劉興波

摘 要：針對(duì)常規(guī)仰拱組合鋼模板在仰拱施工過(guò)程中需要反復(fù)裝拆及倒運(yùn)、仰拱與仰拱填充需分別支模澆筑、仰拱施工工序多、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、混凝土施工質(zhì)量差、施工效率低等缺點(diǎn)， 通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和對(duì)隧道仰拱結(jié)構(gòu)研究、模擬分析論證，最終研制了一種能夠結(jié)合自行式仰拱棧橋?qū)崿F(xiàn)仰拱快速施工的整體模板裝置。通過(guò)在蒙華鐵路項(xiàng)目集義隧道中的應(yīng)用實(shí)踐證明，該裝置結(jié)合自行式仰拱棧橋克服了前述模板施工中存在的問(wèn)題，在實(shí)際操作中切實(shí)可行，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：隧道；仰拱；整體模板裝置；自行式仰拱棧橋

中圖分類號(hào)：U455.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）06-0109-03

隧道仰拱施工一直以來(lái)是影響施工進(jìn)度、質(zhì)量及安全控制的一道關(guān)鍵工序。在以往的仰拱施工過(guò)程中，由于仰拱施工對(duì)出碴車輛的干擾，很大程度上影響了隧道整體施工進(jìn)度。國(guó)內(nèi)隧道仰拱傳統(tǒng)襯砌施工多采用簡(jiǎn)易鋼便梁式仰拱棧橋配合仰拱組合鋼模板施工，存在通車安全和施工質(zhì)量難以得到保障、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、施工效率低下和施工形象較差等問(wèn)題。

蒙華鐵路項(xiàng)目業(yè)主方為提高工程施工質(zhì)量與安全保障、提高項(xiàng)目施工效率和施工機(jī)械化配套水平，要求施工單位采用自行式仰拱棧橋，每循環(huán)仰拱及填充澆筑施工24m。各施工單位均按要求配置了自行式仰拱棧橋，從根本上保障了通車安全、提升了施工效率，但是仰拱襯砌仍使用常規(guī)仰拱組合鋼模板。而常規(guī)仰拱組合鋼模板在仰拱襯砌中需要反復(fù)裝拆及倒運(yùn)，仰拱與填充需分別支模澆筑，存在仰拱施工工序多、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、施工效率低下、混凝土成型質(zhì)量差等一系列問(wèn)題。因此在自行式仰拱棧橋的基礎(chǔ)上研制一種結(jié)合棧橋使用的新型整體式仰拱及填充模板裝置十分必要。

本方案依托的項(xiàng)目為中鐵一局五公司蒙華鐵路項(xiàng)目管段的集義隧道，隧道為Ⅰ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)、高瓦斯隧道，隧道圍巖以砂巖泥巖互層為主，斷層發(fā)育、深層煤氣有瓦斯溢出可能性，是全線重難點(diǎn)工程。

1 整體式仰拱及填充模板裝置設(shè)計(jì)

1.1 產(chǎn)品方案

通過(guò)對(duì)常規(guī)仰拱組合鋼模板施工中存在的問(wèn)題分析，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和對(duì)隧道仰拱結(jié)構(gòu)研究，新型整體式仰拱及填充模板的設(shè)計(jì)思路如下：

（1）實(shí)現(xiàn)每循環(huán)仰拱及填充澆筑施工24m；

（2）結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)使用的自行式仰拱棧橋使用，使用過(guò)程中無(wú)需反復(fù)拆裝和機(jī)械配合，能自動(dòng)行走或隨棧橋一起行走；

（3）能夠避免棧橋通車產(chǎn)生的撓度對(duì)仰拱襯砌混凝土產(chǎn)生的不利影響；

（4）結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，具備較高的強(qiáng)度和剛度。

新型整體式仰拱及填充模板裝置方案包括仰拱及填充模板、起吊排架、輔助就位機(jī)構(gòu)、模板角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、支撐絲杠及液壓系統(tǒng)等，通過(guò)吊鏈懸掛于自行式仰拱棧橋上，如圖1所示。

仰拱及填充模板設(shè)計(jì)為箱形結(jié)構(gòu)，單節(jié)仰拱及填充模板縱向長(zhǎng)度為6m，兩端設(shè)有螺栓連接孔，通過(guò)螺栓連接組合成縱向長(zhǎng)度為24 m（或12m）的整體式仰拱及填充模板，就位后能夠同時(shí)滿足仰拱澆筑和仰拱填充澆筑兩道施工工序需要。該模板主要用料規(guī)格為：面板采用6mm鋼板，縱向筋采用規(guī)格為60×30矩形管，環(huán)向筋板采用6mm鋼板，兩端連接法蘭采用10mm鋼板。支撐絲杠采用φ159無(wú)縫鋼管。

1.2 工作原理

單節(jié)仰拱及填充模板通過(guò)螺栓連接形成縱向長(zhǎng)度為24m的整體模板，模板通過(guò)中間可伸縮的起吊排架通過(guò)吊鏈懸掛于自行式仰拱棧橋下方。整體模板裝置隨棧橋移動(dòng)至工位、鋼筋綁扎完成后，操作液壓系統(tǒng)升降油缸將模板降落，過(guò)程中可同時(shí)操作水平升縮油缸將左右側(cè)模板打開(kāi)，直至模板的一端與已襯砌端搭接100mm，另一端通過(guò)輔助就位機(jī)構(gòu)支撐在初支面上，通過(guò)角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)整模板擺角，直至模板就位完成。在兩側(cè)模板中間設(shè)置4根水平支撐絲杠，以抵抗仰拱混凝土澆筑過(guò)程中產(chǎn)生的水平力；在模板下部設(shè)置抗浮錨拉桿，以抵抗仰拱混凝土澆筑過(guò)程中產(chǎn)生的浮力。待仰拱混凝土澆筑完畢、強(qiáng)度達(dá)到要求后，澆筑仰拱填充混凝土，過(guò)程中模板狀態(tài)無(wú)需轉(zhuǎn)換。待仰拱填充混凝土澆筑完畢強(qiáng)度達(dá)到要求后，拆除模板中間水平支撐絲杠、割除模板下部的錨拉桿，操作液壓系統(tǒng)升降油缸提升模板，過(guò)程中可同時(shí)操作水平升縮油缸將左右側(cè)模板收收攏至棧橋兩側(cè)，模板脫模完成。整體模板裝置隨棧橋移動(dòng)至下一工位，進(jìn)入下一個(gè)工作循環(huán)。

1.3 模板剛度計(jì)算

就位情況下，模板一端與已襯砌端搭接，一端通過(guò)輔助就位機(jī)構(gòu)支撐在初支面上，此時(shí)模板自重產(chǎn)生的撓度最大，為最不利工況。因此采用受力分析軟件MSteel對(duì)模板在兩端簡(jiǎn)支工況下的剛度和強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，建模計(jì)算過(guò)程如圖2所示。

（1）截面參數(shù)。

截面上下不對(duì)稱

截面面積A=15750mm2

自重W=1.212kN/m

面積矩S=1653880mm3

抗彎慣性矩I=1005764780mm4

抗彎模量W=1886255（上邊緣）/2178809（下邊緣）mm3

塑性發(fā)展系數(shù)γ=1.05（上邊緣）/1.05（下邊緣）

（2）模板總長(zhǎng)12m受力計(jì)算，如圖3所示。

1）最大撓度：最大撓度1.90mm，最大撓跨比1/6332。

2）強(qiáng)度應(yīng)力。

最大剪應(yīng)力τ=Vmax*S/I/tw

=8.72*1653880/1005764780/6.0*1000

=2.4MPa≤fv=125MPa滿足！

上邊緣最大正應(yīng)力σ上=Mmax/γ上/W上

=26.17/1.05/1886255*1e6

=13.2MPa≤f=215MPa滿足！

下邊緣最大正應(yīng)力σ下=Mmax/γ下/W下

=26.17/1.05/2178809*1e6

=11.4MPa≤f=215MPa滿足！

3）穩(wěn)定應(yīng)力。

整體穩(wěn)定系數(shù)φb=0.80

最大壓應(yīng)力σ=Mmax/φb/W

=26.17/0.80/1886255*1e6

=17.3MPa≤f=215MPa滿足！

4）結(jié)論：模板總長(zhǎng)12m在兩端簡(jiǎn)支的情況下，自重產(chǎn)生的最大撓度為1.9mm，最大應(yīng)力為17.3MPa，完全能夠滿足模板定位使用需求。

（3）模板總長(zhǎng)24m受力計(jì)算。經(jīng)建模計(jì)算，模板總長(zhǎng)24m在兩端簡(jiǎn)支的情況下，自重產(chǎn)生的最大撓度為30.3mm，最大應(yīng)力為69.4MPa，因此施工過(guò)程中需在模板中部位置鋼筋上設(shè)置一個(gè)輔助墊塊，以提高仰拱襯砌混凝土成型精度。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 工程概況

中鐵一局五公司蒙華鐵路項(xiàng)目管段線路全長(zhǎng)16.229km，其中的集義隧道為Ⅰ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)、高瓦斯隧道，隧道圍巖以砂巖泥巖互層為主，斷層發(fā)育、深層煤氣有瓦斯溢出可能性，是全線重難點(diǎn)工程。全隧道設(shè)計(jì)有5個(gè)段落，共2413m為高瓦斯（位置在1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)斜井正洞工區(qū)），隧道洞身穿越11條斷層，施工中有較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。按照進(jìn)口、出口、3座斜井共5個(gè)工區(qū)8個(gè)工作面組織施工，計(jì)劃工期34個(gè)月。

2.2 仰拱襯砌施工工藝

施工準(zhǔn)備—移動(dòng)仰拱棧橋及整體模板裝置—清理仰拱底部雜物—測(cè)量放線—綁扎二次襯砌鋼筋（有鋼筋段）—仰拱及填充模板就位—拼裝仰拱端頭?！獫仓龉盎炷痢龉盎炷琉B(yǎng)護(hù)—澆筑仰拱填充混凝土—混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后拆除仰拱端頭?！龉凹疤畛淠０迕撃！苿?dòng)仰拱棧橋及整體模板裝置進(jìn)入下一循環(huán)施工。

2.3 施工要點(diǎn)

（1）技術(shù)準(zhǔn)備：仰拱二次襯砌施工技術(shù)交底已經(jīng)審批簽字，并對(duì)施工作業(yè)人員進(jìn)行技術(shù)交底和施工安全培訓(xùn)。

（2）模板移動(dòng)就位：①整體式仰拱及填充模板裝置懸掛在棧橋下部，隨自行式仰拱棧橋一起移動(dòng)；②整體式仰拱及填充模板就位時(shí)，中線、高程必須滿足設(shè)計(jì)要求，模板接縫嚴(yán)密，模板表面須光潔、平整；③模板就位后安裝模板中間的水平支撐絲杠，復(fù)查絲杠支撐位置尺寸無(wú)誤后，設(shè)置可靠的抗浮錨拉桿。④如需要，可通過(guò)角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)整模板擺角狀態(tài)；⑤混凝土澆筑前，模板表面須涂刷脫模劑。

（3）仰拱混凝土澆筑：①模板及仰拱處防排水設(shè)施安裝后經(jīng)質(zhì)檢工程師檢查合格后方可進(jìn)行混凝土澆筑；②混凝土在洞外采用拌和站集中拌和，混凝土罐車運(yùn)至洞內(nèi)進(jìn)行澆筑；③仰拱分段整幅施工，澆筑由仰拱中心向兩側(cè)對(duì)稱模筑，一次完成；④采用泵送混凝土澆筑方式，插入式振搗器將混凝土振搗密實(shí)；⑤澆筑仰拱混凝土過(guò)程中應(yīng)通過(guò)控制混凝土的坍落度和澆筑速度來(lái)控制仰拱混凝土的成型，同時(shí)應(yīng)注意觀察錨拉桿受力狀態(tài)變化情況；⑥混凝土拆模后應(yīng)對(duì)混凝土表面進(jìn)行保濕養(yǎng)護(hù)。

2.4 整體式仰拱及填充模板裝置應(yīng)用情況

（1）施工進(jìn)度：采用該整體式仰拱及填充模板裝置配合全液壓履帶式自行棧橋施工后，集義隧道實(shí)現(xiàn)了有鋼筋段二襯仰拱施工每月可施工5組，每月二襯仰拱可施工120m，為原施工組織進(jìn)度計(jì)劃的60m/月的200%；無(wú)鋼筋段仰拱每月可施工8組，每月仰拱可施工192m，為原施工組織進(jìn)度計(jì)劃的100m/月的192%。

（2）施工質(zhì)量：采用該整體式仰拱及填充模板澆筑成型混凝土表面平順度和整體質(zhì)量明顯優(yōu)于采用傳統(tǒng)仰拱組合鋼模板施工，現(xiàn)場(chǎng)施工照片詳見(jiàn)圖4。

（3）該整體式仰拱及填充模板裝置結(jié)合自行式棧橋在施工應(yīng)用中體現(xiàn)出如下特點(diǎn)：

①整體式仰拱及填充模板懸掛于棧橋上跟隨棧橋一起行走，模板橫向伸縮靈活、姿態(tài)可調(diào)，就位脫模方便，鋼筋綁扎等作業(yè)空間大。

②模板使用及移動(dòng)過(guò)程中無(wú)需機(jī)械配合，減少了施工機(jī)械消耗；仰拱及仰拱填充能夠一次施工24m，減少了施工縫的設(shè)置，節(jié)約了止水帶等材料消耗；避免了模板拆裝、倒運(yùn)作業(yè)工序，減少了仰拱及填充施工工序，減少了人工投入，大幅節(jié)約了施工成本。

③模板采用整體箱型結(jié)構(gòu)、剛度好，每循環(huán)澆筑24m，提高了施工的連續(xù)性和整體性，大大提高了仰拱施工的循環(huán)進(jìn)度。

④仰拱及仰拱填充可一次施工至設(shè)計(jì)標(biāo)高、避免了二次澆筑，頂面標(biāo)高和平整度易控制，混凝土成型質(zhì)量好。

⑤整體式仰拱及填充模板裝置與自行式仰拱棧橋之間通過(guò)吊鏈實(shí)現(xiàn)軟連接，避免了棧橋在通車過(guò)程中產(chǎn)生的震動(dòng)和撓度破壞剛澆筑完成的仰拱混凝土。

3 整體式仰拱及填充模板裝置綜合效益分析

3.1 人工費(fèi)對(duì)比

（1）在傳統(tǒng)仰拱施工中，多采用組合鋼模板每循環(huán)施做6m，仰拱與仰拱填充單獨(dú)支模，則每公里需投入人工費(fèi)計(jì)算如下：

鋼筋工：8人×200元/工日×1.5個(gè)工日×167個(gè)循環(huán)=400800元；

混凝土工：3人×200元/工日×2個(gè)工日×167個(gè)循環(huán)=200400元；

模板工：4人×200元/工日×2個(gè)工日×167個(gè)循環(huán)=267200元；

采用組合鋼模板施工每公里人工費(fèi)成本為868400元。

（2）采用整體式仰拱及填充模板裝置施工，每循環(huán)施做24m，每公里需投入人工費(fèi)計(jì)算如下：

鋼筋工：10人×200元/工日×2個(gè)工日×42個(gè)循環(huán)=168000元；

混凝土工：3人×200元/工日×2個(gè)工日×42個(gè)循環(huán)=50400元；

模板工：3人×200元/工日×1個(gè)工日×42個(gè)循環(huán)=25200元；

采用整體式仰拱及填充模板裝置施工每公里人工費(fèi)成本為243600元。

經(jīng)對(duì)比，采用整體式仰拱及填充模板裝置施工較采用傳統(tǒng)組合鋼模板施工每公里節(jié)約人工費(fèi)868400元-243600元=624800元。

3.2 工期對(duì)比

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工及經(jīng)驗(yàn)，采用傳統(tǒng)仰拱組合鋼模板施工仰拱周期為4m/天，每公里需施工250天；采用新型整體式仰拱及填充模板施工周期為12m/天，每公里需施工83天；因此采用新型整體式仰拱及填充模板施工較傳統(tǒng)組合鋼模板每公里能夠縮短工期167天（實(shí)際縮短工期天數(shù)還需參考掌子面開(kāi)挖進(jìn)度等其他因素）。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)在蒙華鐵路項(xiàng)目集義隧道中的應(yīng)用實(shí)踐證明，該整體式仰拱及填充模板結(jié)合自行式仰拱棧橋的應(yīng)用，避免了常規(guī)仰拱及填充模板在施工過(guò)程中需要反復(fù)裝拆及倒運(yùn)、仰拱與仰拱填充需分別支模澆筑等問(wèn)題，只需首次組裝完成后即可重復(fù)利用、能夠同時(shí)滿足仰拱和仰拱填充兩道工序的使用，減少了仰拱施工工序、節(jié)約了人工投入，顯著改善了仰拱及仰拱填充的施工質(zhì)量、降低了施工成本，經(jīng)濟(jì)社會(huì)效應(yīng)顯著，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

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