盾构管片模具的选型研究

蒲青松，管会生

(1.中铁五局有限公司，湖南长沙410000;2西南交通大学机械学院，四川成都610031)

盾构隧道是由盾构机在地下一边掘进一边拼装衬砌管片而形成的，因此盾构隧道的质量由盾构的掘进控制，管片拼装质量两大要素决定。管片的生产质量直接影响管片拼装质量以及成型后隧道的结构性能、防水性能和耐久性。影响管片生产质量的最主要因素是管片模具(即钢模)。钢模是管片制作的重要设备，是管片尺寸精度的具体保证，可以说它是管片质量成败的关键。

钢模的选型首先要弄清钢模的结构、振捣形式、脱模形式、精度要求，其次是要了解制造商情况、钢模的造价、生产制造周期和使用寿命等。

1 钢模的基本结构形式

钢模一般由底座、两个侧板、两个端板、上盖板、模芯和其它辅助件组成(见图1)。底座、侧板、端板构成了管片的表面形状，它们的制造加工精度和脱模方式直接影响管片的精度。

图1 管片钢模结构示意

管片在钢模中浇筑成型后，当混凝土达到规定强度时就可以脱模了。钢模的脱模形式有铰链翻合开启脱模和滚轮平移开启脱模两种。有单独使用其中一种，也有采用铰链翻合式开启端板和滚轮式平移开启侧板相结合的方式(见图2)。

图2 CBE公司管片模具

2 钢模的振捣形式选择

将混凝土注入钢模后通常需要将一定振频、振幅的激振力传递给混凝土，使骨料颗粒和水泥浆在钢模中重新排列和充分的填充，形成致密的混凝土。钢模的结构和振动方式决定了钢模振动密实的效果和效率。钢模的振捣形式可分为三种类型:人工插入式振捣、附着式整体振捣、震动台自动化生产线。每一种模具都有着各自的优缺点，要根据不同的振捣方式进行模具设计;也需要用户根据实际需求和生产条件进行选择。

人工插入式振捣由人工操作，通过一个管状的振捣棒插入到混凝土中，使混凝土密实。人工插入式具有管模价格低、配套设施少等优点;缺点是劳动强度大、生产效率低、管片外观和内在质量不稳定，只适合于小批量管片生产的项目。

附着式整体振捣是把振动器直接固定在钢模的外表面。一般采用把振动器固定在底座顶弧面的内表面，振动能可通过钢结构件传递到混凝土，使之密实。优点是生产效率较高、管片质量稳定;缺点是震动器噪音大、混凝土配合比要求高;而且管模强度不足容易造成变形，影响管模寿命。

在成本和效率方面，两种振捣方式明显不同。人工振捣式钢模价格较低，生产效率也略低，一般每天可生产2～3环;附着振捣式模具价格略高，比人工振捣式钢模约高7～8万元人民币，但生产率高，每生产一块管片，振捣时间仅为人工插入式的1/3。

震动台自动化生产线是把钢模安置在一个能固定钢模的振动平台上，该平台由弹簧或空气气囊支撑。优点是管片生产实现了流水化作业，管片模具通过轨道移动完成模具开合、钢筋笼吊装、混凝土浇筑、振捣、蒸养、脱模、养护等各固定工位的工序内容。具有自动化程度高、生产效率高等方面的优点;采购方可选用封闭式浇筑、振捣以降低噪音污染。缺点是投资大、管片厂筹建周期长、管模周转运动容易造成管模变形。另外由于现阶段流水线厂家不够成熟，振动台和驱动装置容易出现故障从而影响实际使用的效率。

3 质量精度要求

管片钢模与普通的模具有明显差别，其技术要求主要有高精度性、坚固耐久性、易于操作性三方面。高精度钢模的精度要求有钢模宽度、钢模高度、钢模内外径弧弦长、纵向环向芯棒中心距、纵向环向芯棒孔径等五项检测指标。

根据上海市企业标准《高精度钢筋混凝土管片钢模》(QPSAE－22－2003)中的精度要求，对于外径D≤11.0 m盾构钢模，钢模宽度允差±0.25 mm;钢模高度允差0～+2 mm;钢模内外径弧、弦长允差±0.35 mm;纵向、环向芯棒中心距允差±0.3;纵向、环向芯棒孔径允差±0.1，并在使用中经常维修、保养。

4 管片钢模主要制造商状况

进行钢模的选型应首先考虑国内外钢模制造商的技术水平，生产能力，钢模质量、寿命、成本价格和交货周期等因素。

国外高精度钢模技术较先进的国家有日本、法国、瑞士、意大利等，并已形成多种流派。欧洲的钢模大多采用附着式整体振捣和振动台整体振捣，而日本为人工插入式振捣。目前在我国国内可提供盾构管片钢模的制造商主要有法国CBE(图2)，上海隧道股份，河北众鑫源，杭州铁牛和德国海瑞克。此外还有北京首钢机电有限公司，江苏银旭隧道机械有限公司和深圳市华森机电技术有限公司也能提供管片自动化生产线。

4.1 管片模具厂家的生产能力、技术水平评价

从各管片钢模生产厂家的生产能力、技术水平和近年业绩上看，竞争实力较强的有法国CBE、上海隧道股份、河北众鑫源、杭州铁牛公司和海瑞克公司。法国CBE和海瑞克公司是国外厂家，在中国国内设有独资厂，在钢模制造上设计理念先进、装备精良、制造加工精度高、质量可靠。其中法国CBE在钢模制造上最为专业，也是世界上最大的模具制造商，主要生产附着式整体振捣和振动台整体振捣钢模，可提供管片生产自动流水线，同时提供管片生产的配套设备，包括:提取设备、真空吸盘、混凝土管片夹具、吊装工具、反转架、运输移动设备。上海隧道股份在国内目前市场占有率最高，约占60% ～70%，已生产钢模600余套，钢模质量精度较高，以手工插入式振捣方式为主。河北众鑫源是近年来发展比较快的民营企业，主要生产附着振捣式钢模，近年业绩增长较快。杭州铁牛是台湾技术，可提供人工振捣式和附着振捣式两种模具，有多年管模制造经验。

4.2 国内生产厂家的钢模制造成本和生产周期

目前国内采用盾构法修建地铁的城市均在城市附近修建了盾构管片生产厂，所有的管片生产厂家在生产第一批管片的时候均采用新购的管片钢模，并且每套管片钢模均有一定的生产使用寿命(一般寿命在3 000套左右)，6.0 m直径的钢模每套价格为60～80万元人民币，生产周期一般为3月。

管片钢模的制造成本主要由以下几部分组成:工装设备费，钢材用钢量，图纸设计费，材料加工费，批量大小(成本摊销)。钢模类型不同、使用振捣方式不同价格也不一样。一般附着振捣式模具价格略高，管片外径为6 000 mm时，每套地铁标准钢模价格在75～77万元人民币，而人工插入式振捣钢模价格约在68～70万元人民币。当管片外径增大到6 700 mm时，钢模造价会随之增加，根据厂家估算每套钢模造价会比6 000 mm直径钢模增加3～5万元人民币，最高在78～82万元人民币之间。直径9 800 mm的钢模价格约130～140万元人民币。直径不同钢模价格如表1所示。

表1 不同直径钢模价格(万元人民币)

模具的生产周期一般2个半到3个月，管片直径增大到6700 mm，钢模交货时间要增加15～25天，主要是图纸设计需要时间。

国内管片钢模生产厂家相关情况如表2所示。

表2 国内管片钢模生产厂家进行调研情况

5 钢模选型应考虑的事项

(1)从管片厂投资角度看，人工插入式振捣钢模对场地、管片厂的设备要求不高，可节省投资;附着式振动器振捣自动化化程度高，振动效率高，振动质量稳定，省工，省力，省时，由于对钢模强度、刚度要求高，所以价格稍高。振动台整体振捣由于在生产中，模具频繁吊运，机械投入大。

(2)从生产效率上看，人工振捣式钢模生产效率略低，一般每天可生产2～3环，而附着振捣式钢模生产率较高，最高每天可生产4环。

(3)从钢模使用寿命上看，人工插入式振捣，对钢模本身振动影响小，模具使用寿命长;附着式振动器振捣对钢模自身的刚度要求高，与振动器连接的结构件容易开焊开裂，模具使用寿命短。振动台整体振捣与附着式振动器振捣类似，但对钢模的危害低于附着式振捣器。

管片的脱模必须符合脱模斜度的要求。根据混凝土构件的脱模经验，管片的脱模斜度一般需达到3°以上，钢模的设计也必须符合这一要求，否则容易造成混凝土“啃边”而损坏管片［2］。

［1］虞祖艺.盾构法隧道衬砌管片钢模的设计［J］.上海建设科技，2007(5):19－20

［2］王佩明.隧道钢筋混凝土管片钢模的现状与发展［J］.西部探矿工程，2005(5):101－102

［3］程建军，时洪光.盾构法隧道衬砌管片模具技术研究［J］.机械制造技术.2011(2):77－80