地铁管片模具中联结螺栓部分的设计浅析.doc

地铁管片模具中联结螺栓孔部分的设计浅析摘 要：根据我国城市地铁盾构工程混凝土管片的结构，从管片模具设计的角度出发，分析了管片模具联结螺栓孔部分中手孔模、弯形棒等的特点及注意事项，以期对地铁管片及管片模具的设计提供一定的参考价值。关键词 ： 盾构工程 管片模具 联结螺栓 盾构法施工使用的衬砌方法有现场浇注混凝土法和预制管片衬砌法，目前我国的城市地铁主要采用封闭型的土压平衡式盾构机施工,配合相应形式的预制混凝土管片衬砌。在管片相互联结形式的设计方面，目前主要有螺栓接头和插销形接头，锁接头，凸凹接头等形式，国内城市地铁常用的是弯螺栓接头形式，在这种联结形式的管片设计中，联结螺栓是一个相当关键的部分，设计好这一部分才能确保隧道衬砌构造的强度和刚度，以及错缝拼装时的拼装精度。由于管片模具的尺寸精度和加工要求很高，国内能设计生产管片模具的厂家很少，目前主要是靠国外进口，2003年我公司为广州地铁某标段研制生产了一套管片模具，本文就从这套管片模具的设计制造出发，分析一下模具中联结螺栓孔部分的结构及设计注意事项。一、 地铁管片联结螺栓孔的结构：国内的地铁盾构大约6米的直径，管片联结螺栓一般采用3036mm，螺栓孔与螺栓的间隙不能太大，太大则易发生管片错台，受力情况不好，如果太小，对拼装十分不利，一般来说间隙以35mm为佳。联结螺栓孔部分主要包括弯螺栓孔1、预埋件2、手孔3，其结构如图1所示： 图1 管片联结螺栓孔部分的剖视图二、 联结螺栓孔部分的设计：1、手孔模的设计：当管片设计图给出后，首先根据设计图用solidworks软件做出手孔模的三维图形，再以一个平面为投影面，通过手孔侧平面与投影面的夹角、手孔的各轮廊点的投影位置来复核管片手孔的脱模情况，如图2所示，主要有八处需重点核实的地方。三维图做出来后我们发现管片手孔的设计不太合理，理论上可行，但实际的脱模角度不够，主要是图2所示的2、3、6、7处。 图2 管片手孔影响脱模的八个地方经过我们与设计方的沟通，在不影响整个管片结构强度的的前提下，我们把手孔影响脱模的表面的斜度再放大了一些。经过三维建模的检验，脱模的效果明显好转。如果1、4、5、8处的拨模角度不够的话，那不能更改管片的设计了，采取的措施应该是把手孔模设计成如图3所示的分体式手孔模，一部分固定在底模上，一部设计成活动的斜块，这样就对脱模非常有利。 图3 分体式手孔模2、弯形棒的设计：2.1结构的设计：管片的连接螺栓孔有主要两种形式，一是PVC管预埋件的结构，二是直接拨弯形棒的结构。广州地铁管片采用PVC管预埋件的结构形式，根据这个结构，我们采用了橡胶密封来密封水泥浆，其结构如图4所示： 1、4、5为密封件，2为平垫预埋件，3为PVC管，6为弯形棒 图4 PVC管预埋件形式的管片及模具结构从管片的设计来看,这种结构存在一个缺陷：弯螺栓平垫预埋件内孔是套在PVC管外边的，弯螺栓平垫预埋件又和钢筋笼用点焊连接，在这种结构中钢筋笼是活动的，因此平垫预埋件就不好固定。由于在这种结构中PVC管不能把弯螺栓平垫压紧在手孔模上，生产出来的管片联结螺栓孔的平垫预埋件上总有一层较厚的混凝土，就造成了管片螺栓联结的结构强度不太好。由于弯螺栓和平垫之间隔了一层混凝土，所以整个隧道衬砌的弯螺栓不能将管片钢筋笼连成一个导体，防迷流的效果不好。另一种结构为直接拨弯形棒的结构，则在这种形式中弯形棒就应设计成一头直径大一头直径小，这样有利于脱模，但两端的直径相差不应超过4毫米，如果相差太大，则在弯螺栓中部螺栓孔与螺栓的间隙就很大，容易产生拼装的管片错台严重、衬砌整体受力状况不好的情况。有一个注意事项是：弯形棒结构一定要能顶住平垫预埋件，它的结构如图5所示： 1为弯形棒前部定位端，2为平垫预埋件，3为密封件，4为弯形棒后端 图5 直接拨弯形棒形式的管片及模具结构如天津地铁的管片就采用了这种结构，这种结构的好处就是能把平垫紧紧地压在手孔模上，再把平垫用钢筋和混凝土钢筋笼焊接起来，这样无论是管片的结构强度还是防迷流的效果都是比较好的。2.2 制造工艺由于弯形棒的在弯曲的过程会产生变形，如果采用先加工成有台阶的轴，再弯曲的方法，就会使两端产生如下图6所示的变形情况： 图6 整体加工再弯曲及采用分体加工的对比示意图想到的第一个解决的办法是前端部分用数控铣床加工，但是弯形棒的数量多，加工费用很高，加工周期长，因此这种加工方法是不实用的。然后我们想到的解决办法是把弯形棒结构设计成分成两段，两部分再用焊接或者螺纹联结。经过比较，螺纹联结的结构需钻孔、攻丝，成本也高，周期也很长，因此这种方式也不可行，最终我们采用了如图6所示的分成两部分分别加工，然后再焊接的结构。在这种结构中，前端部分中间钻一个孔，再在孔中间点焊连接两部分，很巧妙地解决了不好焊接的问题，其工艺简单、成本低、生产周期短，具有较好的经济效益。2.3 管片生产中易操作性的要求因为弯形棒数量多，要求弯形棒能快速而准确定位，脱模时能快速松开并拨出。我们采用的方法是M10的小螺栓把弯形棒固定在侧模板上，在以后的管片生产中发现这种结构操作费时，不太合理。后来参照了日本管片模具的设计，我们把它改成了如下的结构，它中间割孔焊上一颗螺帽，再拧上一颗螺栓，一端卡在一个有凹端的轴上，一端可旋转，形成一个门栓式结构，这样花在拧螺栓的时间就很短了，工作效率明显提高。3、模板上弯形棒插入孔的设计由于模板较厚，弯形棒孔与弯形棒的配合必须考虑，有两种形式，一是孔轴式的小间隙配合，二是采用大间隙配密封来配合。如采用孔轴式的小间隙配合，则加工精度要求很高，不然会产生漏浆的现象。最后我们采用的是用大间隙配密封来配合方式，其好处是加工容易实现，密封效果也好，但是由于间隙太大，密封件易变形，所以弯形棒定位精度方面就要差一些。模板上的孔与弯形棒配合的部分厚度为10 mm左右比较合适，后部设计成45度的锥形孔，这样结构才有利于弯形棒的拨出。封顶块斜端模的弯形棒孔与模板不是垂直的，斜端模的尺寸又大，如果没有大型的数控铣床，就不易实现精确的加工，为了节约成本，我们设计了一个镶嵌式的结构，斜端模上设计一个大的圆孔镶嵌一个圆柱体，再在圆柱体上加工弯形棒插入孔，这样经济性就比较好。三、 模具拼装时的工艺在两块侧模和端模定位完毕后，经精度检测合格后，开始手孔模的定位，定位完毕，再把手孔模焊在底模上，焊接要求电流比较小，不能有