整體式仰拱及填充模板裝置的研制與應用

劉興波

摘 要：針對常規仰拱組合鋼模板在仰拱施工過程中需要反復裝拆及倒運、仰拱與仰拱填充需分別支模澆筑、仰拱施工工序多、工人勞動強度大、混凝土施工質量差、施工效率低等缺點， 通過現場調研和對隧道仰拱結構研究、模擬分析論證，最終研制了一種能夠結合自行式仰拱棧橋實現仰拱快速施工的整體模板裝置。通過在蒙華鐵路項目集義隧道中的應用實踐證明，該裝置結合自行式仰拱棧橋克服了前述模板施工中存在的問題，在實際操作中切實可行，具有推廣應用價值。

關鍵詞：隧道；仰拱；整體模板裝置；自行式仰拱棧橋

中圖分類號：U455.3 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）06-0109-03

隧道仰拱施工一直以來是影響施工進度、質量及安全控制的一道關鍵工序。在以往的仰拱施工過程中，由于仰拱施工對出碴車輛的干擾，很大程度上影響了隧道整體施工進度。國內隧道仰拱傳統襯砌施工多采用簡易鋼便梁式仰拱棧橋配合仰拱組合鋼模板施工，存在通車安全和施工質量難以得到保障、工人勞動強度大、施工效率低下和施工形象較差等問題。

蒙華鐵路項目業主方為提高工程施工質量與安全保障、提高項目施工效率和施工機械化配套水平，要求施工單位采用自行式仰拱棧橋，每循環仰拱及填充澆筑施工24m。各施工單位均按要求配置了自行式仰拱棧橋，從根本上保障了通車安全、提升了施工效率，但是仰拱襯砌仍使用常規仰拱組合鋼模板。而常規仰拱組合鋼模板在仰拱襯砌中需要反復裝拆及倒運，仰拱與填充需分別支模澆筑，存在仰拱施工工序多、工人勞動強度大、施工效率低下、混凝土成型質量差等一系列問題。因此在自行式仰拱棧橋的基礎上研制一種結合棧橋使用的新型整體式仰拱及填充模板裝置十分必要。

本方案依托的項目為中鐵一局五公司蒙華鐵路項目管段的集義隧道，隧道為Ⅰ級風險、高瓦斯隧道，隧道圍巖以砂巖泥巖互層為主，斷層發育、深層煤氣有瓦斯溢出可能性，是全線重難點工程。

1 整體式仰拱及填充模板裝置設計

1.1 產品方案

通過對常規仰拱組合鋼模板施工中存在的問題分析，通過現場調研和對隧道仰拱結構研究，新型整體式仰拱及填充模板的設計思路如下：

（1）實現每循環仰拱及填充澆筑施工24m；

（2）結合現場使用的自行式仰拱棧橋使用，使用過程中無需反復拆裝和機械配合，能自動行走或隨棧橋一起行走；

（3）能夠避免棧橋通車產生的撓度對仰拱襯砌混凝土產生的不利影響；

（4）結構穩定，具備較高的強度和剛度。

新型整體式仰拱及填充模板裝置方案包括仰拱及填充模板、起吊排架、輔助就位機構、模板角度調節機構、支撐絲杠及液壓系統等，通過吊鏈懸掛于自行式仰拱棧橋上，如圖1所示。

仰拱及填充模板設計為箱形結構，單節仰拱及填充模板縱向長度為6m，兩端設有螺栓連接孔，通過螺栓連接組合成縱向長度為24 m（或12m）的整體式仰拱及填充模板，就位后能夠同時滿足仰拱澆筑和仰拱填充澆筑兩道施工工序需要。該模板主要用料規格為：面板采用6mm鋼板，縱向筋采用規格為60×30矩形管，環向筋板采用6mm鋼板，兩端連接法蘭采用10mm鋼板。支撐絲杠采用φ159無縫鋼管。

1.2 工作原理

單節仰拱及填充模板通過螺栓連接形成縱向長度為24m的整體模板，模板通過中間可伸縮的起吊排架通過吊鏈懸掛于自行式仰拱棧橋下方。整體模板裝置隨棧橋移動至工位、鋼筋綁扎完成后，操作液壓系統升降油缸將模板降落，過程中可同時操作水平升縮油缸將左右側模板打開，直至模板的一端與已襯砌端搭接100mm，另一端通過輔助就位機構支撐在初支面上，通過角度調節機構調整模板擺角，直至模板就位完成。在兩側模板中間設置4根水平支撐絲杠，以抵抗仰拱混凝土澆筑過程中產生的水平力；在模板下部設置抗浮錨拉桿，以抵抗仰拱混凝土澆筑過程中產生的浮力。待仰拱混凝土澆筑完畢、強度達到要求后，澆筑仰拱填充混凝土，過程中模板狀態無需轉換。待仰拱填充混凝土澆筑完畢強度達到要求后，拆除模板中間水平支撐絲杠、割除模板下部的錨拉桿，操作液壓系統升降油缸提升模板，過程中可同時操作水平升縮油缸將左右側模板收收攏至棧橋兩側，模板脫模完成。整體模板裝置隨棧橋移動至下一工位，進入下一個工作循環。

1.3 模板剛度計算

就位情況下，模板一端與已襯砌端搭接，一端通過輔助就位機構支撐在初支面上，此時模板自重產生的撓度最大，為最不利工況。因此采用受力分析軟件MSteel對模板在兩端簡支工況下的剛度和強度進行計算，建模計算過程如圖2所示。

（1）截面參數。

截面上下不對稱

截面面積A=15750mm2

自重W=1.212kN/m

面積矩S=1653880mm3

抗彎慣性矩I=1005764780mm4

抗彎模量W=1886255（上邊緣）/2178809（下邊緣）mm3

塑性發展系數γ=1.05（上邊緣）/1.05（下邊緣）

（2）模板總長12m受力計算，如圖3所示。

1）最大撓度：最大撓度1.90mm，最大撓跨比1/6332。

2）強度應力。

最大剪應力τ=Vmax*S/I/tw

=8.72*1653880/1005764780/6.0*1000

=2.4MPa≤fv=125MPa滿足！

上邊緣最大正應力σ上=Mmax/γ上/W上

=26.17/1.05/1886255*1e6

=13.2MPa≤f=215MPa滿足！

下邊緣最大正應力σ下=Mmax/γ下/W下

=26.17/1.05/2178809*1e6

=11.4MPa≤f=215MPa滿足！

3）穩定應力。

整體穩定系數φb=0.80

最大壓應力σ=Mmax/φb/W

=26.17/0.80/1886255*1e6

=17.3MPa≤f=215MPa滿足！

4）結論：模板總長12m在兩端簡支的情況下，自重產生的最大撓度為1.9mm，最大應力為17.3MPa，完全能夠滿足模板定位使用需求。

（3）模板總長24m受力計算。經建模計算，模板總長24m在兩端簡支的情況下，自重產生的最大撓度為30.3mm，最大應力為69.4MPa，因此施工過程中需在模板中部位置鋼筋上設置一個輔助墊塊，以提高仰拱襯砌混凝土成型精度。

2 應用實例

2.1 工程概況

中鐵一局五公司蒙華鐵路項目管段線路全長16.229km，其中的集義隧道為Ⅰ級風險、高瓦斯隧道，隧道圍巖以砂巖泥巖互層為主，斷層發育、深層煤氣有瓦斯溢出可能性，是全線重難點工程。全隧道設計有5個段落，共2413m為高瓦斯（位置在1號、2號、3號斜井正洞工區），隧道洞身穿越11條斷層，施工中有較大的安全風險。按照進口、出口、3座斜井共5個工區8個工作面組織施工，計劃工期34個月。

2.2 仰拱襯砌施工工藝

施工準備—移動仰拱棧橋及整體模板裝置—清理仰拱底部雜物—測量放線—綁扎二次襯砌鋼筋（有鋼筋段）—仰拱及填充模板就位—拼裝仰拱端頭模—澆筑仰拱混凝土—仰拱混凝土養護—澆筑仰拱填充混凝土—混凝土達到設計強度后拆除仰拱端頭模—仰拱及填充模板脫模—移動仰拱棧橋及整體模板裝置進入下一循環施工。

2.3 施工要點

（1）技術準備：仰拱二次襯砌施工技術交底已經審批簽字，并對施工作業人員進行技術交底和施工安全培訓。

（2）模板移動就位：①整體式仰拱及填充模板裝置懸掛在棧橋下部，隨自行式仰拱棧橋一起移動；②整體式仰拱及填充模板就位時，中線、高程必須滿足設計要求，模板接縫嚴密，模板表面須光潔、平整；③模板就位后安裝模板中間的水平支撐絲杠，復查絲杠支撐位置尺寸無誤后，設置可靠的抗浮錨拉桿。④如需要，可通過角度調節機構調整模板擺角狀態；⑤混凝土澆筑前，模板表面須涂刷脫模劑。

（3）仰拱混凝土澆筑：①模板及仰拱處防排水設施安裝后經質檢工程師檢查合格后方可進行混凝土澆筑；②混凝土在洞外采用拌和站集中拌和，混凝土罐車運至洞內進行澆筑；③仰拱分段整幅施工，澆筑由仰拱中心向兩側對稱模筑，一次完成；④采用泵送混凝土澆筑方式，插入式振搗器將混凝土振搗密實；⑤澆筑仰拱混凝土過程中應通過控制混凝土的坍落度和澆筑速度來控制仰拱混凝土的成型，同時應注意觀察錨拉桿受力狀態變化情況；⑥混凝土拆模后應對混凝土表面進行保濕養護。

2.4 整體式仰拱及填充模板裝置應用情況

（1）施工進度：采用該整體式仰拱及填充模板裝置配合全液壓履帶式自行棧橋施工后，集義隧道實現了有鋼筋段二襯仰拱施工每月可施工5組，每月二襯仰拱可施工120m，為原施工組織進度計劃的60m/月的200%；無鋼筋段仰拱每月可施工8組，每月仰拱可施工192m，為原施工組織進度計劃的100m/月的192%。

（2）施工質量：采用該整體式仰拱及填充模板澆筑成型混凝土表面平順度和整體質量明顯優于采用傳統仰拱組合鋼模板施工，現場施工照片詳見圖4。

（3）該整體式仰拱及填充模板裝置結合自行式棧橋在施工應用中體現出如下特點：

①整體式仰拱及填充模板懸掛于棧橋上跟隨棧橋一起行走，模板橫向伸縮靈活、姿態可調，就位脫模方便，鋼筋綁扎等作業空間大。

②模板使用及移動過程中無需機械配合，減少了施工機械消耗；仰拱及仰拱填充能夠一次施工24m，減少了施工縫的設置，節約了止水帶等材料消耗；避免了模板拆裝、倒運作業工序，減少了仰拱及填充施工工序，減少了人工投入，大幅節約了施工成本。

③模板采用整體箱型結構、剛度好，每循環澆筑24m，提高了施工的連續性和整體性，大大提高了仰拱施工的循環進度。

④仰拱及仰拱填充可一次施工至設計標高、避免了二次澆筑，頂面標高和平整度易控制，混凝土成型質量好。

⑤整體式仰拱及填充模板裝置與自行式仰拱棧橋之間通過吊鏈實現軟連接，避免了棧橋在通車過程中產生的震動和撓度破壞剛澆筑完成的仰拱混凝土。

3 整體式仰拱及填充模板裝置綜合效益分析

3.1 人工費對比

（1）在傳統仰拱施工中，多采用組合鋼模板每循環施做6m，仰拱與仰拱填充單獨支模，則每公里需投入人工費計算如下：

鋼筋工：8人×200元/工日×1.5個工日×167個循環=400800元；

混凝土工：3人×200元/工日×2個工日×167個循環=200400元；

模板工：4人×200元/工日×2個工日×167個循環=267200元；

采用組合鋼模板施工每公里人工費成本為868400元。

（2）采用整體式仰拱及填充模板裝置施工，每循環施做24m，每公里需投入人工費計算如下：

鋼筋工：10人×200元/工日×2個工日×42個循環=168000元；

混凝土工：3人×200元/工日×2個工日×42個循環=50400元；

模板工：3人×200元/工日×1個工日×42個循環=25200元；

采用整體式仰拱及填充模板裝置施工每公里人工費成本為243600元。

經對比，采用整體式仰拱及填充模板裝置施工較采用傳統組合鋼模板施工每公里節約人工費868400元-243600元=624800元。

3.2 工期對比

根據現場施工及經驗，采用傳統仰拱組合鋼模板施工仰拱周期為4m/天，每公里需施工250天；采用新型整體式仰拱及填充模板施工周期為12m/天，每公里需施工83天；因此采用新型整體式仰拱及填充模板施工較傳統組合鋼模板每公里能夠縮短工期167天（實際縮短工期天數還需參考掌子面開挖進度等其他因素）。

4 結語

通過在蒙華鐵路項目集義隧道中的應用實踐證明，該整體式仰拱及填充模板結合自行式仰拱棧橋的應用，避免了常規仰拱及填充模板在施工過程中需要反復裝拆及倒運、仰拱與仰拱填充需分別支模澆筑等問題，只需首次組裝完成后即可重復利用、能夠同時滿足仰拱和仰拱填充兩道工序的使用，減少了仰拱施工工序、節約了人工投入，顯著改善了仰拱及仰拱填充的施工質量、降低了施工成本，經濟社會效應顯著，具有推廣應用價值。

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