盾构隧道高精度钢筋混凝土管片钢模的设计和制造技术
【提 要】：本文介绍了盾构隧道管片的型式，高精度钢筋混凝土管片钢模的型式，高精度管片钢模的设计和制造工艺，以及钢模的精度要求，钢模的测量方法等。通过上海隧道工程股份有限公司机械厂生产的高精度管片钢模，可以证明我国管片钢模的设计和制造技术已达到了世界先进水平。
【关键词】：隧道管片通缝和错缝拼装高精度管片钢模钢模测量样板
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
近年来，我国城市中的地下建设正飞速发展，与国外大城市隧道建设相比，其规模和速度都是罕见的，采用盾构法技术施工已在隧道建设中占了主导地位，盾构掘进机的制造和施工技术也在不断地发展。“钢筋混凝土衬砌钢模（以下简称钢模）”在盾构法施工中是整个隧道工程质量的主要关键技术之一。
我国引进了日本隧道管片钢模的先进技术，上海隧道工程股份有限公司机械厂在大连路隧道工程的钢模上获得很大成功后，消化吸收了日本钢模的技术，结合我国钢模的生产实际，研制开发出新一代高精度管片钢模，自行设计和制造了上海地铁隧道、复兴路隧道、天津地铁隧道等管片钢模，生产出了一批又一批国产的高精度精品钢模。掌握了高精度钢筋混凝土管片钢模的设计和制造技术。
2 隧道管片的型式
在盾构隧道中，由于隧道的断面形状、施工方法等的不同，其力学行为也不相同。所以，衬砌设计必须以对应这些条件为原则。根据隧道的断面形状可分为圆形、椭圆形、矩形、复圆形等多种断面，那么管片的形状也就根据各种断面的形状来设计。我国的地下隧道通常为单圆隧道，因此管片的型式大多为圆形的钢筋混凝土管片。随着我国第一台双圆盾构在上海隧道机械厂诞生，双圆型管片和钢模也相继制造成功。
2.1 隧道管片的分类
隧道管片按制作的材料不同还可分为钢制管片、铸铁制管片、复合管片和钢筋混凝土管片等。按直线段隧道和曲线段隧道的需要，管片可分为直线段管片和曲线段管片，曲线段管片又分为左曲管片和右曲管片。另外，还有既能用于直线段又能用于曲线段的通用管片，通过对通用管片的有序旋转，可完成直线段和不同半径的曲线段以及空间曲线段的拼装。
2.2 圆形隧道的钢筋混凝土管片
目前在我国的盾构法隧道中，管片的型式以圆形的钢筋混凝土管片为主。圆形管片的分块数：圆形管片一般是根据隧道的直径大小来分块，可分为4块～8块。按照管片在隧道内的位置，我们将它们分别取名为：标准块（B）、拱底块(G)、邻接块(L1,L2)、封顶块(F)。
2.3 管片的拼装形式
管片的拼装形式：可分为通缝拼装（图1）和错缝拼装（图2）以及通用管片的拼装。按封顶块的插入形式又可分为沿径向插入型和沿轴向插入型。
从管片的通缝和错缝两种拼装形式来看，各有各的优缺点。通缝拼装的优点是：盾构掘进时，管片拼装机的操作较简单，每环管片的拼装角度都相同，不需变换角度；盾构中推进千斤顶位置的布置较方便，而且长行程千斤顶只需按封顶块的大小来布置，数量较少。从通缝拼装的受力情况分析，当盾构千斤顶的顶力作用于管片上时，如果管片的宽度差异较大，对于管片的受力也不会产生大的影响，在正常的顶力下，管片不会被顶坏。缺点是：从整个隧道的受力情况分析，通缝拼装的管片成环后的整体受力情况不是最好。
错缝拼装的管片优点是整体受力情况好。但是，盾构中管片拼装机的操作较复杂；长行程千斤顶的数量增多。当盾构千斤顶的顶力作用于管片上时，如果管片的宽度误差较大，会使管片因受力不均引起应力集中而导致被顶坏。因此要避免管片被顶坏，必须提高管片的精度要求，特别是管片的宽度精度要求大大提高。
3 高精度钢筋混凝土管片钢模
目前，对于成型后隧道的结构性能、防水性能和耐久性的要求越来越高，由于错缝拼装的管片整体受力情况好，故越来越多的隧道衬砌设计为错缝拼装的管片。错缝拼装需要高精度的管片，而高精度的管片是由高精度的钢模来保证的。随着隧道工程的快速发展，高精度的管片需求量大大增加，因此高精度的钢模需求量也大幅上升。世界上生产钢模的厂家不多，相比较日本钢模的精度较高，堪称世界一流。为了满足不断增长的高精度钢模需求，为了科技进步和赶超世界先进水平，上海隧道工程股份有限公司机械厂在大连路隧道管片钢模的制造上率先引进了日本的先进技术，首次制造出了高精度精品钢模。从大连路隧道工程的实际运用情况可以证明，该管片钢模达到了世界一流的先进水平。上海隧道工程股份有限公司机械厂在上海大连路隧道管片钢模的制造基础上，消化吸收了日本钢模的先进技术，并在生产实践中不断探索、不断总结经验，研制开发出新一代高精度管片钢模，使管片钢模的设计和制造技术有了一个新的飞跃，形成了自己的知识产权。该厂自行设计和制造了上海地铁隧道的高精度管片钢模，获得了很大成功。接着，他们又相继设计和制造了上海复兴路双层隧道的带牛腿的管片钢模、天津地铁隧道管片钢模等国产高精度精品钢模。同时他们还与日本都筑公司继续合作，生产了上海地铁双圆隧道管片钢模、广州地铁管片钢模等，通过一系列高精度管片钢模的设计制造，积累了丰富的实践经验，掌握了具有世界先进水平的、独特的高精度管片钢模的设计和制造技术，成为我国唯一的自行设计和制造高精度管片钢模的生产企业。由于我国尚无高精度管片钢模的国家标准和企业标准，为了使高精度管片钢模的设计和制造标准化、规范化，确保钢模的制造质量，该厂还编制了相应的高精度钢筋混凝土管片钢模的企业标准，并通过了上海市质量技术监督局的批准，现已发布。
3.1 高精度钢筋混凝土管片钢模的精度
高精度钢筋混凝土管片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。从表1中的数据可以看出，它的精度已相当高，比老标准的精度提高了近一倍。例如，以往外径≤11.0m钢模的宽度允差为 ±0.4mm，现高精度钢模的宽度允差为±0.25mm。
3.2 高精度管片钢模的设计
高精度管片钢模的设计已形成多种流派：日本的、法国的、瑞士的、意大利的等等，各有特点。从国外的现状看，钢模振捣形式可分为两大类型：人工插入式振捣和附着式整体振捣，需根据不同的振捣方式来设计不同形式的钢模。欧洲的钢模大多采用附着式整体振捣，而日本和上海的钢模多为人工插入式振捣。附着式整体振捣的优点是快速、省力，自动化程度高。但开动时会产生高分贝的噪音，必须采取严格的隔音措施；且高能量振动对钢模的材料及强度和刚度要求很高，势必要设计较笨重的钢模，增加了钢模的成本；由于整体振捣的能量极高，还将影响钢模的使用寿命。人工插入式振捣方式降低了管片厂的设备、场地要求，可节省投资。而且只要通过简单培训，工人很快能掌握振捣技巧，并能人工控制每一处的振捣质量，使管片质量稳定；还可减轻钢模的重量，节省钢材，同时能增加钢模的使用寿命。日本钢模和上海钢模主要采用了人工插入式振捣方式。
钢模的结构形式：主要由三大件（底座、两块侧板、两块端板）和相关构件组成。钢模的设计主要是围绕三大件的设计。从三大件的设计着手，需考虑它们的定位方式和开启方式等。端、侧板的开启方式有多种：有采用底座弧面少量变形方式开启的端板；有采用铰链翻合式开启的端、侧板；有采用滚轮式平移开启的端、侧板。有采用铰链翻合式开启的端板和采用滚轮式平移开启的侧板相结合的方式。现分析一下铰链翻合式开启和滚轮平移式开启的优缺点：
（1） 从钢模的端、侧板的定位精度分析：铰链翻合式开启的端、侧板在底座上的定位为固定定位，它的重复定位误差取决于铰链上销孔的配合精度，而滚轮平移式开启的端、侧板在底座上的定位采用圆锥销孔定位。定位不固定，故它的轴向定位精度没有铰链式的定位精度高。
（2） 从钢模的脱摸情况来看，铰链翻合式开模时，因为有一个转动角度，如果脱模斜度不够，容易造成混凝土管片止水条槽处的啃边现象。滚轮平移式开启的端、侧板开模时，由于是平开式就不会造成管片啃边，而且开模后侧板与底座间的空隙较大，管片起模时操作方便。
（3） 从开合钢模的操作上看，滚轮平移式与铰链翻合式相比，操作简便、省力，可降低工人的劳动强度，提高工作效率。
（4） 端板为铰链开启、侧板为滚轮式平移开启的两种不同开启方式相结合的方法。它们的优点是：由于端板与垂直方向成一斜角，采用铰链翻合式开启钢模时，对管片止水槽处的脱模斜度影响很小，不会造成管片的损坏；况且端板的体积和重量都不是很大，开启和闭合不会太费力。并且，铰链式的安装精度和定位精度比较高，而且安装时定位较方便。对于侧板，由于侧板的体积和重量比较大，为了减轻劳动强度，便于操作，又由于侧板与底座的夹角成直角，如采用铰链式开启，受铰链开启转动时的角度影响，容易造成砼“啃边”而损坏管片，故采用滚轮平移式的开启方式。综上所述，这样的开启方式可以说是优化组合式。从大连路隧道钢模和上海地铁钢模的使用情况来看，这种设计是比较合理的，效果令人满意。见图3的钢模组装图。
3.3 高精度钢筋混凝土管片钢模的制造
制造高精度的钢筋混凝土管片钢模，关键在于先进的制造工艺。必须摒弃传统的制造工艺，采用先进的结构件工艺、金加工工艺和装配工艺，才能制造出国产的精品钢模。
3.3.1 采用先进的结构件工艺
（1） 按传统的工艺，结构件成型后，必定要先退火，消除内应力，再进行机加工。上海大连路隧道的管片钢模首创了结构件不退火工艺，降低了成本、提高了经济效益。采用不退火工艺，必须要减少结构件成型后内应力的积聚，需设计合理的焊缝形式和焊缝位置；从结构件的放样、下料到装搭成型，都应严格按照工艺要求执行，以减少结构件的焊接变形。
（2） 在保证钢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；也有结构件一次成型，不采用金加工的。但取消了弧面的金加工后，必须提高结构件的精度，弧面的面轮廓度须控制在1mm以下，因此需设计制造结构件的制作胎架和测量样板，制定控制结构件焊接变形的措施等。
3.3.2 采用先进的金加工工艺，以确保钢模的高精度
高精度钢模的金加工也完全不同于传统的加工方法，采用了最先进的高精度设备和计算机编程，保证了钢模零部件的高加工精度。底座、侧板和端板三大件的金加工，由于采用了数控加工中心，都是通过计算机编程来加工的，因此精度相当高，为钢模的装配提供了保证。
3.3.3 有了高精度的零部件，还需确保高质量的装配精度
设计和制造高精度的安装模具，制定一套先进的安装工艺，是制造高精度钢模必不可少的。钢模的三大件全部采用在模具上定位，使定位精确度大大提高，而且简化了装配工艺，减轻了工人的劳动强度。同时，在钢模的装配过程中，采用高精度的测量模板，保证了高精度钢模的装配质量。
3.4 高精度钢筋混凝土管片钢模的检测
高精度的钢模必须要有高精度的测量工具和检测手段，才能制造出符合质量要求的一流钢模。因此，只有改变过去的传统检测方法，采用高精度的样板作为检测工具，才能达到这一目的。设计和制造高精度的样板，用以钢模的制造过程及钢模和管片的检测。采用样板法，可控制钢模制造过程中的误差，使装配尺寸容易控制，提高了精度；还能使模芯定位更为精确，不再产生摇摆，使管片拼装变得简易。在钢模检验及管片厂生产管片过程中，使钢模的检测变得更精确、直接和简易。改变过去钢模的弧长尺寸不能直接测量，只能由加工机床保证的老方法。确保了高精度钢模的制造质量。
高精度钢模的测量方法，按以下的方法进行，见图4。
图4 测量示意图
3.4.1 钢模宽度测量
在钢模内腔，按图4中六点的位置测量宽度，使用内径千分尺直接测量。
3.4.2 钢模外径和内径弧、弦长的测量
将测量样板放入钢模内，插入检查销，固定好测量样板，用塞尺测出样板和钢模端面的间隙，通过计算得出钢模的弧、弦长。
3.4.3 钢模高度测量
使用深度千分尺量具直接测量
3.4.4 纵向、环向芯棒中心距及芯棒孔距的测量
在钢模内调整测量样板，插入检查销检查。
4 结语
从以上的介绍中可以看出，我国完全有能力自己设计和制造国产的精品钢模。按照我国近年来地下建设的发展速度，钢模的需求量将大大增加。因此，如果全部采用国产的钢模，每年可节约大量外汇，获得巨大的经济效益和社会效益。望钢模的生产企业再接再厉，不断创新，望能在祖国的神州大地上看到越来越多的国产精品钢模。
新闻来源：《城市交通隧道工程最新技术》
