梯田式回填混凝土的模板支撐設計與應用分析

錢海波，張 虎，羅 靖，王梁琪（中國建筑第八工程局有限公司，上海 200122）

1 坑底回填混凝土概況

根據坑底基礎混凝土回填工程設計要求，坑底基礎持力層需達到中風化層，且巖石面碎石需清理至潔凈的裸露巖面[1]。坑底基礎混凝土回填工程可根據左右兩側自然分區，同時施工，根據臺階高度和地形由低向高鋪展澆筑。坑底基礎采取大體積混凝土進行找平后，施工兩層箱型基礎。回填混凝土標號為 C 25，總方量約為 13000m3。

根據現場施工條件，土建與崖壁支護單位穿插施工，坑底基礎回填左側和右側同時施工。坑底基礎大體積，回填混凝土呈臺階式，最高臺階高度為 6.83m，最低臺階高度約 0.10m。混凝土澆筑采用沿環向斜坡斜面分層澆筑的方法澆筑，由低向高澆筑。整體連續澆筑時宜為 300～500 mm，每層混凝土厚度應不超過振搗棒有效長度（35～38.5 mm）的 1.25 倍[1]，層與層之間的混凝土接合時間控制在混凝土初凝前完成，同時采用2次振搗工藝。

每次澆筑時，若臨近臺階高差不大，可直接將臨近臺階一起澆筑。2m 以下臺階一次澆筑成型，2～4m 臺階分2 次澆筑，4.00～6.83m 臺階分3次澆筑。整個回填混凝土工程分12次澆筑完成，通過 BIM 模擬回填完成后最終效果圖如圖1所示。

圖1 梯田式回填混凝土 BIM 模擬效果圖

2 模板支撐設計

2.1 模板支撐簡化模型

現澆結構的模板及其支架拆除時的混凝土強度應符合設計要求。模板工程是混凝土結構外觀質量好壞的重要保證，也是在地下結構施工中投入較大的一部分[2]。模板支撐系統的選擇正確與否直接影響施工進度及工程質量。模板方案的選擇和考慮的出發點是工程的質量及進度，在此基礎上進行綜合性經濟成本分析，以達到既滿足工程需要，又減少周轉材料投入、降低工程成本的目的。

針對工程的復雜地質環境和特殊結構的混凝土澆筑模板工程，設計了一種可拆卸可循環的模板支撐鋼架體系。整個鋼架體系高2a+10 b，寬 L（L=L 1+L 2+L 3+L 4），主要由 22 根12號工字鋼和14根14號工字鋼拼接而成，最大特點是可根據實際施工要求進行多高度、多寬度和多階段循環使用。還包括一個組合木方，其特征在于：組合木方總高為2a+10 b，由2塊高 a+2 b 木方（底部和頂部）和2塊高3b 的木方（中間部分）組成；HW 100×100×6/8型鋼。帶螺栓的槽鋼不但起到固定體系的作用，更重要的是能隨時拆分和組裝，如圖2所示。

圖2 模板支撐鋼架體系整體結構簡圖

2.2 模板支撐使用原理

三角形不變體系中元素的支架運用表現為設置剪刀撐，適當設置剪刀撐組成幾何不變體系[3]。受三角形結構穩定性原理的啟發，設計了這種可拆卸式的通用性強的模板支撐鋼架體系，利用型鋼構件組成一個由4小部分拼接的大整體鋼架，根據模板施工高度和寬度不同，如圖3設置4個高度梯度（第1梯度是 0～a+2 b；第2梯度是 a+2 b～a+5 b；第3梯度是 a+5 b～a+8 b；第4梯度是 a+8 b～2 a+10 b）和 4個寬度梯度（如圖3第一梯度是 0～L 1；第2梯度是 L 1～L 2；第3梯度是 L 2～L 3；第4梯度是 L 3～L 4。），從而根據施工組織，進行合理拆分和組裝使用，提高了施工的靈活性，同時通過設置帶螺紋的槽鋼，可連接型鋼構件，以適應不同高度或寬度模板要求，提供多用途，增強通用性。該模板支撐模型不僅可以有效克服現有模板支撐體系結構繁雜的弊端，而且經濟實用，減少成本，加快進度。以鋼代替木，可回收再利用，節約大量木材[4]。

圖3 模板支撐體系二維梯度示意圖

使用時，根據實際需要對不同部位和不同結構的模板支撐體系簡單可分為4類：第1類是寬度 0～L1與高度 0～a+2 b 組成的區域；第2類是寬度 0～L2與高度 0～a+5 b 組成的區域；第3類是寬度 0～L3與高度0～a+8 b 組成的區域；第2類是寬度 0～L4與高度 0～2 a+10 b 組成的區域。這4類可以視具體工況進行交叉輪轉使用，達到就地拆裝、就地轉移、循環使用的目的。

3 工程應用

坑底回填混凝土呈梯田式，錯落復雜，模板支設困難，均需采取單面支撐方式進行模板支撐。經過統計，回填混凝土基礎的臺階形式眾多，主要分為 A 型臺階形式和AB 型臺階形式，具體分類及尺寸如表1 所示。

表1 回填混凝土基礎的臺階形式和尺寸分類

本工程中選取具有代表性的臺階進行設計計算，選取高度最高臺階 6.83m(按 6.9m)進行設計，根據 GB 50204—2002《混凝土結構設計規范》的方法對 4m×6.9m 的模板支撐鋼構件進行整體穩定性驗算，結果見表2，均滿足要求。使用 Midas 對該三角支架應力應變進行分析，整體穩定，滿足受力要求。應力應變如圖4所示。其余可按此類具代表性臺階模板支撐進行適當調整。對其他 3種類型支撐鋼構件整體穩定性驗算，結果也均滿足要求。

圖4 4m×6.9m 型支架應力應變圖

表2 支撐鋼構件整體穩定性驗算

另外，對支撐系統支座設置鋼絲繩 6m×19m，直徑24.5 mm，抗拉強度 389.000 kN，滿足要求。預埋鋼筋HRB 400 φ 40，其抗拉強度 452.196 kN，滿足要求。參考GB 50017—2003《混凝土結構設計規范》，支座錨固鋼筋計算所需鋼筋面積 479.74 mm2；設置2根 HRB 400 φ 25鋼筋，截面積為 982 mm2，認為滿足要求。

4 經濟效益分析

(1) 與購買木方子相比，這種新型鋼模板支撐架成本顯著降低。購買木方需要成本約 55 萬元，而租賃鋼構件支撐架約 21 萬元，節約 43.6%；相對于租賃來說，購買鋼構件組裝模板支撐架成本約 30 萬元，對于周轉次數少的工程顯然不利于節約成本。但是，針對深坑酒店工程的特殊性，坑底回填混凝土結構復雜多變、回填方量較大的特點，考慮到鋼構件周轉次數多，可拆卸、可循環、可回收，購買鋼構件制作模板支撐也是可行的。

(2) 對于合理的時間節點，通過計算和市場行情的分析來看：5 個月是合理時間點。使用時間＞5個月時，購買更經濟；反之，租賃比較好。

(3) 結合現場工況及實際需要，使用這種鋼構件組合支撐架體系比使用木方更為合理。另外，根據工期和業主要求的進度，綜合分析，購買是深坑酒店坑底回填混凝土工程的最佳選擇，降低成本 40% ～ 62%。

5 結 語

(1) 坑底回填混凝土呈梯田式，錯落復雜，模板支設困難，均需采取單面支撐方式進行模板支撐，受力和設計要求特殊。

(2) 這種可拆卸式的模板支撐鋼架體系，利用型鋼構件組成一個由四小部分拼接的大整體鋼架，根據模板施工高度和寬度不同，引入二維梯度施工設計，通用性強，能加快施工進度。

(3) 根據實際需要對不同部位和不同結構的模板支撐體系可以視具體工況進行交叉輪轉使用，達到就地拆裝、就地轉移、循環使用和節約成本的目的。