盾構隧道高精度鋼筋混凝土管片鋼模的設計和制造技術
【提 要】：本文介紹了盾構隧道管片的型式，高精度鋼筋混凝土管片鋼模的型式，高精度管片鋼模的設計和制造工藝，以及鋼模的精度要求，鋼模的測量方法等。通過上海隧道工程股份有限公司機械廠生產的高精度管片鋼模，可以證明我國管片鋼模的設計和制造技術已達到了世界先進水平。
【關鍵詞】：隧道管片通縫和錯縫拼裝高精度管片鋼模鋼模測量樣板
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，我國城市中的地下建設正飛速發展，與國外大城市隧道建設相比，其規模和速度都是罕見的，采用盾構法技術施工已在隧道建設中占了主導地位，盾構掘進機的制造和施工技術也在不斷地發展。“鋼筋混凝土襯砌鋼模（以下簡稱鋼模）”在盾構法施工中是整個隧道工程質量的主要關鍵技術之一。
我國引進了日本隧道管片鋼模的先進技術，上海隧道工程股份有限公司機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，結合我國鋼模的生產實際，研制開發出新一代高精度管片鋼模，自行設計和制造了上海地鐵隧道、復興路隧道、天津地鐵隧道等管片鋼模，生產出了一批又一批國產的高精度精品鋼模。掌握了高精度鋼筋混凝土管片鋼模的設計和制造技術。
2 隧道管片的型式
在盾構隧道中，由于隧道的斷面形狀、施工方法等的不同，其力學行為也不相同。所以，襯砌設計必須以對應這些條件為原則。根據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各種斷面的形狀來設計。我國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。隨著我國第一臺雙圓盾構在上海隧道機械廠誕生，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，通過對通用管片的有序旋轉，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
目前在我國的盾構法隧道中，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：圓形管片一般是根據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。
從管片的通縫和錯縫兩種拼裝形式來看，各有各的優缺點。通縫拼裝的優點是：盾構掘進時，管片拼裝機的操作較簡單，每環管片的拼裝角度都相同，不需變換角度；盾構中推進千斤頂位置的布置較方便，而且長行程千斤頂只需按封頂塊的大小來布置，數量較少。從通縫拼裝的受力情況分析，當盾構千斤頂的頂力作用于管片上時，如果管片的寬度差異較大，對于管片的受力也不會產生大的影響，在正常的頂力下，管片不會被頂壞。缺點是：從整個隧道的受力情況分析，通縫拼裝的管片成環后的整體受力情況不是最好。
錯縫拼裝的管片優點是整體受力情況好。但是，盾構中管片拼裝機的操作較復雜；長行程千斤頂的數量增多。當盾構千斤頂的頂力作用于管片上時，如果管片的寬度誤差較大，會使管片因受力不均引起應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 高精度鋼筋混凝土管片鋼模
目前，對于成型后隧道的結構性能、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鋼模來保證的。隨著隧道工程的快速發展，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。為了滿足不斷增長的高精度鋼模需求，為了科技進步和趕超世界先進水平，上海隧道工程股份有限公司機械廠在大連路隧道管片鋼模的制造上率先引進了日本的先進技術，首次制造出了高精度精品鋼模。從大連路隧道工程的實際運用情況可以證明，該管片鋼模達到了世界一流的先進水平。上海隧道工程股份有限公司機械廠在上海大連路隧道管片鋼模的制造基礎上，消化吸收了日本鋼模的先進技術，并在生產實踐中不斷探索、不斷總結經驗，研制開發出新一代高精度管片鋼模，使管片鋼模的設計和制造技術有了一個新的飛躍，形成了自己的知識產權。該廠自行設計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，他們又相繼設計和制造了上海復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產高精度精品鋼模。同時他們還與日本都筑公司繼續合作，生產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計制造，積累了豐富的實踐經驗，掌握了具有世界先進水平的、獨特的高精度管片鋼模的設計和制造技術，成為我國唯一的自行設計和制造高精度管片鋼模的生產企業。由于我國尚無高精度管片鋼模的國家標準和企業標準，為了使高精度管片鋼模的設計和制造標準化、規范化，確保鋼模的制造質量，該廠還編制了相應的高精度鋼筋混凝土管片鋼模的企業標準，并通過了上海市質量技術監督局的批準，現已發布。
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中的五項檢測項目：鋼模寬度、鋼模高度、鋼模內外徑弧弦長、縱向環向芯棒中心距、縱向環向芯棒孔徑。從表1中的數據可以看出，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，現高精度鋼模的寬度允差為±0.25mm。
3.2 高精度管片鋼模的設計
高精度管片鋼模的設計已形成多種流派：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，需根據不同的振搗方式來設計不同形式的鋼模。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點是快速、省力，自動化程度高。但開動時會產生高分貝的噪音，必須采取嚴格的隔音措施；且高能量振動對鋼模的材料及強度和剛度要求很高，勢必要設計較笨重的鋼模，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備、場地要求，可節省投資。而且只要通過簡單培訓，工人很快能掌握振搗技巧，并能人工控制每一處的振搗質量，使管片質量穩定；還可減輕鋼模的重量，節省鋼材，同時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。
鋼模的結構形式：主要由三大件（底座、兩塊側板、兩塊端板）和相關構件組成。鋼模的設計主要是圍繞三大件的設計。從三大件的設計著手，需考慮它們的定位方式和開啟方式等。端、側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、側板；有采用滾輪式平移開啟的端、側板。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板相結合的方式。現分析一下鉸鏈翻合式開啟和滾輪平移式開啟的優缺點：
（1） 從鋼模的端、側板的定位精度分析：鉸鏈翻合式開啟的端、側板在底座上的定位為固定定位，它的重復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式的定位精度高。
（2） 從鋼模的脫摸情況來看，鉸鏈翻合式開模時，因為有一個轉動角度，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象。滾輪平移式開啟的端、側板開模時，由于是平開式就不會造成管片啃邊，而且開模后側板與底座間的空隙較大，管片起模時操作方便。
（3） 從開合鋼模的操作上看，滾輪平移式與鉸鏈翻合式相比，操作簡便、省力，可降低工人的勞動強度，提高工作效率。
（4） 端板為鉸鏈開啟、側板為滾輪式平移開啟的兩種不同開啟方式相結合的方法。它們的優點是：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，對管片止水槽處的脫模斜度影響很小，不會造成管片的損壞；況且端板的體積和重量都不是很大，開啟和閉合不會太費力。并且，鉸鏈式的安裝精度和定位精度比較高，而且安裝時定位較方便。對于側板，由于側板的體積和重量比較大，為了減輕勞動強度，便于操作，又由于側板與底座的夾角成直角，如采用鉸鏈式開啟，受鉸鏈開啟轉動時的角度影響，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，這種設計是比較合理的，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，關鍵在于先進的制造工藝。必須摒棄傳統的制造工藝，采用先進的結構件工藝、金加工工藝和裝配工藝，才能制造出國產的精品鋼模。
3.3.1 采用先進的結構件工藝
（1） 按傳統的工藝，結構件成型后，必定要先退火，消除內應力，再進行機加工。上海大連路隧道的管片鋼模首創了結構件不退火工藝，降低了成本、提高了經濟效益。采用不退火工藝，必須要減少結構件成型后內應力的積聚，需設計合理的焊縫形式和焊縫位置；從結構件的放樣、下料到裝搭成型，都應嚴格按照工藝要求執行，以減少結構件的焊接變形。
（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；也有結構件一次成型，不采用金加工的。但取消了弧面的金加工后，必須提高結構件的精度，弧面的面輪廓度須控制在1mm以下，因此需設計制造結構件的制作胎架和測量樣板，制定控制結構件焊接變形的措施等。
3.3.2 采用先進的金加工工藝，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的加工方法，采用了最先進的高精度設備和計算機編程，保證了鋼模零部件的高加工精度。底座、側板和端板三大件的金加工，由于采用了數控加工中心，都是通過計算機編程來加工的，因此精度相當高，為鋼模的裝配提供了保證。
3.3.3 有了高精度的零部件，還需確保高質量的裝配精度
設計和制造高精度的安裝模具，制定一套先進的安裝工藝，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，而且簡化了裝配工藝，減輕了工人的勞動強度。同時，在鋼模的裝配過程中，采用高精度的測量模板，保證了高精度鋼模的裝配質量。
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，才能制造出符合質量要求的一流鋼模。因此，只有改變過去的傳統檢測方法，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，不再產生搖擺，使管片拼裝變得簡易。在鋼模檢驗及管片廠生產管片過程中，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
在鋼模內腔，按圖4中六點的位置測量寬度，使用內徑千分尺直接測量。
3.4.2 鋼模外徑和內徑弧、弦長的測量
將測量樣板放入鋼模內，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、環向芯棒中心距及芯棒孔距的測量
在鋼模內調整測量樣板，插入檢查銷檢查。
4 結語
從以上的介紹中可以看出，我國完全有能力自己設計和制造國產的精品鋼模。按照我國近年來地下建設的發展速度，鋼模的需求量將大大增加。因此，如果全部采用國產的鋼模，每年可節約大量外匯，獲得巨大的經濟效益和社會效益。望鋼模的生產企業再接再厲，不斷創新，望能在祖國的神州大地上看到越來越多的國產精品鋼模。
新聞來源：《城市交通隧道工程最新技術》
