南曉飛 程士華

(1.濮陽(yáng)黃河河務(wù)局，河南 濮陽(yáng) 457000；2.鄆城縣隨官屯鎮(zhèn)人民政府，山東 菏澤 274704)

1 工程概況

隨著黃河小浪底調(diào)水調(diào)沙，黃河下游河道持續(xù)下切，原彭樓灌區(qū)渠首處河道下切約2.8m，造成彭樓引黃閘過流能力嚴(yán)重不足、閘前渠道淤積嚴(yán)重，故對(duì)原彭樓閘進(jìn)行改擴(kuò)建。范縣彭樓改擴(kuò)建工程設(shè)計(jì)灌溉面積233.54萬(wàn)畝，工程等別為Ⅰ等，工程規(guī)模為特大型。改擴(kuò)建工程渠首段的主要建設(shè)內(nèi)容為彭樓渠首閘、渠首段引渠和彭樓穿堤閘，其中渠首閘工程位于彭樓險(xiǎn)工27～28壩之間，閘軸線與工程連壩軸線夾角成60°，閘室后接一聯(lián)5孔的6節(jié)鋼筋混凝土箱形涵洞(6節(jié)×10m)；穿堤閘工程位于黃河北岸大堤樁號(hào)106+600處，閘軸線與黃河大堤垂直，閘室后接一聯(lián)5孔的鋼筋混凝土箱形涵洞(14節(jié)×10m)。

2 方案思路

2.1 緣由

范縣彭樓改擴(kuò)建工程的渠首閘和穿堤閘的結(jié)構(gòu)基本相同，兩閘閘室出口的每節(jié)涵洞段的凈寬和凈高結(jié)構(gòu)尺寸均為3m×3.5m，頂板、底板、邊墻和中隔墻的厚度均為0.6m，每節(jié)長(zhǎng)均為10m，為一聯(lián)5孔；不同之處只是節(jié)數(shù)不同，渠首閘涵洞共6節(jié)，穿堤閘涵洞共14節(jié)。

針對(duì)涵洞結(jié)構(gòu)的共同點(diǎn)，相關(guān)技術(shù)人員借鑒以往的施工經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為可采用滿足涵洞結(jié)構(gòu)、同一鋼結(jié)構(gòu)尺寸的鋼內(nèi)模臺(tái)車進(jìn)行施工，臺(tái)車不但要保證鋼內(nèi)模的可移動(dòng)性，還要保證鋼內(nèi)模的整體性、強(qiáng)度和剛度等要求。應(yīng)用這一方法，能有效降低施工成本，全面壓縮施工工期。

2.2 方案確定

根據(jù)渠首閘和穿堤閘涵洞段斷面、結(jié)構(gòu)型式的一致性，理論上確定采用“三個(gè)臺(tái)車”方案：?依據(jù)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)尺寸通過3D軟件在電腦中繪制出臺(tái)車模型，設(shè)計(jì)出可升降、可固定、可行走的“模擬臺(tái)車”；?對(duì)預(yù)設(shè)的“模擬臺(tái)車”設(shè)計(jì)出不同規(guī)格型號(hào)的待拼裝模板尺寸圖紙，并計(jì)算出鋼內(nèi)模臺(tái)車的混凝土荷載、移動(dòng)荷載、強(qiáng)度、剛度、拉桿、支撐等數(shù)據(jù)，構(gòu)建“數(shù)字臺(tái)車”；?在模擬臺(tái)車和數(shù)字臺(tái)車基礎(chǔ)上工廠制作、加工、現(xiàn)場(chǎng)試拼、安裝和運(yùn)行“實(shí)體臺(tái)車”。

3 移動(dòng)臺(tái)車設(shè)計(jì)

3.1 模擬臺(tái)車

通過3D軟件繪制出完全符合施工設(shè)計(jì)圖紙結(jié)構(gòu)以及斷面尺寸的立體臺(tái)車，為臺(tái)車的模板設(shè)計(jì)提供基本理論數(shù)據(jù)，見圖1～圖3。

圖1 臺(tái)車橫斷面

圖2 模板斷面

圖3 支撐縱斷面

3.2 數(shù)字臺(tái)車

兩閘涵洞段過水的斷面尺寸為3m×3.5m，每節(jié)長(zhǎng)度為10m，為一聯(lián)5孔的結(jié)構(gòu)型式，其中渠首段共計(jì)6節(jié)，穿堤閘共計(jì)14節(jié)，為確保2021年汛前具備下閘擋水條件，合理計(jì)算成本和效益，計(jì)劃渠首閘使用一套“一聯(lián)5孔”的定型鋼內(nèi)模移動(dòng)臺(tái)車，穿堤閘使用兩套“一聯(lián)5孔”的定型鋼內(nèi)模移動(dòng)臺(tái)車。在確定模擬臺(tái)車方案理論基礎(chǔ)前提下設(shè)計(jì)指導(dǎo)施工的模板設(shè)計(jì)圖紙。

3.2.1 鋼模板設(shè)計(jì)

根據(jù)單節(jié)涵洞斷面厚度、長(zhǎng)度和寬度，為保證鋼內(nèi)模的強(qiáng)度和鋼度，確定鋼模板的板厚為5mm。

a.頂模板設(shè)計(jì)。頂板設(shè)計(jì)采用縱向兩排各7塊1.2m×1.5m的鋼模板并用螺栓進(jìn)行拼接。

b.側(cè)模板設(shè)計(jì)。側(cè)板設(shè)計(jì)采用組合鋼模板，鋼模板規(guī)格有1.2m×1.5m、0.2m×1.5m，縱向均為7塊，同樣用螺栓進(jìn)行拼接。

c.倒角模板設(shè)計(jì)。根據(jù)施工圖紙要求，涵洞洞身4個(gè)角為135°倒角，故臺(tái)車縱向兩側(cè)采用工廠加工組合式倒角鋼模板與頂板、側(cè)板連接，倒角組合鋼模為0.35m×1.5m、0.1m×1.5m，各為7塊縱向布置，用螺栓進(jìn)行拼接。

3.2.2 支撐設(shè)計(jì)

a.鋼管支撐。為提高臺(tái)車的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，臺(tái)車鋼內(nèi)模的支撐至關(guān)重要，設(shè)計(jì)采用φ50壁厚為3mm的鋼管支撐。橫斷面豎向設(shè)4排鋼管，橫向設(shè)3排鋼管，左右和上下側(cè)凈寬度為0.6m；縱斷面橫向支撐采用3排鋼管，縱向采用15排鋼管布置；臺(tái)車內(nèi)側(cè)橫斷面和縱斷面方向各設(shè)置剪刀撐4組進(jìn)行加強(qiáng)加固。

b.升降頂絲設(shè)計(jì)及連接。臺(tái)車由鋼模板拼裝為整體形式，在使用鋼管進(jìn)行“硬”支撐的前提下仍需要可松可緊的“軟”支撐，“軟”支撐設(shè)計(jì)為高強(qiáng)螺桿可旋轉(zhuǎn)頂絲，在臺(tái)車內(nèi)部中每道縱橫鋼管的兩端均設(shè)置頂絲，見圖4。

圖4 頂絲連接圖

頂絲作用為：?可使臺(tái)車頂模的高程有可控制性的調(diào)整支撐；?為使鋼管間保持整體和垂直度可微調(diào)緊固；?可抬起行走用的滾動(dòng)腳輪；?作為臺(tái)車的主要荷載支撐。

c.椎體和拉桿。為保證臺(tái)車側(cè)面與涵洞洞身混凝土墻體外側(cè)鋼模板的強(qiáng)度和穩(wěn)定，不至于在澆筑混凝土?xí)r“跑模、漲?！保褂靡话愕膶?duì)位螺桿滿足不了厚度為0.6m的混凝土的側(cè)壓力，故采用高強(qiáng)螺桿與錐體連接、雙鋼管配合壓板進(jìn)行固定和對(duì)拉，見圖5。

3.2.3 移動(dòng)設(shè)計(jì)

鋼內(nèi)模臺(tái)車設(shè)計(jì)初衷是快捷、高效、降成本，為達(dá)到這一目標(biāo)，當(dāng)涵洞頂?shù)幕炷翉?qiáng)度達(dá)到75%以上時(shí)，能把臺(tái)車輕松地從成型的混凝土涵洞中移動(dòng)到下一節(jié)待施工的涵洞位置處，首先要保證能脫模和移動(dòng)。

a.滾動(dòng)輪。整體臺(tái)車脫模后需要行走到下節(jié)涵洞作為內(nèi)模進(jìn)行混凝土澆筑，臺(tái)車的移動(dòng)有軌道式、電動(dòng)式、液壓式、滾動(dòng)式等方式，從低成本思路考慮，臺(tái)車設(shè)計(jì)采用φ300滾動(dòng)式內(nèi)鐵外塑雙腳輪行走方式。

圖5 模板拉桿細(xì)部圖 (單位：mm)

b.輪梁設(shè)計(jì)。當(dāng)滾動(dòng)輪行走時(shí)，輪梁承擔(dān)著臺(tái)車及內(nèi)部所有鋼管重量的作用，故輪梁設(shè)計(jì)為兩根通長(zhǎng)為9m的100mm×100mm×5mm方管焊接到雙腳輪中軸上，見圖6。

圖6 輪梁縱橫斷面 (單位：mm)

3.2.4 承載力驗(yàn)算

涵洞臺(tái)車的鋼模板分為頂模和左右側(cè)邊模，臺(tái)車的荷載主要有混凝土荷載、模板及其支架自重荷載、鋼筋和埋件的荷載、工作人員及澆筑設(shè)備工具荷載、振動(dòng)混凝土的荷載、活荷載等，這些荷載主要通過頂模傳遞到臺(tái)車內(nèi)部各鋼管支架后由混凝土底板承載；邊模主要受側(cè)壓力的荷載，側(cè)壓力與澆筑混凝土的高度密切相關(guān)。

a.臺(tái)車邊模側(cè)壓力驗(yàn)算。涵洞兩側(cè)模板的固定主要依靠高強(qiáng)度的螺桿(模板拉桿)緊固內(nèi)外側(cè)鋼管進(jìn)行。

對(duì)側(cè)墻在混凝土澆筑時(shí)對(duì)鋼模板的最大側(cè)壓力進(jìn)行計(jì)算，參照《建筑手冊(cè)設(shè)計(jì)概念腳本過程》中“現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)模板的設(shè)計(jì)”、《水閘施工規(guī)范》(SL 27—2014)和《混凝土泵送施工技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 10—2011)，計(jì)算公式為

(1)

式中：F0為澆筑混凝土?xí)r側(cè)壓力，kN/m2；γ為混凝土的重度，kN/m3；t0為新澆混凝土的初凝時(shí)間，h；當(dāng)缺乏試驗(yàn)資料時(shí)，可采用t0=200/(T+15)計(jì)算；T為混凝土的溫度，℃；β1為外加劑影響系數(shù)，不加外加劑時(shí)取1.0，摻有緩凝作用的外加劑時(shí)取1.2；β2為混凝土坍落度影響修正系數(shù)，當(dāng)坍落度小于3cm時(shí)取0.85，當(dāng)坍落度為5～9cm時(shí)取1.0，當(dāng)坍落度為11～15cm時(shí)取1.15；v為混凝土的澆筑速度，m/h。

通過分析計(jì)算可知，涵洞側(cè)墻的側(cè)壓力滿足設(shè)計(jì)值，同時(shí)臺(tái)車側(cè)?；炷恋臐仓叨葍H為3.5m，側(cè)壓力受力較小，只要拉桿剛度和錨固件的質(zhì)量可靠，基本可對(duì)沖臺(tái)車的側(cè)壓力影響。

b.臺(tái)車頂模壓力驗(yàn)算。在涵洞頂混凝土澆筑時(shí)混凝土的自重、頂板鋼筋的重量及可變荷載等靠臺(tái)車模板支撐，模板的整體強(qiáng)度即有頂板和內(nèi)支撐的鋼管來(lái)承受，以保證模板在工作時(shí)有可靠的穩(wěn)定性。

臺(tái)車模板沿水流方向看是個(gè)長(zhǎng)方體，涵洞是一聯(lián)5孔的結(jié)構(gòu)型式，即一套涵洞模板由5臺(tái)臺(tái)車組合而成，這里只對(duì)其中一孔的單個(gè)臺(tái)車進(jìn)行受力分析。模板頂混凝土厚度為0.6m，臺(tái)車的頂模為10m×2.5m，通過前述“鋼管支撐”的設(shè)計(jì)是加密布置，其力學(xué)模型以頂部長(zhǎng)1.5m、寬2.5m這部分模板進(jìn)行分析和強(qiáng)度校核，其受力簡(jiǎn)圖見圖7。

圖7 臺(tái)車頂模板受力簡(jiǎn)圖 (單位：mm)

利用有限元理論進(jìn)行分析，有限元分析是通過電算進(jìn)行的，這里按一根梁進(jìn)行分析，簡(jiǎn)化后梁?jiǎn)卧W(xué)模型按簡(jiǎn)支梁處理，因?yàn)閮蛇呌袖摴芰⒅?。通過分析計(jì)算可知，整個(gè)模板的強(qiáng)度和剛度是足夠的。

4 實(shí)體臺(tái)車和施工過程控制

4.1 移動(dòng)臺(tái)車行走基面

在臺(tái)車拼裝前首先對(duì)“一聯(lián)5孔”涵洞的基礎(chǔ)進(jìn)行全面施工，基礎(chǔ)是臺(tái)車行走，上部結(jié)構(gòu)、回填土方承載的基面。本工程的基礎(chǔ)是C30混凝土，基面的質(zhì)量和平整度是臺(tái)車能否順利行走的前提，另外，基礎(chǔ)質(zhì)量也是整個(gè)涵洞高程控制的標(biāo)尺，是混凝土質(zhì)量的必控項(xiàng)。

4.2 移動(dòng)臺(tái)車的拼裝

臺(tái)車的拼裝按施工放線和鋼筋綁扎、側(cè)板安裝、鋼輪及輪梁安裝、鋼管支撐搭設(shè)、頂板安裝、整體定位和校正等順序進(jìn)行。

4.2.1 施工放線和鋼筋綁扎

施工放線不但是整個(gè)工程的關(guān)鍵也是對(duì)臺(tái)車設(shè)計(jì)尺寸是否精確的考量，模板為澆筑鋼筋混凝土提供可靠成型的工具，側(cè)模安裝前需進(jìn)行鋼筋的安裝和驗(yàn)收。

4.2.2 側(cè)板安裝

在側(cè)板安裝前先在加工廠進(jìn)行試拼裝，試拼滿足臺(tái)車設(shè)計(jì)要求后分三組(每組3m)吊入基礎(chǔ)面再分組拼裝。

4.2.3 鋼輪及輪梁的安裝

為保證臺(tái)車的整體移動(dòng)，行走的鋼輪和輪梁的質(zhì)量必須可靠，鋼輪為φ300內(nèi)鐵外塑雙腳輪，輪梁為100mm×100mm×5mm、長(zhǎng)10m的方鋼，一條輪梁帶兩組鋼輪，一孔涵洞的臺(tái)車共有兩條輪梁。

4.2.4 臺(tái)車內(nèi)支撐

臺(tái)車的鋼管內(nèi)支撐采用φ50、壁厚為3mm的鋼管，為滿堂紅鋼管腳手架，設(shè)置縱、橫向剪刀撐若干。

4.2.5 頂模的安裝

頂模是涵洞上部混凝土主要受力面板，拼裝的穩(wěn)固、平整可減少下部鋼管支撐的調(diào)整幅度，也可使頂模均衡承載永久荷載、活荷載等，對(duì)提高洞頂混凝土質(zhì)量起到重要作用。

4.2.6 高強(qiáng)螺桿與頂絲

對(duì)待行走的臺(tái)車只有松開所有固定螺桿和頂絲才能使臺(tái)車移動(dòng)，故固定螺桿和頂絲是整個(gè)臺(tái)車模板“縮徑”、頂固和升降的關(guān)鍵所在，螺桿和頂絲不但能緊固(松懈)架桿、模板，保證臺(tái)車模板的整體性，還起到升降臺(tái)車的作用，底部的頂絲在澆筑混凝土?xí)r旋升鋼輪，使鋼輪懸空不受力，當(dāng)需要移動(dòng)臺(tái)車時(shí)，可松降頂絲使鋼輪著地，利于行走。

4.2.7 臺(tái)車的移動(dòng)

涵洞的側(cè)墻和頂板混凝土澆筑完成后，待混凝土強(qiáng)度達(dá)到75%時(shí)，可推動(dòng)臺(tái)車至下節(jié)涵洞位置處作為整體內(nèi)模繼續(xù)循環(huán)使用，見圖8。

圖8 臺(tái)車移出

5 應(yīng)用效果

臺(tái)車的使用重在早規(guī)劃、早設(shè)計(jì)，循環(huán)使用是降成本、提效益的關(guān)鍵，整體可移動(dòng)性是趕工期的重點(diǎn)。

本工程從設(shè)計(jì)、定制、試拼、安裝、運(yùn)行都做了充足的準(zhǔn)備，渠首閘工程6節(jié)涵洞、穿堤閘工程14節(jié)涵洞，結(jié)構(gòu)型式和斷面尺寸一致，共20節(jié)涵洞，為趕工期、降成本共制作移動(dòng)臺(tái)車3套，每套臺(tái)車(一聯(lián)5孔)材料費(fèi)用為35萬(wàn)元，3套臺(tái)車的制作成本約105萬(wàn)元。

5.1 運(yùn)行對(duì)比

渠首閘和穿堤閘工程閘室出口段為漸變涵洞段，該漸變段的結(jié)構(gòu)型式與涵洞段尺寸有所不同，故只能作為單節(jié)進(jìn)行單獨(dú)組裝，為趕工期，施工過程中又增加兩套單節(jié)鋼模板為非移動(dòng)式鋼內(nèi)模(簡(jiǎn)稱固定臺(tái)車)。

移動(dòng)臺(tái)車與固定臺(tái)車的主要區(qū)別在于所使用的人工費(fèi)和拼裝時(shí)間的不同，固定臺(tái)車所用材料與移動(dòng)臺(tái)車基本相同，只是缺少移動(dòng)裝置，這里按一套移動(dòng)臺(tái)車的材料成本進(jìn)行對(duì)比分析。初期移動(dòng)臺(tái)車的安裝與固定臺(tái)車安裝所用人工和時(shí)間大致相同，后期的移動(dòng)臺(tái)車就體現(xiàn)出完全不同的工作效率和運(yùn)行成本。

5.1.1 固定臺(tái)車施工

固定臺(tái)車也為“一聯(lián)5孔”的結(jié)構(gòu)型式，經(jīng)測(cè)算，固定臺(tái)車從模板拼裝、內(nèi)模鋼管安裝、頂絲調(diào)整、結(jié)構(gòu)尺寸校核到具備驗(yàn)收和澆筑混凝土條件等用時(shí)25天，需要20人完成，材料費(fèi)為35萬(wàn)元。

5.1.2 移動(dòng)臺(tái)車施工

對(duì)渠首閘和穿堤閘三套臺(tái)車的運(yùn)行進(jìn)行測(cè)算，每套移動(dòng)臺(tái)車從已澆筑混凝土涵洞內(nèi)推到下節(jié)待施工的涵洞中，安裝、固定、調(diào)試完成約2天，只需10人即可完成，材料費(fèi)為35萬(wàn)元。

5.2 成本分析

5.2.1 人工成本

a.固定臺(tái)車用工。如果采用上述固定臺(tái)車施工的方式，人工20人，用時(shí)25天，為便于對(duì)比分析，暫按18節(jié)涵洞施工考慮，合計(jì)用工450個(gè)工日，人工工資300元/天，人工成本12.5萬(wàn)元。

b.移動(dòng)臺(tái)車用工。從上面的測(cè)算分析可知，每套臺(tái)車拆、安、調(diào)的工序完成用工10人，渠首閘和穿堤閘共20節(jié)涵洞，除初期安裝的前2節(jié)(渠首閘和穿堤閘各1節(jié))外，使用臺(tái)車施工的共18節(jié)，每套臺(tái)車用時(shí)10天，合計(jì)用工180個(gè)工日，人工工資300元/天，人工成本5.4萬(wàn)元。

5.2.2 工期成本

a.固定臺(tái)車鋼模板安裝完成約25天，按18節(jié)涵洞、3套鋼模板計(jì)算，工期為150天，約5個(gè)月才能完成所有涵洞模板的安裝工作，從合同計(jì)劃工期完成和黃河防汛角度分析是不可行的。

b.一套移動(dòng)臺(tái)車安裝完成僅需2天即可完成，同樣按18節(jié)涵洞、3套臺(tái)車計(jì)算，12天即可完成移動(dòng)臺(tái)車的安裝工作，較固定臺(tái)車模板安裝縮短工期138天。

5.3 效益分析

本工程在涵洞工程施工階段共用150余人，人工成本為4.5萬(wàn)元/天，間接成本(管理費(fèi)用、生活費(fèi)、電費(fèi)、租賃費(fèi)、機(jī)械費(fèi)等)約1萬(wàn)元/天，平均綜合成本5.5萬(wàn)元/天。按上述分析，固定臺(tái)車的工期成本為150×5.5=825萬(wàn)元，移動(dòng)臺(tái)車的工期成本為12×5.5=66萬(wàn)元，按工期縮短138天計(jì)算，工期成本可減少759萬(wàn)元，總成本減少795萬(wàn)元，見表1。

6 結(jié) 語(yǔ)

移動(dòng)臺(tái)車以“模擬臺(tái)車”內(nèi)的鋼模板、支撐、頂絲、拉桿、滾動(dòng)膠輪等立體結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出各個(gè)組合模板的尺寸、支撐方式、頂絲等組件的大樣圖尺寸，形成能指導(dǎo)施工的“數(shù)字臺(tái)車”，以“數(shù)字臺(tái)車”為依托對(duì)“實(shí)體臺(tái)車”進(jìn)行拼裝組合、架設(shè)、安裝。本工程采用“三個(gè)臺(tái)車”理念組織施工，起到了降成本、增效益、縮短工期的作用，具有安全、高效、低成本、混凝土澆筑后內(nèi)外質(zhì)量有保證等特點(diǎn)，有廣闊的推廣應(yīng)用價(jià)值和前景。

表1 效益分析

工程所用的移動(dòng)臺(tái)車目前的模板拼裝、加固、支撐和臺(tái)車移動(dòng)主要以人工操作為主，以機(jī)械為輔助，自動(dòng)化程度偏低，隨著混凝土施工技術(shù)的不斷成熟，運(yùn)用現(xiàn)代科技手段將形成更為完善、先進(jìn)，自動(dòng)化程度更高的“移動(dòng)臺(tái)車”。