張富強(qiáng)，孫 振

(1.中鐵三局集團(tuán)有限公司，山西 太原 030000；2.山東科技大學(xué) 土木建筑學(xué)院，山東 青島 266510)

在單洞雙線海底隧道施工中，為避免左右線軌道列車行駛的干擾以及防火分區(qū)的要求，需要在隧道中部設(shè)置中隔墻將其分開[1]。中隔墻傳統(tǒng)澆筑方式存在施工進(jìn)度緩慢、影響隧道掘進(jìn)方向的車輛通行、混凝土外觀質(zhì)量差、施工成本高等缺點(diǎn)[2-3]。通過對中隔墻模板臺車深入地調(diào)研和查閱大量工程實(shí)例資料，結(jié)合青島地鐵1號線瓦屋莊站—貴州路站區(qū)間(以下簡稱瓦貴區(qū)間)海底隧道現(xiàn)場情況，設(shè)計(jì)了大斷面海底隧道用T-I型中隔墻模板臺車。本文對其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行探討，以期為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

青島地鐵1號線瓦貴區(qū)間起自黃島區(qū)瓦屋莊站，沿既有膠州灣隧道東側(cè)向北下穿膠州灣灣口后，接入青島主城區(qū)貴州路站，線路全長約8.07 km。其中01標(biāo)段長4.76 km，采用礦山法開挖，襯砌為復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，襯砌混凝土強(qiáng)度等級為C50，防水抗?jié)B等級為P12，區(qū)間隧道斷面內(nèi)凈空尺寸為10.1 m(寬)×7.01 m(高)。雙線隧道中隔墻長 3 886 m(如圖1所示)，中隔墻混凝土厚400 mm，混凝土強(qiáng)度等級為C35，中隔墻距水溝內(nèi)側(cè)3.9 m。I型中隔墻長 2 365 m，高7.01 m(其中加寬JK1橫斷面長51 m，高7.96 m；加寬JK2橫斷面長107 m，高7.31 m)；T型中隔墻長 1 521 m，高5.09 m，板厚200 mm。

圖1 瓦貴區(qū)間海底隧道01標(biāo)段中隔墻平面

2 T-I型中隔墻模板臺車設(shè)計(jì)

瓦貴區(qū)間海底隧道海域段與陸域段分別采用 T型和I型中隔墻(如圖2所示)，I型中隔墻分為居中I型與加寬I型。兩者中隔墻模板臺車設(shè)計(jì)位置、高度不同。如何設(shè)計(jì)臺車在不同結(jié)構(gòu)形式的中隔墻模板中通用，同時(shí)保證其外輪廓尺寸、車輛正常通行、安全質(zhì)量等，使得中隔墻模板臺車的設(shè)計(jì)難度加大[4-6]。

中隔墻模板臺車設(shè)計(jì)中必須滿足以下條件：

1)模板及支架應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性和抗上浮能力，能安全承受所澆筑混凝土的重力、側(cè)壓力以及在施工中可能產(chǎn)生的各種荷載，并且模板不凹凸、支架不偏移、不扭曲，多次重復(fù)使用不變形。為滿足模板臺車的剛度要求，模板接縫要嚴(yán)密不漏漿，表面平整度不大于3 mm，接縫錯(cuò)臺不大于2 mm,臺車前后端輪廓相差不大于3 mm，模板間隙不大于1.5 mm。

2)中隔墻模板臺車左右側(cè)門架下必須保證掌子面開挖時(shí)大型車輛順利通行，滿足裝載機(jī)左右兩側(cè)外輪距3 m和混凝土罐車高度4.2 m的要求，其中水溝距中隔墻的凈寬為3.9 m。

圖2 中隔墻模板結(jié)構(gòu)示意(單位：mm)

3)由于單洞雙線隧道在不同位置凈寬也不相同，如正常凈寬為10.1 m，而隧道交匯處最大凈寬為11.97 m。因采用了I型與T型中隔墻，故要確保中隔墻模板臺車滿足居中I型、加寬I型、T型中隔墻共用。在隧道高度變化、中隔墻結(jié)構(gòu)形式變化時(shí)需要增加調(diào)整塊及將模板分節(jié)。

2.1 支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中隔墻模板臺車由左右側(cè)對稱的構(gòu)造體系組成，有效長度為9.06 m，質(zhì)量為52 t。單側(cè)由獨(dú)立的門架、模板體系、橫縱向調(diào)整油缸系統(tǒng)、絲杠以及走行系統(tǒng)組成。門架一側(cè)放置在水溝平臺上，另一側(cè)放置在仰拱面上，便于加大門架下凈寬滿足車輛通行。門架一側(cè)連接模板體系，為避免臺車失去平衡，另一側(cè)在水溝側(cè)門架上增加80 kN配重。模板體系通過門架上液壓油缸調(diào)整就位，就位后通過對拉絲桿連接緊固。

在施作隧道二次襯砌時(shí)內(nèi)凈空擴(kuò)大50 mm，由于存在施工誤差，中隔墻模板臺車T型板寬度按照二次襯砌內(nèi)輪廓線擴(kuò)大30 mm設(shè)計(jì)。中隔墻下部先施工260 mm 墻體作為搭接段，搭接長度7.7 cm，便于中隔墻模板臺車豎向移動脫模，在門架頂梁設(shè)置支撐扁擔(dān)向左右滑移即可豎向脫模。

2.2 臺車門架設(shè)計(jì)

中隔墻模板臺車的單側(cè)由4套門架組成。門架的立柱和橫梁分別采用300H型鋼和400H型鋼，門架下凈寬3.135 m，凈高4.228 m，可滿足隧道開挖支護(hù)、襯砌作業(yè)的機(jī)械設(shè)備順利通行。

2.3 臺車模板體系設(shè)計(jì)

模板體系縱向由4塊模板拼裝而成。每塊模板縱向長2.25 m，模板面板為Q235鋼板，面板厚8 mm。每塊模板主楞由2組雙[20槽鋼背靠背焊接而成，間距1.25 m，次龍骨為[10槽鋼，間距0.4 m。

通過拆除支撐扁擔(dān)、水平油缸及斜向絲杠撐，旋轉(zhuǎn)I型中隔墻頂部模板作為T型中隔墻模板底板，將T型中隔墻模板底板轉(zhuǎn)換成I型中隔墻頂部模板，增加調(diào)整塊，在門架上設(shè)計(jì)T型橫向移動滾輪，實(shí)現(xiàn)I型中隔墻與T型中隔墻澆筑模板系統(tǒng)共用。

2.4 臺車液壓油缸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

T型中隔墻模板臺車單側(cè)共有液壓油缸10個(gè)(油缸主要技術(shù)參數(shù)見表1)，油缸分別為門架升降4個(gè)，旋轉(zhuǎn)2個(gè)，模板橫向移動2個(gè)，模板伸縮2個(gè)。I型中隔墻模板臺車單側(cè)共有液壓油缸8個(gè)，油缸分別為門架升降4個(gè)，模板橫向移動1個(gè)，模板伸縮1個(gè)，支撐扁擔(dān)移動伸縮2個(gè)。模板定位后門架頂部中隔墻懸臂長度為2.385 m。為避免模板橫向傾倒，設(shè)置直徑為70 mm的絲杠，間距1.5 m。

表1 油缸的主要技術(shù)參數(shù) mm

在模板脫模時(shí)，模板水平脫模及豎向調(diào)整由液壓系統(tǒng)完成，在模板定位及脫模時(shí)油缸采用同步裝置，液壓電機(jī)功率5.5 kW，工作壓力16 MPa，避免同向升縮進(jìn)程不同，從而引起模板體系變形。在模板與原二次襯砌接觸部位，采用旋轉(zhuǎn)油缸調(diào)節(jié)，避免模板與隧道的二次襯砌碰撞，便于臺車脫模拆除。模板橫向平整度由背楞保證，縱向剛度由門架保證。豎向脫模量150 mm，水平脫模量200 mm，確保脫模不影響已澆筑混凝土的質(zhì)量。

2.5 臺車行進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

臺車行進(jìn)系統(tǒng)由主動行走機(jī)構(gòu)組成，行走電機(jī)帶動主動輪在鋼軌上行走，鋼軌質(zhì)量為43 kg/m，軌距為3.95 m，臺車單側(cè)有4個(gè)驅(qū)動電機(jī)，功率1.25 kW。

2.6 臺車橫向絲杠及投料口設(shè)計(jì)

中隔墻模板臺車由液壓系統(tǒng)定位完成后，安裝對拉絲杠，對拉絲杠采用φ20 mm精軋螺紋鋼筋，縱向間距1.25 m，橫向間距1.5 m。

混凝土澆筑采用地泵逐層同步澆筑。為保證中隔墻混凝土外觀質(zhì)量，在臺車一側(cè)設(shè)計(jì)投料口，縱向設(shè)計(jì)4個(gè)，尺寸450 mm×450 mm，投料口設(shè)置在臺車模板的中部，滿足混凝土自由落體高度。縱向4個(gè)窗口連接溜槽，達(dá)到分層同步澆筑的要求。通過窗口進(jìn)行混凝土投料及插入式振搗。在臺車豎向模板上安裝附著式振搗器，縱向一側(cè)4個(gè)，兩側(cè)共8個(gè)，與插入式振搗器同步作業(yè)。

3 中隔墻模板臺車數(shù)值模擬

3.1 模板受力狀態(tài)

分以下2種狀態(tài)進(jìn)行分析：

1)模板澆筑混凝土?xí)r，此時(shí)模板主要承受混凝土側(cè)壓力、自重、混凝土沖擊力等，模板依靠內(nèi)部拉桿進(jìn)行受力，模板臺架不受力。

2)臺車走行時(shí)，臺車門架主要承受自身重量及模板自重。

中隔墻模板臺車所受荷載取值：混凝土側(cè)壓力50 kN/m2，傾倒混凝土?xí)r產(chǎn)生的豎向荷載取2 kN/m2，振搗混凝土對水平模板產(chǎn)生的荷載標(biāo)準(zhǔn)值取2 kN/m2。

3.2 材料主要參數(shù)

Q235鋼彈性模量E=2.1×1011Pa，剪切模量G=0.81×105MPa，密度ρ=7 850 kg/m3；Q235鋼軸向容許應(yīng)力[σa]=140 MPa，彎曲容許應(yīng)力[σw]=145 MPa，剪切容許應(yīng)力[στ]=85 MPa，組合容許應(yīng)力[σ組合]=160 MPa；容許撓度[f]=L/400=5 mm(L為計(jì)算跨徑)[7]。

3.3 模型與結(jié)果分析

3.3.1 狀態(tài)1

根據(jù)模板結(jié)構(gòu)，采用MIDAS2015結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算軟件，建立結(jié)構(gòu)計(jì)算模型(見圖3)進(jìn)行分析。取其中一塊模板建模進(jìn)行分析[8]。

圖3 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型(狀態(tài)1)

橫肋采用[10槽鋼，其受力情況見圖4?？梢姡簷M肋最大組合應(yīng)力為85.6 MPa，小于組合容許應(yīng)力160 MPa。

圖4 橫肋組合應(yīng)力(單位：MPa)

模板結(jié)構(gòu)的整體位移見圖5。可見：最大整體位移3.1 mm，小于容許撓度5 mm，滿足要求。

圖5 模板結(jié)構(gòu)整體位移(單位：mm)

3.3.2 狀態(tài)2

對臺車整體建模(見圖6)分析，不再逐一對桿件進(jìn)行分析。

圖6 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型(狀態(tài)2)

臺車整體桿件組合應(yīng)力見圖7?？梢姡涸谧畈焕M合荷載作用下臺車整體桿件最大組合應(yīng)力為26.4 MPa，小于組合容許應(yīng)力160 MPa，滿足要求。

圖7 臺車整體桿件組合應(yīng)力(單位：MPa)

臺車整體桿件彎曲應(yīng)力見圖8?？梢姡涸谧畈焕M合荷載作用下臺車整體桿件最大彎曲應(yīng)力為14.4 MPa，小于彎曲容許應(yīng)力145 MPa，滿足要求。

圖8 臺車整體桿件彎曲應(yīng)力(單位：MPa)

4 中隔墻模板臺車在工程中的應(yīng)用及驗(yàn)證

海底隧道用中隔墻模板臺車安裝施工流程如圖9所示[9]。

圖9 中隔墻模板臺車安裝施工流程

4.1 居中I型中隔墻模板臺車關(guān)鍵施工技術(shù)

1)測量確定鋼軌中心位置，擺放枕木鋪設(shè)鋼軌。

2)安裝相應(yīng)門架、豎向模板、液壓千斤頂、絲桿等支撐系統(tǒng)。

3)在中隔墻模板上刷涂脫模劑(濃縮型乳白色脫模劑(SH-96B))，通過調(diào)節(jié)水平液壓系統(tǒng)，使得中隔墻模板就位于設(shè)計(jì)位置，通過投料窗口澆筑混凝土，中隔墻模板之間通過絲杠緊固，澆筑混凝土。

澆筑順序采用地泵逐層逐窗澆筑，下一環(huán)澆筑前先將臺車固定端頂緊已完成襯砌，每環(huán)搭接長度5～7 cm，搭接處粘貼雙面膠條，搭接過長或不粘貼膠條會造成環(huán)形施工縫處漏漿和出現(xiàn)錯(cuò)臺現(xiàn)象，搭接過短會造成臺車對已澆筑混凝土產(chǎn)生壓力，出現(xiàn)裂縫等現(xiàn)象[10]。

4)每環(huán)澆筑完畢后臺車推往未綁扎鋼筋地段，對模板臺架進(jìn)行打磨作業(yè)，并涂刷脫模劑，確保臺車模板面板光亮。

4.2 加寬I型中隔墻模板臺車關(guān)鍵施工技術(shù)

1)通過測量，確定臺車中心位置、高程等信息，與居中I型中隔墻模板臺車不同之處在于隧道斷面加寬，門架一側(cè)不能放置在水溝平臺上，在該側(cè)添加調(diào)整塊加高門架，使門架的兩側(cè)同時(shí)放置在底板上。

2)將居中I型中隔墻模板臺車頂部調(diào)整塊卸下，安裝新的加長調(diào)整塊，滿足澆筑高度的要求。

4.3 T型中隔墻模板臺車關(guān)鍵施工要點(diǎn)

1)測量放線，鋪設(shè)鋼軌。澆筑方法同上。

2)拆除支撐扁擔(dān)、水平千斤頂及斜向絲杠撐，旋轉(zhuǎn)I型中隔墻頂部模板作為T型中隔墻模板底板，在頂板的最外側(cè)設(shè)置調(diào)節(jié)塊，鋪設(shè)小木方塊與隧道二次襯砌密貼。臺車模板利用液壓油缸和臺車下部滾輪橫向移動，整體門架豎向移動脫模。

5 采用T-I型中隔墻模板臺車的效益分析

以瓦貴區(qū)間海底隧道為例，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益測算。投入2臺9 m中隔墻模板臺車施工3.886 km中隔墻，二次襯砌施工完成1個(gè)月后中隔墻全部完成。將傳統(tǒng)方法(小模板拼裝搭設(shè)腳手架)和新工法(采用T-I型中隔墻模板臺車)的費(fèi)用和工期對比，見表2和表3。

表2 小模板拼裝搭設(shè)腳手架費(fèi)用及工期

表3 T-I型中隔墻模板臺車費(fèi)用及工期

對比表2和表3可以得出：在不考慮該工法工期提前減少相關(guān)費(fèi)用的情況下，比傳統(tǒng)方法節(jié)省費(fèi)用135.02萬元。

6 結(jié)論

針對大斷面海底隧道用中隔墻模板臺車的設(shè)計(jì)，采用MIDAS軟件，對中隔墻模板臺車的2種受力狀態(tài)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，驗(yàn)算了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，并在青島地鐵1號線瓦貴區(qū)間海底隧道中應(yīng)用，取得較好效果。得出結(jié)論如下：

1)瓦貴區(qū)間海底隧道中隔墻施工中，中隔墻模板臺車施工1環(huán)9 m，24 h可循環(huán)1次。而傳統(tǒng)的腳手架簡易模板則需要96 h，大大加快了中隔墻的施工進(jìn)度。從拆模效果來看，采用中隔墻模板臺車施工襯砌表面平整光潔，達(dá)到了混凝土施工內(nèi)實(shí)外美的效果。同時(shí)也節(jié)約了成本，保證了施工安全。

2)T-Ⅰ型中隔墻模板臺車可完成居中Ⅰ型、加寬Ⅰ型、T型中隔墻的施工，其關(guān)鍵技術(shù)可靠、經(jīng)濟(jì)環(huán)保、工藝成熟。

3)采用中隔墻模板臺車施工極大減少了人工、材料的支出，為項(xiàng)目節(jié)省了成本，保證了工期，并且提高了工程施工效率，具有環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、高效、快速施工的優(yōu)勢，有著廣闊的發(fā)展前景。