劉 磊

（京唐城際鐵路有限公司，河北唐山）

引言

隨著鐵路行業(yè)的飛速發(fā)展，形成了我國錯(cuò)綜復(fù)雜的鐵路網(wǎng)，鐵路的大量建設(shè)導(dǎo)致對(duì)路基U 型槽的需求大大增加。傳統(tǒng)現(xiàn)澆式U 型槽施工工期長、效率低，相反，預(yù)制裝配式U 型槽施工便捷、機(jī)械化程度高、節(jié)省材料等，能夠大大提高施工效率，滿足我國鐵路建設(shè)的需求。而裝配式U 型槽施工在我國尚無先例，其結(jié)構(gòu)預(yù)制技術(shù)也無相應(yīng)經(jīng)驗(yàn)可供借鑒。

國內(nèi)外針對(duì)于裝配式地下工程結(jié)構(gòu)預(yù)制工藝研究多集中于地鐵車站、綜合管廊等。蘭永祥[1]通過分析某工程在管理過程中的不足，提出了建立智能生產(chǎn)信息化管理。何亮[2]等通過某實(shí)例工程分析了預(yù)制裝配式U 型混凝土渠道制作及安裝施工技術(shù)。鄧家勛[3]基于某工程總結(jié)了新型裝配式綜合管廊的結(jié)構(gòu)預(yù)制工藝及拼裝技術(shù)，證明了新型裝配工藝具有推廣應(yīng)用的價(jià)值。羅強(qiáng)等[4]基于某工程項(xiàng)目發(fā)現(xiàn)通過把控模具、鋼筋和混凝土工程質(zhì)量，可有效保障預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)質(zhì)量。田安然[5]通過對(duì)明挖整體裝配式地下綜合管廊預(yù)制生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行研究分析，總結(jié)了不同預(yù)制工藝在整體裝配式地下綜合管廊施工中的優(yōu)缺點(diǎn)。上述研究顯示，針對(duì)地下車站、綜合管廊等預(yù)制結(jié)構(gòu)已有較為成熟的預(yù)制施工技術(shù)。U 型槽與其相比，具有斷面尺寸多變、長懸臂特點(diǎn)，其預(yù)制生產(chǎn)質(zhì)量控制難度更大。

對(duì)此，研究依托全國首例裝配式U 型槽工程- 京唐鐵路站前八標(biāo)U 型槽工程，重點(diǎn)研究了側(cè)墻長懸臂結(jié)構(gòu)澆筑時(shí)穩(wěn)定性，提出了可調(diào)節(jié)通用性模板設(shè)計(jì)，建立了U 型槽結(jié)構(gòu)側(cè)墻澆筑質(zhì)量控制技術(shù)，研究成果可為U 型槽等復(fù)雜多變預(yù)制結(jié)構(gòu)生產(chǎn)提供借鑒。

1 工程概況

京唐鐵路八標(biāo)U 型槽預(yù)制段全長206 m，縱向坡率為25.26‰，按每節(jié)18 m 分成12 段，其中U11～U16為路塹預(yù)制段，U17～U22 為路堤預(yù)制段。U 型槽由2塊預(yù)制“L”型墻及1 塊預(yù)制底板組成，預(yù)制“L”型墻1.996 m 寬，最大高度7.338 m，最小高度4.61 m，預(yù)制底板7.396 m 長，1.996 m 寬，0.5 m 厚，其中底板為最大預(yù)制構(gòu)件重19.75 t，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C50，抗?jié)B等級(jí)P12，見圖1。

圖1 預(yù)制U 型槽構(gòu)成

2 可調(diào)節(jié)加強(qiáng)型側(cè)墻模板研究

2.1 側(cè)墻模具穩(wěn)定性研究

U 型槽側(cè)墻L 型為長懸臂結(jié)構(gòu)，采用臥打方式澆筑，側(cè)墻最高7.338 m，澆筑過程中，模具易產(chǎn)生較大撓曲，為保證側(cè)墻長懸臂結(jié)構(gòu)澆筑時(shí)穩(wěn)定性，采用Midas GTS NX 建立數(shù)值模擬，考慮懸臂結(jié)構(gòu)支撐點(diǎn)布置，見圖2，其主要物理參數(shù)見表1，模擬中僅考慮澆筑對(duì)模板的作用，在模型底部設(shè)置豎直及水平約束[6-7]。

表1 模擬結(jié)構(gòu)物理參數(shù)

圖2 數(shù)值模型

底部支撐數(shù)量不同，U 型槽澆筑過程中的模具變形也不同，對(duì)此通過數(shù)值模擬分析了撓度變形，見圖3。

圖3 不同支撐點(diǎn)下的豎向位移

由圖3 可知，通過設(shè)置不同數(shù)量的支撐可以控制模具懸臂結(jié)構(gòu)的撓度，布置一個(gè)支撐點(diǎn)時(shí)，懸臂端的跨中部位出現(xiàn)較大的撓度，達(dá)到了3.39 mm，嚴(yán)重影響預(yù)制側(cè)墻的垂直度以及穩(wěn)定性。布置兩個(gè)支撐點(diǎn)時(shí)，懸臂端撓度控制相對(duì)前者有所緩和，此時(shí)最大撓度為1.57 mm。當(dāng)布置三個(gè)支撐點(diǎn)時(shí)，懸臂端最大撓度僅為0.49 mm，僅有設(shè)置一個(gè)支撐點(diǎn)時(shí)最大撓度的1/7，且懸臂端整體的撓度變化相對(duì)平緩穩(wěn)定，模具的穩(wěn)定性更好，因此采用設(shè)置三道支撐的設(shè)計(jì)加強(qiáng)模具穩(wěn)定性。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)模具底板部位產(chǎn)生了一定的變形，且在三種支撐方案下，沒有明顯的變化，對(duì)此也應(yīng)對(duì)底板部位進(jìn)行加固穩(wěn)定。

通過數(shù)值模擬分析，“L”型側(cè)墻長懸臂結(jié)構(gòu)澆筑模具布置三個(gè)支撐點(diǎn)，支撐布置型式見圖4。同時(shí)將模具與混凝土接觸面的鋼板進(jìn)行20 mm 加厚，模具外部采用網(wǎng)格狀的肋板進(jìn)行加固，轉(zhuǎn)角位置設(shè)置斜肋進(jìn)行加強(qiáng)，并對(duì)側(cè)墻底板側(cè)向設(shè)置了支撐桿，保障模具的穩(wěn)定性。

圖4 模板示意

2.2 模具的可調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)研究

U 型槽側(cè)墻高度不斷變化，模具的尺寸不固定，如果為每節(jié)U 型槽單獨(dú)制作模具，會(huì)大大增加模板造價(jià)，因此應(yīng)設(shè)計(jì)出尺寸可調(diào)節(jié)的U 型槽側(cè)墻模具。

設(shè)計(jì)通過給側(cè)墻模具增加18 個(gè)可自由安裝拆卸的調(diào)節(jié)模塊，來實(shí)現(xiàn)側(cè)墻模具尺寸的可調(diào)節(jié)性。針對(duì)每節(jié)U 型槽的設(shè)計(jì)尺寸，將模具上調(diào)節(jié)模塊的數(shù)量進(jìn)行調(diào)節(jié)，完成側(cè)墻模具尺寸的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了單一模具就可完成所有U 型槽側(cè)墻的生產(chǎn)。研究制定“臨時(shí)開孔+產(chǎn)后封堵”進(jìn)行生產(chǎn)，通過對(duì)預(yù)埋件位置進(jìn)行臨時(shí)開孔，生產(chǎn)完成后采用尼龍棒對(duì)多余的孔洞進(jìn)行封堵，針對(duì)預(yù)埋件種類和位置的多樣化預(yù)留問題。

3 U 型槽側(cè)墻結(jié)構(gòu)預(yù)制質(zhì)量控制

3.1 澆筑工藝與質(zhì)量控制

U 型槽側(cè)墻采用臥打方式進(jìn)行生產(chǎn)，首先拼裝側(cè)墻模具并檢查拼裝質(zhì)量，將模具清理干凈后，用門式起重機(jī)將鋼筋籠吊入模具中，并檢查矯正鋼筋籠位置，檢查無誤安裝固定各類預(yù)埋件，進(jìn)行混凝土澆筑。采用分層澆筑的方式進(jìn)行澆筑，澆筑時(shí)使用震動(dòng)棒進(jìn)行充分振搗，混凝土初凝、終凝前后，對(duì)表面進(jìn)行整平、抹面，保證側(cè)墻表面光滑平整，并抑制表面產(chǎn)生裂縫。構(gòu)件養(yǎng)護(hù)時(shí)，通過智能養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)灑水養(yǎng)護(hù)，待預(yù)制側(cè)墻具有脫模條件后，使用門式起重機(jī)進(jìn)行拆模作業(yè)，拆模后用編碼對(duì)側(cè)墻進(jìn)行標(biāo)記，并將側(cè)墻照片配合編碼信息一并上傳至信息系統(tǒng)中，配合U型槽側(cè)墻的后續(xù)智能化管控。

三維激光掃描可以提高U 型槽側(cè)墻外觀質(zhì)量檢查工作效率，檢查側(cè)墻外觀質(zhì)量時(shí)，使用三維激光掃描儀進(jìn)行整體平面檢測，獲取側(cè)墻的外觀點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將側(cè)墻BIM 模型與掃描的三維點(diǎn)云模型進(jìn)行對(duì)比分析，能夠精準(zhǔn)、高效的完成U 型槽側(cè)墻外觀質(zhì)量檢查。

3.2 鋼筋預(yù)制構(gòu)件防碰撞BIM建模

U 型槽側(cè)墻鋼筋設(shè)計(jì)排布復(fù)雜，導(dǎo)致鋼筋與預(yù)埋件極易發(fā)生碰撞，僅依靠圖紙無法直觀的發(fā)現(xiàn)問題，使用BIM對(duì)鋼筋與預(yù)埋件進(jìn)行精細(xì)化建模，建模時(shí)，充分考慮到側(cè)墻鋼筋空間位置的排布，仔細(xì)檢查鋼筋、排氣孔、預(yù)埋錨栓、吊釘之間的位置，檢查結(jié)果見圖5。

圖5 構(gòu)件空間干涉檢測

由圖5 可以看出，使用BIM對(duì)側(cè)墻鋼筋碰撞檢查的結(jié)果清晰直觀，檢查發(fā)現(xiàn)預(yù)埋錨栓與排氣孔同鋼筋發(fā)生了碰撞，通過偏移鋼筋的位置，充分考慮其空間排布，進(jìn)行鋼筋位置的細(xì)致優(yōu)化，從而解決鋼筋與預(yù)埋件位置沖突問題，能夠避免預(yù)制側(cè)墻的返工行為。

4 結(jié)論

為了提升U 型槽預(yù)制施工質(zhì)量，研究依托京唐鐵路站前八標(biāo)U 型槽工程，分析了U 型槽模具及澆筑質(zhì)量控制，得到以下結(jié)論：

（1） 研究針對(duì)U 型槽側(cè)墻懸臂端過大易發(fā)生失穩(wěn)的問題，通過有限元模擬得出1～3 個(gè)支撐點(diǎn)三種情況下懸臂端的撓度，分別為3.39 mm、1.57 mm 和0.49 mm，對(duì)此采用了設(shè)置三道支撐的設(shè)計(jì)加強(qiáng)模具穩(wěn)定性。

（2） 通過有限元模擬發(fā)現(xiàn)側(cè)墻底板發(fā)生了變形，且設(shè)置支撐點(diǎn)難以有效的控制，因此，對(duì)側(cè)墻底板側(cè)向設(shè)置了支撐桿，轉(zhuǎn)角位置設(shè)置斜肋進(jìn)行加強(qiáng)，進(jìn)一步保障模具的穩(wěn)定性。

（3） 研究設(shè)計(jì)了可調(diào)節(jié)側(cè)墻模具，通過增加可自由安裝拆卸的調(diào)節(jié)模塊，實(shí)現(xiàn)側(cè)墻模具尺寸的可調(diào)節(jié)性，解決了因U 型槽尺寸變化導(dǎo)致模具造價(jià)花費(fèi)高的問題。

（4） 提出了BIM的側(cè)墻鋼筋與預(yù)埋件精細(xì)化建模，直觀發(fā)現(xiàn)鋼筋與預(yù)埋件的碰撞位置，有效解決鋼筋與預(yù)埋件位置沖突問題，還提出了三維激光掃描的質(zhì)量自動(dòng)感知方法，保障了施工質(zhì)量精確、高效檢驗(yàn)。