。

人工插入式振搗由人工操作，通過一個管狀的振搗棒插入到混凝土中，使混凝土密實。人工插入式具有管模價格低、配套設施少等優(yōu)點;缺點是勞動強度大、生產(chǎn)效率低、管片外觀和內(nèi)在質(zhì)量不穩(wěn)定，只適合于小批量管片生產(chǎn)的項目。

附著式整體振搗是把振動器直接固定在鋼模的外表面。一般采用把振動器固定在底座頂弧面的內(nèi)表面，振動能可通過鋼結構件傳遞到混凝土，使之密實。優(yōu)點是生產(chǎn)效率較高、管片質(zhì)量穩(wěn)定;缺點是震動器噪音大、混凝土配合比要求高;而且管模強度不足容易造成變形，影響管模壽命。

在成本和效率方面，兩種振搗方式明顯不同。人工振搗式鋼模價格較低，生產(chǎn)效率也略低，一般每天可生產(chǎn)2～3環(huán);附著振搗式模具價格略高，比人工振搗式鋼模約高7～8萬元人民幣，但生產(chǎn)率高，每生產(chǎn)一塊管片，振搗時間僅為人工插入式的1/3。

震動臺自動化生產(chǎn)線是把鋼模安置在一個能固定鋼模的振動平臺上，該平臺由彈簧或空氣氣囊支撐。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、鋼筋籠吊裝、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)效率高等方面的優(yōu)點;采購方可選用封閉式澆筑、振搗以降低噪音污染。缺點是投資大、管片廠籌建周期長、管模周轉運動容易造成管模變形。另外由于現(xiàn)階段流水線廠家不夠成熟，振動臺和驅動裝置容易出現(xiàn)故障從而影響實際使用的效率。

3 質(zhì)量精度要求

管片鋼模與普通的模具有明顯差別，其技術要求主要有高精度性、堅固耐久性、易于操作性三方面。高精度鋼模的精度要求有鋼模寬度、鋼模高度、鋼模內(nèi)外徑弧弦長、縱向環(huán)向芯棒中心距、縱向環(huán)向芯棒孔徑等五項檢測指標。

根據(jù)上海市企業(yè)標準《高精度鋼筋混凝土管片鋼模》(QPSAE－22－2003)中的精度要求，對于外徑D≤11.0 m盾構鋼模，鋼模寬度允差±0.25 mm;鋼模高度允差0～+2 mm;鋼模內(nèi)外徑弧、弦長允差±0.35 mm;縱向、環(huán)向芯棒中心距允差±0.3;縱向、環(huán)向芯棒孔徑允差±0.1，并在使用中經(jīng)常維修、保養(yǎng)。

4 管片鋼模主要制造商狀況

進行鋼模的選型應首先考慮國內(nèi)外鋼模制造商的技術水平，生產(chǎn)能力，鋼模質(zhì)量、壽命、成本價格和交貨周期等因素。

國外高精度鋼模技術較先進的國家有日本、法國、瑞士、意大利等，并已形成多種流派。歐洲的鋼模大多采用附著式整體振搗和振動臺整體振搗，而日本為人工插入式振搗。目前在我國國內(nèi)可提供盾構管片鋼模的制造商主要有法國CBE(圖2)，上海隧道股份，河北眾鑫源，杭州鐵牛和德國海瑞克。此外還有北京首鋼機電有限公司，江蘇銀旭隧道機械有限公司和深圳市華森機電技術有限公司也能提供管片自動化生產(chǎn)線。

4.1 管片模具廠家的生產(chǎn)能力、技術水平評價

從各管片鋼模生產(chǎn)廠家的生產(chǎn)能力、技術水平和近年業(yè)績上看，競爭實力較強的有法國CBE、上海隧道股份、河北眾鑫源、杭州鐵牛公司和海瑞克公司。法國CBE和海瑞克公司是國外廠家，在中國國內(nèi)設有獨資廠，在鋼模制造上設計理念先進、裝備精良、制造加工精度高、質(zhì)量可靠。其中法國CBE在鋼模制造上最為專業(yè)，也是世界上最大的模具制造商，主要生產(chǎn)附著式整體振搗和振動臺整體振搗鋼模，可提供管片生產(chǎn)自動流水線，同時提供管片生產(chǎn)的配套設備，包括:提取設備、真空吸盤、混凝土管片夾具、吊裝工具、反轉架、運輸移動設備。上海隧道股份在國內(nèi)目前市場占有率最高，約占60% ～70%，已生產(chǎn)鋼模600余套，鋼模質(zhì)量精度較高，以手工插入式振搗方式為主。河北眾鑫源是近年來發(fā)展比較快的民營企業(yè)，主要生產(chǎn)附著振搗式鋼模，近年業(yè)績增長較快。杭州鐵牛是臺灣技術，可提供人工振搗式和附著振搗式兩種模具，有多年管模制造經(jīng)驗。

4.2 國內(nèi)生產(chǎn)廠家的鋼模制造成本和生產(chǎn)周期

目前國內(nèi)采用盾構法修建地鐵的城市均在城市附近修建了盾構管片生產(chǎn)廠，所有的管片生產(chǎn)廠家在生產(chǎn)第一批管片的時候均采用新購的管片鋼模，并且每套管片鋼模均有一定的生產(chǎn)使用壽命(一般壽命在3 000套左右)，6.0 m直徑的鋼模每套價格為60～80萬元人民幣，生產(chǎn)周期一般為3月。

管片鋼模的制造成本主要由以下幾部分組成:工裝設備費，鋼材用鋼量，圖紙設計費，材料加工費，批量大小(成本攤銷)。鋼模類型不同、使用振搗方式不同價格也不一樣。一般附著振搗式模具價格略高，管片外徑為6 000 mm時，每套地鐵標準鋼模價格在75～77萬元人民幣，而人工插入式振搗鋼模價格約在68～70萬元人民幣。當管片外徑增大到6 700 mm時，鋼模造價會隨之增加，根據(jù)廠家估算每套鋼模造價會比6 000 mm直徑鋼模增加3～5萬元人民幣，最高在78～82萬元人民幣之間。直徑9 800 mm的鋼模價格約130～140萬元人民幣。直徑不同鋼模價格如表1所示。

表1 不同直徑鋼模價格(萬元人民幣)

模具的生產(chǎn)周期一般2個半到3個月，管片直徑增大到6700 mm，鋼模交貨時間要增加15～25天，主要是圖紙設計需要時間。

國內(nèi)管片鋼模生產(chǎn)廠家相關情況如表2所示。

表2 國內(nèi)管片鋼模生產(chǎn)廠家進行調(diào)研情況

5 鋼模選型應考慮的事項

(1)從管片廠投資角度看，人工插入式振搗鋼模對場地、管片廠的設備要求不高，可節(jié)省投資;附著式振動器振搗自動化化程度高，振動效率高，振動質(zhì)量穩(wěn)定，省工，省力，省時，由于對鋼模強度、剛度要求高，所以價格稍高。振動臺整體振搗由于在生產(chǎn)中，模具頻繁吊運，機械投入大。

(2)從生產(chǎn)效率上看，人工振搗式鋼模生產(chǎn)效率略低，一般每天可生產(chǎn)2～3環(huán)，而附著振搗式鋼模生產(chǎn)率較高，最高每天可生產(chǎn)4環(huán)。

(3)從鋼模使用壽命上看，人工插入式振搗，對鋼模本身振動影響小，模具使用壽命長;附著式振動器振搗對鋼模自身的剛度要求高，與振動器連接的結構件容易開焊開裂，模具使用壽命短。振動臺整體振搗與附著式振動器振搗類似，但對鋼模的危害低于附著式振搗器。

管片的脫模必須符合脫模斜度的要求。根據(jù)混凝土構件的脫模經(jīng)驗，管片的脫模斜度一般需達到3°以上，鋼模的設計也必須符合這一要求，否則容易造成混凝土“啃邊”而損壞管片［2］。

［1］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):19－20

［2］王佩明.隧道鋼筋混凝土管片鋼模的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.西部探礦工程，2005(5):101－102

［3］程建軍，時洪光.盾構法隧道襯砌管片模具技術研究［J］.機械制造技術.2011(2):77－80