蒲青松，管會(huì)生

(1.中鐵五局有限公司，湖南長(zhǎng)沙410000;2西南交通大學(xué)機(jī)械學(xué)院，四川成都610031)

盾構(gòu)隧道是由盾構(gòu)機(jī)在地下一邊掘進(jìn)一邊拼裝襯砌管片而形成的，因此盾構(gòu)隧道的質(zhì)量由盾構(gòu)的掘進(jìn)控制，管片拼裝質(zhì)量?jī)纱笠貨Q定。管片的生產(chǎn)質(zhì)量直接影響管片拼裝質(zhì)量以及成型后隧道的結(jié)構(gòu)性能、防水性能和耐久性。影響管片生產(chǎn)質(zhì)量的最主要因素是管片模具(即鋼模)。鋼模是管片制作的重要設(shè)備，是管片尺寸精度的具體保證，可以說(shuō)它是管片質(zhì)量成敗的關(guān)鍵。

鋼模的選型首先要弄清鋼模的結(jié)構(gòu)、振搗形式、脫模形式、精度要求，其次是要了解制造商情況、鋼模的造價(jià)、生產(chǎn)制造周期和使用壽命等。

1 鋼模的基本結(jié)構(gòu)形式

鋼模一般由底座、兩個(gè)側(cè)板、兩個(gè)端板、上蓋板、模芯和其它輔助件組成(見(jiàn)圖1)。底座、側(cè)板、端板構(gòu)成了管片的表面形狀，它們的制造加工精度和脫模方式直接影響管片的精度。

圖1 管片鋼模結(jié)構(gòu)示意

管片在鋼模中澆筑成型后，當(dāng)混凝土達(dá)到規(guī)定強(qiáng)度時(shí)就可以脫模了。鋼模的脫模形式有鉸鏈翻合開(kāi)啟脫模和滾輪平移開(kāi)啟脫模兩種。有單獨(dú)使用其中一種，也有采用鉸鏈翻合式開(kāi)啟端板和滾輪式平移開(kāi)啟側(cè)板相結(jié)合的方式(見(jiàn)圖2)。

圖2 CBE公司管片模具

2 鋼模的振搗形式選擇

將混凝土注入鋼模后通常需要將一定振頻、振幅的激振力傳遞給混凝土，使骨料顆粒和水泥漿在鋼模中重新排列和充分的填充，形成致密的混凝土。鋼模的結(jié)構(gòu)和振動(dòng)方式?jīng)Q定了鋼模振動(dòng)密實(shí)的效果和效率。鋼模的振搗形式可分為三種類型:人工插入式振搗、附著式整體振搗、震動(dòng)臺(tái)自動(dòng)化生產(chǎn)線。每一種模具都有著各自的優(yōu)缺點(diǎn)，要根據(jù)不同的振搗方式進(jìn)行模具設(shè)計(jì);也需要用戶根據(jù)實(shí)際需求和生產(chǎn)條件進(jìn)行選擇。

人工插入式振搗由人工操作，通過(guò)一個(gè)管狀的振搗棒插入到混凝土中，使混凝土密實(shí)。人工插入式具有管模價(jià)格低、配套設(shè)施少等優(yōu)點(diǎn);缺點(diǎn)是勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低、管片外觀和內(nèi)在質(zhì)量不穩(wěn)定，只適合于小批量管片生產(chǎn)的項(xiàng)目。

附著式整體振搗是把振動(dòng)器直接固定在鋼模的外表面。一般采用把振動(dòng)器固定在底座頂弧面的內(nèi)表面，振動(dòng)能可通過(guò)鋼結(jié)構(gòu)件傳遞到混凝土，使之密實(shí)。優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)效率較高、管片質(zhì)量穩(wěn)定;缺點(diǎn)是震動(dòng)器噪音大、混凝土配合比要求高;而且管模強(qiáng)度不足容易造成變形，影響管模壽命。

在成本和效率方面，兩種振搗方式明顯不同。人工振搗式鋼模價(jià)格較低，生產(chǎn)效率也略低，一般每天可生產(chǎn)2～3環(huán);附著振搗式模具價(jià)格略高，比人工振搗式鋼模約高7～8萬(wàn)元人民幣，但生產(chǎn)率高，每生產(chǎn)一塊管片，振搗時(shí)間僅為人工插入式的1/3。

震動(dòng)臺(tái)自動(dòng)化生產(chǎn)線是把鋼模安置在一個(gè)能固定鋼模的振動(dòng)平臺(tái)上，該平臺(tái)由彈簧或空氣氣囊支撐。優(yōu)點(diǎn)是管片生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)了流水化作業(yè)，管片模具通過(guò)軌道移動(dòng)完成模具開(kāi)合、鋼筋籠吊裝、混凝土澆筑、振搗、蒸養(yǎng)、脫模、養(yǎng)護(hù)等各固定工位的工序內(nèi)容。具有自動(dòng)化程度高、生產(chǎn)效率高等方面的優(yōu)點(diǎn);采購(gòu)方可選用封閉式澆筑、振搗以降低噪音污染。缺點(diǎn)是投資大、管片廠籌建周期長(zhǎng)、管模周轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)容易造成管模變形。另外由于現(xiàn)階段流水線廠家不夠成熟，振動(dòng)臺(tái)和驅(qū)動(dòng)裝置容易出現(xiàn)故障從而影響實(shí)際使用的效率。

3 質(zhì)量精度要求

管片鋼模與普通的模具有明顯差別，其技術(shù)要求主要有高精度性、堅(jiān)固耐久性、易于操作性三方面。高精度鋼模的精度要求有鋼模寬度、鋼模高度、鋼模內(nèi)外徑弧弦長(zhǎng)、縱向環(huán)向芯棒中心距、縱向環(huán)向芯棒孔徑等五項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)。

根據(jù)上海市企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《高精度鋼筋混凝土管片鋼模》(QPSAE－22－2003)中的精度要求，對(duì)于外徑D≤11.0 m盾構(gòu)鋼模，鋼模寬度允差±0.25 mm;鋼模高度允差0～+2 mm;鋼模內(nèi)外徑弧、弦長(zhǎng)允差±0.35 mm;縱向、環(huán)向芯棒中心距允差±0.3;縱向、環(huán)向芯棒孔徑允差±0.1，并在使用中經(jīng)常維修、保養(yǎng)。

4 管片鋼模主要制造商狀況

進(jìn)行鋼模的選型應(yīng)首先考慮國(guó)內(nèi)外鋼模制造商的技術(shù)水平，生產(chǎn)能力，鋼模質(zhì)量、壽命、成本價(jià)格和交貨周期等因素。

國(guó)外高精度鋼模技術(shù)較先進(jìn)的國(guó)家有日本、法國(guó)、瑞士、意大利等，并已形成多種流派。歐洲的鋼模大多采用附著式整體振搗和振動(dòng)臺(tái)整體振搗，而日本為人工插入式振搗。目前在我國(guó)國(guó)內(nèi)可提供盾構(gòu)管片鋼模的制造商主要有法國(guó)CBE(圖2)，上海隧道股份，河北眾鑫源，杭州鐵牛和德國(guó)海瑞克。此外還有北京首鋼機(jī)電有限公司，江蘇銀旭隧道機(jī)械有限公司和深圳市華森機(jī)電技術(shù)有限公司也能提供管片自動(dòng)化生產(chǎn)線。

4.1 管片模具廠家的生產(chǎn)能力、技術(shù)水平評(píng)價(jià)

從各管片鋼模生產(chǎn)廠家的生產(chǎn)能力、技術(shù)水平和近年業(yè)績(jī)上看，競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力較強(qiáng)的有法國(guó)CBE、上海隧道股份、河北眾鑫源、杭州鐵牛公司和海瑞克公司。法國(guó)CBE和海瑞克公司是國(guó)外廠家，在中國(guó)國(guó)內(nèi)設(shè)有獨(dú)資廠，在鋼模制造上設(shè)計(jì)理念先進(jìn)、裝備精良、制造加工精度高、質(zhì)量可靠。其中法國(guó)CBE在鋼模制造上最為專業(yè)，也是世界上最大的模具制造商，主要生產(chǎn)附著式整體振搗和振動(dòng)臺(tái)整體振搗鋼模，可提供管片生產(chǎn)自動(dòng)流水線，同時(shí)提供管片生產(chǎn)的配套設(shè)備，包括:提取設(shè)備、真空吸盤、混凝土管片夾具、吊裝工具、反轉(zhuǎn)架、運(yùn)輸移動(dòng)設(shè)備。上海隧道股份在國(guó)內(nèi)目前市場(chǎng)占有率最高，約占60% ～70%，已生產(chǎn)鋼模600余套，鋼模質(zhì)量精度較高，以手工插入式振搗方式為主。河北眾鑫源是近年來(lái)發(fā)展比較快的民營(yíng)企業(yè)，主要生產(chǎn)附著振搗式鋼模，近年業(yè)績(jī)?cè)鲩L(zhǎng)較快。杭州鐵牛是臺(tái)灣技術(shù)，可提供人工振搗式和附著振搗式兩種模具，有多年管模制造經(jīng)驗(yàn)。

4.2 國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家的鋼模制造成本和生產(chǎn)周期

目前國(guó)內(nèi)采用盾構(gòu)法修建地鐵的城市均在城市附近修建了盾構(gòu)管片生產(chǎn)廠，所有的管片生產(chǎn)廠家在生產(chǎn)第一批管片的時(shí)候均采用新購(gòu)的管片鋼模，并且每套管片鋼模均有一定的生產(chǎn)使用壽命(一般壽命在3 000套左右)，6.0 m直徑的鋼模每套價(jià)格為60～80萬(wàn)元人民幣，生產(chǎn)周期一般為3月。

管片鋼模的制造成本主要由以下幾部分組成:工裝設(shè)備費(fèi)，鋼材用鋼量，圖紙?jiān)O(shè)計(jì)費(fèi)，材料加工費(fèi)，批量大小(成本攤銷)。鋼模類型不同、使用振搗方式不同價(jià)格也不一樣。一般附著振搗式模具價(jià)格略高，管片外徑為6 000 mm時(shí)，每套地鐵標(biāo)準(zhǔn)鋼模價(jià)格在75～77萬(wàn)元人民幣，而人工插入式振搗鋼模價(jià)格約在68～70萬(wàn)元人民幣。當(dāng)管片外徑增大到6 700 mm時(shí)，鋼模造價(jià)會(huì)隨之增加，根據(jù)廠家估算每套鋼模造價(jià)會(huì)比6 000 mm直徑鋼模增加3～5萬(wàn)元人民幣，最高在78～82萬(wàn)元人民幣之間。直徑9 800 mm的鋼模價(jià)格約130～140萬(wàn)元人民幣。直徑不同鋼模價(jià)格如表1所示。

表1 不同直徑鋼模價(jià)格(萬(wàn)元人民幣)

模具的生產(chǎn)周期一般2個(gè)半到3個(gè)月，管片直徑增大到6700 mm，鋼模交貨時(shí)間要增加15～25天，主要是圖紙?jiān)O(shè)計(jì)需要時(shí)間。

國(guó)內(nèi)管片鋼模生產(chǎn)廠家相關(guān)情況如表2所示。

表2 國(guó)內(nèi)管片鋼模生產(chǎn)廠家進(jìn)行調(diào)研情況

5 鋼模選型應(yīng)考慮的事項(xiàng)

(1)從管片廠投資角度看，人工插入式振搗鋼模對(duì)場(chǎng)地、管片廠的設(shè)備要求不高，可節(jié)省投資;附著式振動(dòng)器振搗自動(dòng)化化程度高，振動(dòng)效率高，振動(dòng)質(zhì)量穩(wěn)定，省工，省力，省時(shí)，由于對(duì)鋼模強(qiáng)度、剛度要求高，所以價(jià)格稍高。振動(dòng)臺(tái)整體振搗由于在生產(chǎn)中，模具頻繁吊運(yùn)，機(jī)械投入大。

(2)從生產(chǎn)效率上看，人工振搗式鋼模生產(chǎn)效率略低，一般每天可生產(chǎn)2～3環(huán)，而附著振搗式鋼模生產(chǎn)率較高，最高每天可生產(chǎn)4環(huán)。

(3)從鋼模使用壽命上看，人工插入式振搗，對(duì)鋼模本身振動(dòng)影響小，模具使用壽命長(zhǎng);附著式振動(dòng)器振搗對(duì)鋼模自身的剛度要求高，與振動(dòng)器連接的結(jié)構(gòu)件容易開(kāi)焊開(kāi)裂，模具使用壽命短。振動(dòng)臺(tái)整體振搗與附著式振動(dòng)器振搗類似，但對(duì)鋼模的危害低于附著式振搗器。

管片的脫模必須符合脫模斜度的要求。根據(jù)混凝土構(gòu)件的脫模經(jīng)驗(yàn)，管片的脫模斜度一般需達(dá)到3°以上，鋼模的設(shè)計(jì)也必須符合這一要求，否則容易造成混凝土“啃邊”而損壞管片［2］。

［1］虞祖藝.盾構(gòu)法隧道襯砌管片鋼模的設(shè)計(jì)［J］.上海建設(shè)科技，2007(5):19－20

［2］王佩明.隧道鋼筋混凝土管片鋼模的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.西部探礦工程，2005(5):101－102

［3］程建軍，時(shí)洪光.盾構(gòu)法隧道襯砌管片模具技術(shù)研究［J］.機(jī)械制造技術(shù).2011(2):77－80