蘇培奇

（廣東省基礎工程集團有限公司 廣州 510620）

0 引言

隨著城市市政基礎設施的建設發(fā)展，城市隧道在城市道路中承擔著重要的交通功能，其對減少城市道路用地，縮短行車里程，疏導城市交通起到了非常積極的作用。隨著城市的發(fā)展，交通量日益增長，隧道斷面尺寸也越來越來大。傳統(tǒng)明挖隧道施工采用的支架法，投入的支架等周轉(zhuǎn)材料多，工效較低。以廣東省汕尾市某隧道工程為例，通過對隧道結(jié)構(gòu)施工拱架的設計，對支架結(jié)構(gòu)進行驗算分析，并提出優(yōu)化建議，為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

某項目隧道長度175 m（見圖1、圖2）。設計技術(shù)標準如下：

圖1 車行隧道建筑界限設計Fig.1 Construction Limit Design of Vehicular Tunnel （mm）

圖2 車行隧道內(nèi)輪廓設計Fig.2 The Outline Design of the Car Tunnel （mm）

⑴道路等級：城市主干路；

⑵主體結(jié)構(gòu)的設計使用年限：100 年；

⑶設計荷載：隧道內(nèi)部為城-A 級，隧道頂部最淺覆土厚度為4.5 m（GGK4+769.024、GGK4+944.024），覆土荷載65 kN/m2；最深覆土厚度為10 m（GGK4+826.809），覆土荷載120 kN/m2；覆土荷載不得超過上述值；人群荷載3.5 kN/m2；覆土頂部種植綠化荷載不超過5 kN/m2。

⑷設計車速：60 km/h；

⑸隧道內(nèi)凈空：車行道大于5 m；

⑹隧道襯砌厚度為1.2 m；

車行隧道建筑限界：凈寬17.50 m=1.0 m（左側(cè)檢修道，含0.25 m 余寬）+0.75 m（左側(cè)向?qū)挾龋?3.5 m×4（行車道）+0.75 m（右側(cè)向?qū)挾龋?1.0 m（右側(cè)檢修道，含0.25 m 余寬）；本次設計為雙向6 車道，預留雙向8 車道寬度。凈高5 m。

2 襯砌拱架設計

車行隧道襯砌采用拱架結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮拱軸向受壓的優(yōu)勢，拱架弧度與隧道襯砌弧度一致，拱圈采用工字鋼28b，拱架內(nèi)部立柱工字鋼24a，拱架內(nèi)部支撐采用工字鋼18，拱圈縱向連桿采用槽鋼14b。拱圈由專業(yè)廠家新制作，襯砌拱架拼裝及拆卸場地設置在工地現(xiàn)場。鋼拱架沿隧道縱向中心間距為1.5 m。

拱架體系總成：外模、內(nèi)模、端模、方木、拱架及底部支撐系統(tǒng)（見圖3）。模板之間皆由螺栓連接，模板開有工作窗，其作用為：①澆筑混凝土；②振搗混凝土；③涂脫模劑；④清理模板表面［1］。方木起到分配混凝土自重荷載的作用，拱架是主要承重構(gòu)件，底部支撐體系起到支撐拱架并將荷載傳遞給地基的作用。

圖3 車行隧道拱架結(jié)構(gòu)橫正視圖Fig.3 Front View of Arch Structure of Chehang Tunnel

3 襯砌拱架驗算

拱圈采用工字鋼28b，拱架內(nèi)部立柱工字鋼24a，拱架內(nèi)部支撐采用工字鋼18，拱圈縱向連桿采用槽鋼14b。

3.1 主要材料及材料應力

車行隧道模板拱架各桿件所用鋼材為Q235 鋼，模板拱架的各桿件以螺栓方式連接，Q235鋼材采用螺栓方式連接的材料容許應力為［σw］=145 MPa；［σz］=140 MPa；［τ］=85 MPa。

3.2 模型建立與分析

3.2.1 計算模型

車行隧道模板拱架截取一延米建立計算模型，采用通用有限元分析軟件Midas Civil 進行建模計算，將整個模板拱架離散為80 個單元，58 個節(jié)點。各關(guān)鍵桿件以實體單元進行模擬，各桿件之間的螺栓連接采用彈性連接中的剛性連接模擬，門架下縱梁的各節(jié)點采用固結(jié)處理，面板底部連接傳力桿與大地進行固結(jié)，模板拱架的面板采用板單元進行模擬，鋼拱架采用梁單元進行模擬［2］，車行隧道襯砌混凝土采用外荷載進行模擬，計算簡化模型如圖4所示。

圖4 車行隧道模板拱架簡化計算模型Fig.4 Simplified Calculation Model of Formwork Arch of Vehicular Tunnel

3.2.2 荷載計算

⑴模板拱架自重荷載

模板拱架自重由邁達斯根據(jù)各單元的材料容重、截面和長度自動計算確定。

⑵隧道襯砌結(jié)構(gòu)自重荷載

隧道襯砌結(jié)構(gòu)采用C40 防水混凝土，其中C40 混凝土容重為25 kN/m3，鋼筋容重取78.5 kN/m3（隧道結(jié)構(gòu)鋼筋含量為1.5 kN/m3），總?cè)葜卅胏=26.5 kN/m3，車行隧道襯砌厚度為120 cm，襯砌結(jié)構(gòu)混凝土的自重荷載q2k=26.5×1.2=31.8 kN/m2。

⑶新澆混凝土對模板拱架的側(cè)壓力荷載

當采用內(nèi)部振搗器時，新澆筑的混凝土作用于模板的側(cè)壓力荷載，可按下列公式計算，并取其中的較小值［3］：

式中：F為新澆混凝土對模板的側(cè)壓力計算值（kN/m2）；γc為混凝土的重力密度（kN/m3）；V為混凝土的澆筑速度（m/h）；t0為新澆筑混凝土的初凝時間（h），可按試驗確定，當缺乏試驗資料時，可采用t0=200/（T+15）（T為混凝土的溫度）；β1為外加劑影響修正系數(shù)，不摻外加劑時取1.0，摻具有緩凝作用的外加劑時取1.2；β2為混凝土坍落度影響修正系數(shù)，當坍落度小于30 mm時，取0.85；坍落度為50～90 mm 時，取1.00；坍落度為110～150 mm 時，取1.15；H為混凝土側(cè)壓力計算位置處至新澆混凝土頂面的總高度（m）；混凝土側(cè)壓力的計算分布圖形如圖5所示，h=F/γc，h為有效壓頭高度。

圖5 混凝土側(cè)壓力計算分布圖形Fig.5 Calculation of Concrete Side Pressure Distribution Graph

由于是泵送混凝土，所以，必摻外加劑，塌落度必大于11 cm，所以，對于泵送混凝土，混凝土溫度T取25 ℃，澆筑速度V取2 m/h，混凝土側(cè)壓力計算位置處至新澆混凝土頂面總高度H=10.7 m，上述計算公式為：

因此，混凝土對模板的側(cè)壓力取56.9 kN/m2；有效壓頭高度h=56.9/26.5=2.147 m。

⑷施工人員及設備荷載

施工人員及設備荷載標準值取2.5 kN/m2［4］。

⑸振搗混凝土荷載

對水平面模板可采用2 kN/m2，對垂直面模板可采用4 kN/m2，且作用范圍在新澆筑混凝土側(cè)壓力的有效壓頭高度之內(nèi)。

本模板拱架為弧面模板，取3 kN/m2，作用范圍在新澆筑混凝土側(cè)壓力的有效壓頭高度之內(nèi)。

⑹傾倒混凝土荷載

本項目采用天泵灌注混凝土，傾倒混凝土對垂直面模板產(chǎn)生的水平荷載取2 kN/m2，作用范圍在新澆筑混凝土側(cè)壓力的有效壓頭高度之內(nèi)［5］。

⑺荷載組合

由于隧道襯砌模板拱架只有自重和自重+襯砌混凝土澆筑施工兩個工況，顯而易見，工況二：自重+襯砌混凝土澆筑施工對于隧道襯砌模板拱架最不利，因此以工況二的結(jié)果作為主要計算工況。

荷載組合：1.2×（拱架自重荷載+襯砌自重荷載+側(cè)壓力荷載）+1.4×（施工人員及設備荷載+振搗混凝土荷載+傾倒混凝土荷載）。

3.2.3 驗算結(jié)果

⑴車行隧道模板拱架，在荷載基本組合作用下支座反力為每延米最大支座反力約16.94 t。

⑵在荷載基本組合作用下，車行隧道模板拱架架位移最大值位移拱頂兩側(cè)，最大位移約2.952 mm，如圖6所示。

圖6 模板拱架框架位移Fig.6 Displacement of Formwork Arch Frame （cm）

⑶車行隧道模板拱架彎矩圖，最大負彎矩值位于兩側(cè)拱腳，約為27.83 kN·m 上部受拉，最大正彎矩位于兩側(cè)拱腳處，約為28.29 kN·m下部受拉，如圖7所示。

圖7 模板拱架彎矩Fig.7 Bending Moment of Formwork Arch

⑷車行隧道模板拱架剪力圖，最大剪力值位于拱腳處，約為58.40 kN。

⑸車行隧道模板拱架呈現(xiàn)壓應力，最大應力為86.19 MPa，位于拱圈拱腰與內(nèi)部支撐接觸處（見圖8）。

圖8 模板拱架支架應力云圖Fig.8 Stress Nephogram of Formwork Arch Support

⑹階穩(wěn)定安全系數(shù)為7.55，即拱架自重荷載+襯砌自重荷載+側(cè)壓力荷載+7.55×（施工人員及設備荷載+振搗混凝土荷載+傾倒混凝土荷載）出現(xiàn)如圖8 中構(gòu)件失穩(wěn)模態(tài)，一階失穩(wěn)最大位移約為23.33 mm。

4 關(guān)鍵施工技術(shù)

4.1 施工流程

平整場地?拱架試拼?安裝頂部拱架?安裝兩側(cè)拱架?安裝頂模?安裝邊模?澆筑混凝土。

4.2 施工工藝

⑴平整場地

襯砌拱架安裝質(zhì)量好壞，與場地平整度有直接關(guān)系，標高誤差在3 mm內(nèi)。

⑵試拼

加工完成后成的每榀鋼拱架在進入作業(yè)面之前必須進行試拼，做到半徑準確、線形圓順、長度合格、端頭無翹起、拱身無扭曲、連接板密貼。在試拼合格之后對每段拱架進行編號，以保證現(xiàn)場安裝順序正確。對試拼不合格的產(chǎn)品嚴禁進入現(xiàn)場使用［6］。

⑶安裝底部槽鋼墊板

在支撐底部沿著隧道縱向20b 槽鋼，安裝完畢后，槽鋼頂面要再次抄平檢查，確保槽鋼頂面在同一水平面上，以上部結(jié)構(gòu)安裝質(zhì)量。

⑷安裝支撐架

由專業(yè)廠家將拱架按節(jié)段預制好運往施工現(xiàn)場，按節(jié)段A1 和A2 拼裝好，將該節(jié)段整體吊裝扶正，校核好平面位置和標高后，在吊車和工人配合下安裝橫梁B，如此沿隧道縱向循環(huán)安裝三榀拱架，然后在橫梁B 滿鋪腳手板，工人站在腳手板上在吊車吊裝作用下完成立柱D 安裝，測量校核完成后再安裝頂部拱架節(jié)段A3、A4、A5，最后再完成拱架頂部內(nèi)支撐，緊好連接螺栓。當?shù)谌凹芗馨惭b完畢后，安裝拱架之間的次楞槽鋼，加強拱架的穩(wěn)定性。依次安裝完拱架，使其成為整體，起到骨架作用，如圖9所示。

圖9 車行隧道拱架節(jié)段拼裝Fig.9 Section assembly of Chehang Tunnel Arch Frame

每節(jié)鋼拱架連接要牢固，螺絲要穿全擰緊。鋼拱架連接完并檢查后，焊接縱向連接筋，其用材與環(huán)向間距要符合要求［7］。

⑸安裝內(nèi)、外模和端模

主要利用橫梁B 處滿鋪腳手架當操作平臺，木模由廠家預制好，現(xiàn)場拼裝完成后，測量校核無誤后用對拉螺栓固定。①緊固模板用的螺栓一般選用直徑12～16 mm，鉛絲選用8 號、10 號或6 mm 圓鋼，圓箍可采用花籃螺栓箍緊；②模塊與混凝土接觸面應平整、嚴密；較窄的木板應拼在中間，接頭整齊并相互錯開，其背面加背銷；③模板與背銷的連接必須墊實；④安裝模板時，應澆水濕潤防止翹曲變形、裂縫。澆注混凝土時，有專人檢查模板的支撐，發(fā)現(xiàn)問題及時修正；⑤安裝木模前，先找出中心線、邊線并核對標高，先安裝內(nèi)立模，可用8號鉛絲整圓箍緊，經(jīng)核對幾何尺寸無誤后，再支其內(nèi)側(cè)橫撐和立撐，然后安裝端，端模的安裝必須保證尺寸、標高正確，無位移。端模的安裝只能以內(nèi)、外模及結(jié)構(gòu)厚度為依據(jù)；⑥為確保襯砌結(jié)構(gòu)保護層厚度正確，可采用墊塊控制；⑦板間拼裝，局部縫隙采用發(fā)泡劑填充，確保不漏漿［8］。

⑹澆筑混凝土

混凝土澆筑采用兩臺天泵進行對稱澆筑，隧道兩側(cè)澆筑混凝土面的高差不得超過50 cm。

5 結(jié)論及建議

以最不利工況進行荷載基本組合模擬計算，最大變形為2.952 mm；拱圈及拱架內(nèi)部支撐滿足承載條件；穩(wěn)定性分析中一階模態(tài)安全系數(shù)為7.55，拱架立桿一階失穩(wěn)最大位移約為23.33 mm。

拱架制作及施工過程建議：

⑴拱圈拱腰與內(nèi)部支撐連接處應力較大，工字鋼焊接時需注意，拱架立柱需加縱向連接件提高縱向穩(wěn)定性。

⑵拱架兩側(cè)立桿的水平反力及豎向反力較大，在該節(jié)點處應采用預埋件與拱架進行連接。

⑶拱架在襯砌荷載作用下會發(fā)生變形，在拱架制作過程中需在拱頂位置設置楔形塊，以便于后續(xù)拱架的拆除。

⑷根據(jù)理論計算結(jié)構(gòu)，在應力、位移較大的位置設置監(jiān)測點，在施工過程中隨時進行跟蹤測量，保障結(jié)構(gòu)安全［9］。

⑸澆筑速度過慢會導致部分面層初凝較快而產(chǎn)生冷縫，澆筑速度過快易使側(cè)模和端模受力較大而出現(xiàn)脹模［10］。

⑹混凝土澆筑后應進行保溫、保濕養(yǎng)護，對于大體積混凝土應控制其中心與表面的溫差以及表面與外部的溫差均不超過25 ℃，養(yǎng)護14 d以上［11］。