港珠澳大橋島隧工程西人工島暗埋段隧道模板設計及施工技術

趙傳林，張怡戈，楊潤來

（1.中交第一航局工程局有限公司，天津 300461；2.中交一航局第一工程有限公司，天津 300456）

1 工程概況

港珠澳大橋西人工島隧道暗埋段止推段分為CW1及CW2段，設2.98%縱向坡度。其中CW1節段長23.7 m，為與首節沉管對接的現澆段，單箱雙室管廊箱型結構，橫斷面寬度為37.95 m。隧道主體結構高達11.2 m，頂板厚130 cm，底板及側墻厚150 cm，中墻厚80 cm；CW2節段長28 m，為單箱四室管廊型結構，橫斷面寬度由37.95 m漸變至 53.71 m，側墻厚度 130 cm，與 CW1段0 mm變形縫相接，共同組成止推結構。止推段平面布置見圖1。

圖1 結構分段示意圖

2 施工部署

2.1 結構分層澆筑劃分

西人工島隧道暗埋段結構復雜且尺寸龐大，施工作業空間十分有限，采用大型整體模板一次澆筑成型難以實施。根據現場實際情況，配備2臺2 m3混凝土攪拌站，每臺攪拌站供灰效率為30 m3/h，混凝土初凝時間約為10 h。為避免澆筑時間過長造成混凝土弊病及上下分層澆筑因強度不一致形成約束收縮裂縫，結構分層澆筑次數控制需適中。

根據結構段的特點，CW1澆筑分兩次進行，第一次澆筑底板，如圖2中的①，澆筑方量約為1 580 m3；第二次澆筑側墻、中墻及頂板，澆筑方量約為2 058 m3，如圖2中的②。CW2澆筑分3次進行，第一次澆筑底板，澆筑方量約為2 370 m3，如圖3中的①；第二次澆筑隧道內隔墻及中墻，澆筑方量約為511 m3，如圖3中的②；第三次澆筑弧形側墻及頂板，澆筑方量約為2 430 m3，如圖3中的③。

圖2 CW1分層澆筑示意圖

圖3 CW2分層澆筑示意圖

2.2 島內運輸條件及模板選擇

西人工島小島基坑內南北兩側各設置一臺塔吊，壁長70 m，最大臂長處吊重2.7 t，能夠實現隧道結構模板安裝全覆蓋。

3 模板及支架設計及安裝

在暗埋段施工中，CW1第二層及CW2第三層澆筑時，墻厚為1.5 m（CW2側墻1.3 m），高度達9.1 m。受本工程現場施工場地狹小，起重能力等限制，采用鋼框木模作為面板，雙槽鋼作為龍骨，采用對拉陰螺桿保證模板剛度，與承插型盤扣式鋼管支架組成系統模板。

3.1 鋼框模板設計

本工程中墻身模板為整體鋼框木模，由單元模板逐塊拼裝而成。單元模板尺寸為2.4 m×1.2 m，分面板與鋼框兩部分。其中面板采用17 mm厚膠合板，與鋼框通過自攻螺絲固定形成整體；自攻螺絲由背面擰入，絲頭不露出板面，以保證面板的光潔度。鋼框邊框為∠100 mm×63 mm×6 mm角鋼，邊框設置螺栓孔，相鄰單元模板通過螺絲連接，使該模板組拼不受限制；邊框內側為加勁方格，由扁鋼彎折成∠100 mm×50 mm×3 mm及∠100 mm×63 mm×6 mm角鋼焊接而成，其中角鋼沿1.2 m方向按0.3 m間距布置。

3.2 單塊模板整體拼裝

單元模板在加工場地豎向組拼成單塊模板。組拼完成后，采用J型拉鉤固定模板鋼框與主龍骨豎向雙槽鋼，以提高豎向剛度。單塊模板2.4 m長度方向按照30 cm、90 cm、90 cm、30 cm布置豎向雙槽鋼。模板拼縫間采用止漿膠條進行密合。如圖4所示為J型拉鉤工作示意圖。

圖4 J型拉鉤固定雙槽鋼示意圖

吊裝前在豎向槽鋼外側通過螺栓組或焊接安裝橫向雙槽鋼的一支，以滿足高大模板在吊裝及施工過程中整體剛度要求。模板安裝到位并確定對拉螺栓位置后，鎖定橫向雙槽鋼另一支，并擰固對拉螺栓。圖5為單元鋼框模板現場組拼成單片模板實物圖。

為適應模板在不同構件或部位施工時的受力要求，提高模板的實用性及可延展性，在鋼框模板加勁肋上開圓孔，主龍骨雙槽鋼腹板及翼板上設置橢圓形螺栓孔，施工現場可根據實際情況調整主龍骨安裝位置，以形成不同的組合。

3.3 墻身模板整體拼裝

本工程中墻身模板采用螺桿對拉兩側模板自鎖定固定工藝，對拉螺桿分為內桿和外桿，通過圓臺螺母進行連接，絲扣采用T型扣，增加可操作性及耐用性，迎水側墻身使用的內拉桿上焊接有止水片。圓臺螺母置于模板內側，通過與內桿擰固形成整體，其組合尺寸與墻身尺寸相同，根據墻體厚度制作定尺內桿，調整模板間距即可適應不同墻身結構要求。外拉桿穿過模板雙槽鋼及模板開孔與圓臺螺母擰固后，通過外側的法蘭盤進行擰固，形成穩定對拉體系。拉桿根據受力需要確定間距及層距。圖6為墻身模板固定工藝示意圖。

圖6 墻身模板工作原理示意圖

進行CW1及CW2第二層澆筑時，利用第一層澆筑時預留在混凝土內的圓臺螺母安裝墻身側模底托，如圖7所示。該底托為上下可微調結構，能夠校正模板安裝偏差，確保安裝精度及操作簡易性。

圖7 墻體模板底部拖座示意圖

墻體模板安裝時，為便于調整其垂直度，在墻身內側模板安裝水平撐。該水平撐與滿堂支架連結形成整體，通過調整絲杠外露長度達到調整模板垂直度的目的。外側模板加裝斜撐，該斜撐與外側施工支架或直接與地面鉸接。上述撐桿具有拉桿及壓桿雙重性質，但均不屬于主要承重構件。

3.4 保護層控制工藝

本工程中對混凝土保護層厚度要求十分嚴格，其中背水側保護層厚度5 cm，迎水側保護層厚度7 cm。受模板安裝固定工藝限制，在模板內側需安裝圓臺螺母，傳遞內外對拉螺桿受力，形成整體對拉體系。為保證混凝土保護層厚度滿足設計要求，對不同保護層要求下的圓臺螺母及對拉螺桿區別設計。背水側圓臺螺母內設置有擋片以限制內外桿擰入螺母內的長度，外桿擰入螺母內的長度即保護層厚度，如圖8所示。迎水側對拉螺桿外桿穿過圓臺螺母，擰入焊接在內桿上的螺母內，形成整體，保護層厚度即圓臺螺母全長，如圖9所示。

圖8 背水側圓臺螺母設計方案

圖9 迎水側圓臺螺母設計方案

拆除模板后，擰下圓臺螺母孔采用環氧砂漿對孔洞進行修補。

3.5 弧形墻體模板

西人工島隧道暗埋段CW2段側墻為弧形墻體，由兩段圓弧組成。由于曲率半徑較大，模板采用2.4 m折線段對原弧形結構線進行擬合，偏差最大處僅3 cm，能較好地滿足結構尺寸需求。

為解決弧形側墻內外側起弧點不一致，導致圓臺螺母與模板面不能垂直難題，將內拉桿分為兩段，通過焊接角鋼形成組合對拉結構，見圖10。

圖10 采用折線模板擬合后拼裝示意圖

3.6 頂模及支架系統

頂板采用1.2 m×2.4 m膠合板作為底模，模板拼縫利用玻璃膠密合。支架采用承插型盤扣式鋼管支架滿堂支撐。該支架正常間距為1.2 m×1.2 m，豎向步距1.5 m。各桿件通過立桿上按照50 cm間距焊接的八角盤扣進行連接，使各桿件均為二力桿，軸心受拉或受壓。

立桿型號為A-LG-1000、A-LG-1500、ALG-2000，直徑為60.3 mm，壁厚3.2 mm，根據凈空配置長度，有1.0 m、1.5 m、2.0 m三種；橫桿型號為HG-900、HG-1200、HG-1500，直徑為48.3 mm，壁厚為2.5 mm，長度主要有1.2 m、0.9 m、1.5 m三種；斜桿型號為XG-900×1500、XG-1200×1500、XG-1500×1500、直徑為 34.5 mm，壁厚為2.3 mm。各桿件材質均為Q345，表面進行熱鍍鋅處理。支架上下采用可調托座，支架整體搭設完畢后如圖11所示。

圖11 CW1頂板模板安裝

3.7 管廊內模板拆除

本工程模板拆除難點在于需在隧道管廊狹小空間內進行吊裝作業。為克服上述困難，利用支架系統作為依托，在靠近模板側支架頂部安裝滑模體系，分單元整體移模。如圖12所示，滑模體系為工字鋼滑輪組合，拆除對拉螺桿外螺桿及橫向雙槽鋼后，通過滑輪組上的倒鏈斜向上略微上提墻體模板，即可直接吊起單片模板，滑移至出口處。如圖13所示，為采用滑模體系拆除墻身模板實物圖。

圖12 滑模體系

圖13 中墻模板滑模操作實物圖

4 模板設計計算

4.1 模板側壓力計算

經計算，考慮混凝土澆筑過程中混凝土沖擊模板及振搗棒的振動等活載影響（取2 kN/m2），最不利模板側壓力計算值為59.75 kN/m2。側壓力設計值=1.2×側壓力標準值+1.4×活載=74.5 kN/m2。

4.2 主次龍骨承載力計算

次龍骨為鋼框模板勁性框架∠100 mm×63 mm×6 mm角鋼，其布置間距依膠合板應力分析按照三跨連續梁進行抗彎、抗剪及撓度承載反驗算取最小值做為布置間距的上限值。該計算模型假定次龍骨為三跨連續梁支點。根據計算，次龍骨最小布置間距需為317 mm。最終次龍骨布置間距取300 mm，能夠滿足膠合板受力要求。

主龍骨選用10號雙槽鋼，單塊模板2.4 m范圍內共計布置三道，布置間距為0.9 m。對拉螺桿橫豎向布置最大間距均為0.9 m。驗算次龍骨承載時，支點為主龍骨，驗算主龍骨承載時，支點為對拉螺桿。主次龍骨均按照兩跨懸挑梁進行抗彎、抗剪強度、剛度驗算。根據計算，結果均能滿足受力及變形要求。

4.3 對拉螺桿受力計算

本工程中使用直徑17 mm高強度T形扣對拉螺桿。其抗拉強度驗算按照下式計算：

式中：f為對拉螺桿承受的拉應力；N為對拉螺桿承受的荷載，本工程中螺桿承受的拉力為對拉螺桿作用區域面荷載等效的集中荷載；An為對拉螺桿凈截面積，本工程中為226.98 mm2；fbt為螺桿抗拉強度設計值，280 N/mm2。

取最不利分層CW1第二層混凝土澆筑分析，根據豎向槽鋼的位置，假定螺桿左右布置間距為0.9 m、0.6 m，上下布置間距根據側壓力進行計算，按照0.9 m布置能夠滿足使用要求。

由于本工程中混凝土初凝時間達到10 h，出于保守考慮，在模板底部兩層對拉螺桿按照0.6 m層距進行布置，以保證底部模板安全，確保無跑模、爆?，F象發生。

4.4 支架承載力驗算

因本工程施工場地為外海深基坑作業，可以不考慮風荷載影響。根據JGJ 231—2010《建筑施工承插型盤扣式鋼管支架安全技術規程》相關規定驗證支架承載力，主要從長細比及承載力分別進行驗算。立桿軸向力設計值按照下式計算：

式中：NG1k為腳手架結構自重標準值產生的軸力；NG2k為構配件自重標準值產生的軸力；∑NQk為施工荷載標準值產生的軸向力總和，內外立桿可按一縱距內施工荷載總和的1/2取值。

按照上式計算得單支立桿所受最大荷載N=87.79 kN。其中該規范規定腳手架立桿長細比不得大于210。

立桿長度可按照如下公式進行計算：

式中：η為模板支撐架立桿計算長度修正系數，水平步距為1.5 m時，取值1.20；h為模板支撐架中間層最大步距；h′為支架立桿頂層水平桿步距，宜比最大步距減少一個盤扣的距離；k為懸臂端計算長度折減系數，取為0.7；a為支架可調托座支撐點至頂層水平桿中心線的距離。

根據本工程應用實際情況，選用的立桿截面特性如表1，按照式（1）及式（2）計算的數據分別為1.8 m及1.27 m，取兩者計算值中的較大值，即l0=1.8 m。

彈性模量E=206 000 N/mm2。長細比λ=l0/i=89.0≤ [λ]=210，故滿足規范要求。

不組合風荷載時，立桿穩定性按照下列公式計算：

表1 支架立桿截面特性

式中：f為鋼材的抗拉、抗壓和抗彎強度設計值；φ為軸心受壓構件的穩定系數，應根據立桿長細比按照JGJ 231—2010《建筑施工承插型盤扣式鋼管支架安全技術規程》查表取值，本工程查表取0.558；A為立桿的截面積。

單支立桿允許承載力設計值Nmax≤ [σ]φA=96.09 kN，大于實際承載值，故滿足要求。

5 模板及支架位移監測

5.1 模板位移監測

在進行每次混凝土澆筑時，對外側模板位移進行全過程監測，未發生跑?，F象。監測數據如表2所示，模板各區域變形較小，均在合理可控范圍內，較好地保證了結構尺寸。

表2 最不利澆筑分層模板變形量表

5.2 模板支架壓縮位移監測

支架在施工前，通過1.2倍施工荷載，同工況進行預壓試驗，測得壓縮量約為10 mm，以此作為預留壓縮量。CW1與CW2主體結構頂板澆筑時，在模板支架上均設置了監測點，并在頂板模板次梁（14號工字鋼）上設置了沉降位移監測點。其中CW1段設置了7個支架傾斜位移監測點與4個沉降位移監測點，CW2段設置了4個沉降位移監測點。平均水平位移最大為6.0 mm，沉降最大值為7.0 mm，實際沉降值小于預留沉降值，保證了結構的凈空尺寸。支撐實測沉降位移統計表如表3所示。

表3 模板支撐架沉降位移統計表

6 結語

該工程結構是國內第一次在外海施工的現澆隧道結構，其中第二次澆筑的CW1頂板局部厚度達到了1.7 m，墻身澆筑高度達9.1 m，墻厚1.5 m，一次澆筑混凝土2 058 m3。通過模板與支架的合理組合，實現了墻身和頂板的一次澆筑成型，澆筑質量滿足現行規范及設計要求。裝配式支架及模板滿足現場使用要求，為現澆隧道結構施工提供了較好的解決方案。

[1]JGJ 231—2010，建筑施工承插型盤扣式鋼管支架安全技術規程[S].

[2]江正榮.建筑施工計算手冊[M].北京:中國建筑工業出版社，2007.

[3]建筑施工手冊編委會.建筑施工手冊.5版[M].北京:中國建筑工業出版社，2012.