类矩形砼管片钢模的设计与制造

杜银星 王守友 袭卫兵

摘 要：类矩形砼管片是适应类矩形隧道的一种结构特殊的管片类型，不同于常规的圆环型管片，类矩形砼管片拼装后断面呈椭圆形，其为适应双线通车的要求，直径多在10 m以上，属于超大直径砼管片。相应的其砼钢模也是属于超大直径钢模。超大直径钢模的设计及制造在国内是不多见的，本文從结构设计和工艺制造的层面，分析下类矩形砼钢模的设计要点和制造要点，为同类产品的设计制造提供参考和借鉴。

关键词：类矩形片;钢模;底模;侧模;端模;盖板

中图分类号：U455 文献标识码：A 文章编号：2096-6903（2022）02-0032-03

0引言

目前，盾构法隧道绝大多数设计为圆形，其主要源于隧道结构受力合理、盾构机设备开挖面切削全面、拼装施工工艺简便等优点，但圆形盾构隧道存在断面空间利用率低的弱点。矩形断面与圆形断面相比，其有效使用面积比圆形增大20%以上，且可大大减小隧道覆土[1]。此外，在满足相同净空要求的情况下，矩形隧道较圆形隧道所需的覆土厚度小，进而相同坡度的矩形隧道与地面的接线段长度也相应减小。

1管片结构特点和精度要求分析

类矩形砼管片每环由B1、B2、B3、C1、C2、C3、T1、T2、F和L块等10块组成，管片宽1 200 mm，厚450 mm。如图1所示。其中T1、T2块具有图台结构的多边性异形结构。其他各块为整个椭圆圆弧下的各分段结构。单块尺寸精度要求宽度±0.4 mm;弧长±1 mm，管片外径（0/+2 mm），内半径（0/+2 mm）。

为适应类矩形砼管片，相应的钢模也必须适应管片特征，具有相应的异形结构。一套完整的管片钢模一般由一组底模、两组端模、两组侧模、一套盖板、一组适应流水线生产的运载小车组成。限于篇幅所限，本文仅对类矩形模具的典型T块模具的底、侧、端模及盖板结构为例，在整体结构设计和制造工艺性层面，阐述类矩形砼钢模的设计要点和结构制造要点。

2底模结构及制造工艺设计

底模是整套钢模的基础，承载所有载荷，并且其侧模、端模都是布置在底模上，利用底模的框架支撑下围拢成管片型腔[2]。对具有独特结构的类矩形模具而言，因其分块后并非同简单的整圆结构，而是各不相同的分段椭圆弧结构。结构设计要重复考虑制作工艺性。以下以典型的T块底模为例分析其结构设计制造工艺特点。T块结构如图2所示。

对T块而言，制造底模需要将面板设计成和T块的凸起形状一致的结构形式。设计要点是结构强度和尺寸精度确保。按图2所示底模由面板件4、腹板件5、平移支架件3和各种加强筋板组成。

为保证侧模和底模精准定位，在底模的加工板上预留紧固定位孔1，解决侧模和底模的重复精准定位问题，需要在侧模和底模间用锥形紧固定位结构确保相互装配位置。因底模结构较长，设计成三点紧固定位方式。侧模采用平移方式开模，平移支架尽量设计成大档距形式。面板件4的凹块部分面板采用拼接成型，且接缝处采用坡口熔透焊接。腹板件5设计时要重复考虑整体形式，两侧成翼形分布，以便振捣力的传递和整体结构稳定性，中间部位开>500 mm×500 mm的入孔，即可减重，可以便于人员进入底模内部操作维修。因面板的异形结构，及精准的尺寸要求，腹板下料时可以在底部边线及上部异形边线处留5 mm的加工余量，后转数控机床整体机加确保外形尺寸，如此，即可精准确保底模整体中心高度，又可以确保面板的组对夹角β。

面板与腹板及各筋板之间焊接可采用双面交错断续焊接，焊接100 mm隔100 mm的焊缝形式，焊角宜控制在8 mm左右，以减少焊接变形。各加工板和腹板之间采用连续角焊缝，焊角宜控制在10 mm左右，且加工板要和面板顶磨光顶紧，这样可以利用加工板的结构顶紧结构增强面板的结构刚性。整体结构焊后可采用振动时效处理，消除内应力。

3侧模结构及制造工艺设计

侧模需要加工出和需要的管片结构相一致的型腔结构，且为保证整体刚度和强度，侧模面板加工后最小板厚应控制在15 mm以上。侧模结构如图3所示。

限于类矩形模具的特殊结构，模具制造时也要制造和砼管片相一致的型腔结构。侧模结构设计要考虑整体刚性和强度。侧模是布置紧固定位机构最多的部位。因类矩形模具属于超大直径模具，分块模具尺寸较长，故设计的紧固装置多达5处，紧固定位装置考虑到最大效用原则，采用两点定位方式。

为增加整体刚性，采用三层环筋布置形式。紧固点两侧的纵筋应采用通长设计，环筋和纵筋的宽度取150 mm左右。整体结构制造时，面板外弧半径加5 mm加工余量，切面板要控制整体下料平整度≤1 mm，组对时，要设计整体组对基准中线，并用样冲打点标记，作为整体机械加工和装配的参考基准线。为避免过大的应力集中，侧模各筋板焊接焊缝尽量避免集中焊接，可采用双面交错焊缝，焊50 mm间隔100 m，焊角10 mm左右。侧模整体焊接时要注意采用两组侧模面板临时固定方式焊接，以抵消整体焊接变形，焊后要采用整体火焰修整的工艺，控制焊后板面平整度≤1 mm。最终还要进行整体退火处理，以充分消除焊接内应力。整体机械加工时，必须采用数控机床加工，且要合理设计装卡点，必要时设计装夹专用工装，制定合理的加工工艺，在最终成型的加工工序前，应设计释放切削应力的机加工序，以避免加工后的切削应力变形[3]。

总体而言，侧模是模具结构中结构最为复杂，机械加工量最大的部位。设计侧模不仅要考虑整体结构，更要考虑加工的工艺性。

4端模结构及制造工艺设计

类矩形模具的端模结构和普通模具的端模结构类似，相对底模和侧模结构简单，且都为平直结构。端模结构形式如图4所示。

端模结构主要由面板和筋板组成。由于端模要做成铰接开合结构，所以需要预留开合丝杆底座位置，端模需要用紧固定位结构和底模连接，紧固定位孔处要增加加工板，防止因紧固导致端模变形。开合丝杆处要增加开合丝杆底座，开合丝杆底座处也要考虑增加加工板，端模整体加工时，将这些加工垫板一并机加。防止这些紧固点把合后导致模具面板变形。此外，端模结构设计要考虑紧固定位安装空间问题，要便于焊接操作。

5盖板及其支架结构及制造工艺设计

（1）类矩形模具的盖板首先要考虑两方面：落料口的开口尺寸和开口的位置。T块模具因其底模有凹槽结构，预制砼投料时要充分考虑其布料的流畅性和均匀性问题。如果投料口正对准凹槽中部，可能造成两侧布料不均，如果落料口远离凹槽，也会造成凹槽底部容易处出现浇不实的缺陷。故此，盖板落料口中心位置設计在凹槽和弧形交错线位置为佳。另一方面，类矩形模具的T块尺寸应按超大直径模具考虑，开口尺寸要放大至900 mm左右，既可以满足生产线生产节奏，又能便于人工辅助振捣棒现场补充操作。

类矩形模具的盖板结构设计要考虑轻量化要求，通过合理的筋板布置结构增强其钢性。具体结构形式如图5所示。

盖板结构由面板、密封边框、筋板和紧固点和紧固定位点组成。面板使用后要求和侧模、端模的顶部边框密闭配合，防止漏浆，且面板整体弧度要和模具的侧模弧度一致。边框的作用是整体框架和镶嵌密封条，筋板的作用是增加整体刚性，紧固点的作用是压紧盖板，紧固定位点作用是控制盖板重复使用位置准确性，防止密封边框和侧端模顶部边框偏差导致的密封时效。并且，紧固定位点要选择在盖板端部位置，全部的紧固点位置要注意避免和侧模、端模的筋板干涉。盖板因其自身不属于受力部件，且要求的弧度精度较高，必须控制整体弧度偏差≤1 mm范围内，焊缝设计要避免过度的应力集中，采用点焊和交错断续焊接即可，各筋板和面板之间焊10 mm间隔100 mm的交错焊，边框和面板间焊缝采用焊50 mm间隔100 mm的交错焊缝即可满足使用要求。

整体制造工艺采用专用弧度工装制造，先将面板整体卷圆成型，铺设在弧度工装上，并按各个尺寸整体放样，再裁剪面板成型。之后将面板临时铺设在工装上，整体按图纸放样划线，在组对其他各筋板和边框即可成型。制造时要严格控制焊接变形，防止盖板整体从工装上出胎后二次变形。

盖板在砼管片生产线上，属于高频度操作部件，要符合轻量化要，整体重量控制在180 kg以下。

（2）盖板支架主要用于支撑盖板，使盖板便于操作，综合考虑现场使用，盖板采用绕支架翻转形式操作，利用扭簧助力，使盖板便于操作。故此盖板支架设计主要考虑以下几方面：盖板翻转操作空间、整体高度和盖板整体位置。

盖板支架多用型钢制造，并采用连接转臂和盖板连接。形成铰链翻转结构。助力扭簧放置在型钢槽内，即可节省空间，又能避免扭簧意外断裂事故发生。且盖板支架的整体位置不得超出模具运输小车整体范围，避免在砼管片生产线上和其他部件干涉。

6结语

类矩形模具不同于普通模具，具有多弧度，大直径和整体异形的特点。本文仅仅对其典型的T块模具结构设计和工艺设计两方面进行了分析和介绍。总之，类矩形模具不同于普通管片模具，在结构设计、工艺设计和质量检测方面都有其独特特点：

（1）结构异形，其各分块为椭圆型，且模具弧度为多弧交叉结构，需要的精度较常规模具高。

（2）尺寸超大，衬砌环总体为椭圆结构，达11 500 mm× 6 397 mm。其预制的砼模具属于超大直径管片模具，其制造难度和制造工艺相对复杂。

（3）各分块模具形式多样，制造时需要兼顾整体结构刚性和整体加工工艺性，需要制造专用的组对工装和机械加工工装。

（4）类矩形模具整体合模后的整体精度是基于各部件的高精度，必须且结构异形，如典型的T块模具具有凹缺结构，这就要求设计专用的检查样板。

（5）为保证整体模具精度需要引入三维激光扫描检测技术，对整体型腔尺寸和底、侧、端模的分体尺寸进行三维模拟成像检查，及时发现加工制造缺陷和整体装配缺陷，从而提高整体钢模质量。

（6）该种类矩形模具的结构及其制造方法已获得发明专利授权，专利名称：《一种超大直径类矩形砼钢模结构及其制造方法》，申请（专利）号：CN201811274232.0授权公布号：CN109203214B。

参考文献

[1] 李培楠，黄德中，朱雁飞，等.类矩形盾构法隧道在宁波轨道交通建设中应用[J].中国市政工程，2016（S1）：34-36+41+115.

[2] 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）：15-18.

[3] 杜银星，袭卫兵.维激光扫描测量管片钢模精度分析[J].中国高新技术企业，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

作者简介：杜银星（1978—），男，河北秦皇岛人，本科， 高级工程师，研究方向：建筑工程机械。