地铁管片模具中联结螺栓部分设计浅析.docVIP

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。 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30~36mm，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3~5mm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 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