棚洞施工用的移動(dòng)鋼模架設(shè)計(jì)及施工創(chuàng)新技術(shù)

韋權(quán) 何磊祖

摘要：文章針對(duì)傳統(tǒng)滿堂支架施工存在的問(wèn)題，結(jié)合陽(yáng)朔至鹿寨高速公路土建工程№1標(biāo)現(xiàn)澆棚洞施工實(shí)例，通過(guò)分析半拱棚洞結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，創(chuàng)新設(shè)計(jì)出一種整體剛度大、結(jié)構(gòu)安全性高，能夠抵抗較大豎向力和水平推力的非對(duì)稱式移動(dòng)鋼模架，并分析了該移動(dòng)鋼模架施工工藝與效益。

關(guān)鍵詞：棚洞施工;滿堂支架;移動(dòng)鋼模架

0 引言

棚洞是指明挖路塹后，構(gòu)筑簡(jiǎn)支的頂棚架，并回填而成的洞身，屬于明洞范疇的隧道，主要作用是防止滑坡和防止道路受到滑坡的影響，是保障行車安全的一個(gè)重要建筑物。國(guó)內(nèi)棚洞頂板一般為水平式或曲墻式，水平式頂板和曲墻組合的棚洞相對(duì)較少，此類棚洞被稱為半拱棚洞，半拱棚洞的受力情況為非對(duì)稱式。一般水平式頂板棚洞采用滿堂支架施工，曲墻式棚洞采用隧道二襯臺(tái)車施工。對(duì)于包含水平段頂板和圓弧段頂板的半拱棚洞，難以采用滿堂支架及隧道二襯臺(tái)車配合施工，隧道二襯臺(tái)車為左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)，使用隧道二襯臺(tái)車會(huì)侵占到水平段滿堂支架的搭設(shè)，必須對(duì)隧道二襯臺(tái)車進(jìn)行改裝，但臺(tái)車結(jié)構(gòu)遭受破壞難以周轉(zhuǎn)使用。傳統(tǒng)做法一般是全部采用滿堂支架施工，由于半拱棚洞自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)會(huì)對(duì)滿堂支架產(chǎn)生巨大的大偏壓作用，滿堂支架抵抗水平推力能力較弱，圓弧段混凝土不能一次與一體回填混凝土同時(shí)澆筑，還需安裝圓弧段外側(cè)模板，為抵抗混凝土側(cè)壓力還需安裝模板拉桿，拉桿孔封堵不嚴(yán)密容易出現(xiàn)滲水情況。滿堂支架模板在圓弧段的坐標(biāo)定位、安裝質(zhì)量、結(jié)構(gòu)安全性、混凝土澆筑質(zhì)量和施工進(jìn)度難以保證，而且需要大量人工。查閱相關(guān)資料暫無(wú)很好的實(shí)施案例，為此，通過(guò)分析半拱棚洞結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，創(chuàng)新設(shè)計(jì)出一種整體剛度大、結(jié)構(gòu)安全性高，能夠抵抗較大豎向力和水平推力的非對(duì)稱式鋼模架。本鋼模架能夠整體移動(dòng)，定位準(zhǔn)確，采用裝配式結(jié)構(gòu)，易于安裝拆除，作業(yè)效率高。圓弧段混凝土和回填混凝土可同時(shí)進(jìn)行澆筑，且圓弧段模板無(wú)須穿設(shè)對(duì)拉螺桿，棚洞成品內(nèi)實(shí)外美。

1 工程概況

陽(yáng)朔至鹿寨高速公路土建工程№1合同段K0+969～K1+168棚洞建筑界限尺寸為11.50（寬）×5.0m（高），全長(zhǎng)為199m。棚洞采用條形基礎(chǔ)，頂板厚[JP+1]度為0.8m，頂板由水平段和圓弧段組成，圓弧段頂部設(shè)計(jì)一體回填C30混凝土至頂板標(biāo)高，施工采取頂板和回填混凝土同時(shí)進(jìn)行澆筑。水平段頂板通過(guò)搭設(shè)碗扣式支架施工，圓弧段頂板采用移動(dòng)鋼模架進(jìn)行施工。圖1為棚洞立面圖。

2 移動(dòng)鋼模架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)思路

該棚洞圓弧段頂板及一體回填混凝土在澆筑過(guò)程中處于流塑狀態(tài)，荷載由直板段向圓弧段逐漸增大，對(duì)內(nèi)模支架體系形成大偏壓作用。圓弧段支架體系需克服流塑狀態(tài)混凝土作用下產(chǎn)生的豎向分力及水平分力。普通支架抵抗水平推力的能力較弱，本鋼模架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主體采用桁架結(jié)構(gòu)，內(nèi)部桿件連接為三角形形狀，整體由多個(gè)三角形組成，使鋼模架整體剛度較大，桿件主要受拉力與壓力作用，有效提高鋼材利用率，充分發(fā)揮鋼材優(yōu)點(diǎn)。鋼模板焊接背肋，相當(dāng)于增加了截面高度，極大地提高了其抗彎承載力。在鋼模架底部安裝滑輪，可以使鋼模架在鋼板上進(jìn)行移動(dòng)。將升降支座放置在鋼模架主梁底部進(jìn)行支撐，保證鋼模架擁有足夠的豎向支撐力。為了不侵占水平段支架的搭設(shè)，鋼模架橫斷面設(shè)計(jì)為非對(duì)稱的扇形結(jié)構(gòu)，而隧道二襯臺(tái)車為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，左右水平分力互相平衡。本鋼模架采取了直墻段澆筑時(shí)預(yù)埋套筒，將螺桿伸進(jìn)套筒擰緊，再將套筒另一端焊接至鋼架底部，使鋼模架擁有足夠的水平抗力以抵抗混凝土作用于模板體系的水平分力。

2.2 移動(dòng)鋼模架結(jié)構(gòu)

移動(dòng)鋼模架主要由底模板和支架組成。底模板面板為8mm厚鋼板，水平橫肋采用8號(hào)槽鋼，環(huán)向加勁肋采用12mm厚200mm寬鋼板，模板間法蘭連接鋼板采用12mm厚100mm寬鋼板;支架片采用10#槽鋼，與環(huán)向加勁肋焊接為整體，支架片縱向焊接8#槽鋼水平剪刀撐;支架底部采用Ⅰ25#a工字鋼作為橫梁，Ⅰ25#a工字鋼搭設(shè)于主梁上焊接牢固。主梁采用雙拼Ⅰ40#a工字鋼，在主梁上設(shè)置行走輪，方便拱形支架的整體移動(dòng)。澆筑混凝土過(guò)程中為抵抗混凝土的水平推力采用連接混凝土直墻預(yù)埋的螺紋鋼的方式。移動(dòng)鋼模架整體采用裝配式結(jié)構(gòu)，在工廠分塊預(yù)制加工，運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)組裝即可施工。移動(dòng)鋼模架結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示。

2.3 有限元分析驗(yàn)算

采用MidasCivil2019版對(duì)移動(dòng)鋼模架進(jìn)行有限元分析驗(yàn)算。模板面板及模板豎向加勁肋采用板單元模擬，模板橫肋、支架片、橫梁、縱梁和牛腿采用梁?jiǎn)卧M，剪刀撐及拉桿采用桁架單元模擬。支架與模板豎向加勁肋采用一般彈性連接，縱梁和橫梁采用一般彈性連接，縱梁支墊處采用一般支承邊界條件約束。有限元模型如圖4所示。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，移動(dòng)鋼模架工作期間受到的荷載有：結(jié)構(gòu)本身的自重、流塑狀態(tài)的混凝土濕重、新澆混凝土對(duì)模板的側(cè)壓力、振搗混凝土?xí)r產(chǎn)生的振動(dòng)荷載、施工人員及機(jī)具荷載等。

計(jì)算3種施工工況的結(jié)構(gòu)安全性，分別有3種荷載組合：

（1）移動(dòng)鋼模架升降工況，荷載組合為1：1.2支架自重。

（2）移動(dòng)鋼模架澆筑混凝土工況，荷載組合為2：1.2支架自重+1.2混凝土自重+1.2混凝土側(cè)壓力+1.4施工機(jī)具人員荷載+1.4振搗混凝土荷載。

（3）移動(dòng)鋼模架整體行走工況，荷載組合為3：1.2支架自重。

對(duì)模型施加荷載進(jìn)行分析，提取澆筑混凝土最不利工況結(jié)果如表1所示。圖5為澆筑混凝土工況有限元模型。

對(duì)移動(dòng)鋼模架澆筑混凝土工況進(jìn)行屈曲分析。屈曲分析荷載組合：不變荷載（1.2支架自重+1.2混凝土自重+1.2混凝土側(cè)壓力）+可變荷載（1.4施工機(jī)具人員荷載+1.4振搗混凝土荷載），運(yùn)行分析得到模態(tài)1特征值為9.37，大于經(jīng)驗(yàn)值4，結(jié)構(gòu)最不利工況的穩(wěn)定性滿足要求。表2為屈曲分析結(jié)果匯總表，圖6為屈曲模態(tài)1有限元模型。

3 移動(dòng)鋼模架施工工藝

3.1 施工工藝流程

施工工藝流程如下頁(yè)圖7所示。

3.2 施工操作要點(diǎn)

3.2.1 路面防污染處理

因本工程為搶險(xiǎn)復(fù)工工程，在完成瀝青面層鋪筑后才施工棚洞。為了防止路面污染，在施工區(qū)域依次鋪墊彩條布、土工布，保證施工完成后路面的整潔。

3.2.2 鋪設(shè)鋼板

在土工布上鋪設(shè)鋼板。

3.2.3 安裝移動(dòng)鋼模架

（1）每片支撐架在工廠預(yù)制后拉運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組裝。先臨時(shí)固定兩片支撐架，在兩片支撐架之間采用槽鋼進(jìn)行連接，再吊裝鋼模板跟支撐架進(jìn)行焊接，焊接點(diǎn)為支撐架的角鋼與預(yù)制鋼模板上的加勁肋。

（2）在兩片支撐架底部焊接橫梁。兩片支撐架加兩根橫梁加對(duì)應(yīng)的模板為一榀鋼模架。

（3）將每榀鋼模架按順序吊裝至對(duì)應(yīng)位置后焊接在縱梁上，并采用高強(qiáng)度螺栓將每塊鋼模板進(jìn)行連接。

（4）安裝支撐架縱向水平連接、豎直方向剪刀撐和水平方向剪刀撐。

（5）對(duì)移動(dòng)鋼模架安裝后進(jìn)行調(diào)試。主要調(diào)試內(nèi)容包括行走、制動(dòng)、側(cè)墻伸縮、起降以及整體穩(wěn)定性等。

3.2.4 鋼模架整體移動(dòng)到位

借助鏟車?yán)美K索拖動(dòng)單節(jié)鋼模架往前移，直到前移至提前標(biāo)識(shí)好的位置。在鋼模架移動(dòng)過(guò)程中，應(yīng)平穩(wěn)推進(jìn)，注意鋼模架的穩(wěn)定性。除了行走輪防止有其他結(jié)構(gòu)受外力作用。

3.2.5 安裝千斤頂

在最側(cè)邊的橫梁上共設(shè)置4個(gè)頂升點(diǎn)，需用4個(gè)千斤頂共同作用同步頂升。桁架移動(dòng)到位后，在每個(gè)頂升支腿下面安裝千斤頂。千斤頂?shù)撞繎?yīng)支墊鋼板確保平整，避免出現(xiàn)千斤頂傾斜的情況。

3.2.6 頂升支架模板到位

千斤頂安裝完畢并檢查無(wú)任何問(wèn)題后開始往上頂升。4個(gè)千斤頂?shù)捻斏俣葢?yīng)同步，根據(jù)提前計(jì)算好的頂升高度緩慢進(jìn)行。桁架兩端高度可進(jìn)行微調(diào)，直到達(dá)到設(shè)計(jì)高度。

3.2.7 各支點(diǎn)固定

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，每節(jié)桁架支墊應(yīng)按一定縱向間距布置在縱梁底下，每節(jié)桁架共設(shè)14個(gè)支點(diǎn)。在支墊下方安放方凳，用楔形塊塞緊方凳與縱梁之間的間隙。

3.2.8 支撐架加固

為防止?jié)仓炷吝^(guò)程中鋼模架橫移，采取以下措施：

（1）在右側(cè)直墻段預(yù)埋螺母和拉桿洞。拉桿洞縱向間距與鋼模架橫梁間距一致，螺母在混凝土中的固定方式為將螺母與螺桿連接后在連接口進(jìn)行焊接防止相對(duì)移動(dòng)，然后將螺桿彎折，將成為一個(gè)整體的螺母和彎折螺桿預(yù)埋進(jìn)混凝土里，在固定鋼模板的時(shí)候通過(guò)將螺紋拉桿伸入拉桿洞中與螺母擰緊則可將其一端固定在直墻內(nèi)，另一端則與橫梁進(jìn)行焊接連接。

（2）在澆筑基礎(chǔ)時(shí)預(yù)埋螺紋鋼，間距與模板橫梁間距對(duì)應(yīng)，模板安裝完成后預(yù)埋件與模板橫梁間采用螺紋鋼焊接連接。圖8為移動(dòng)鋼模架安裝成型現(xiàn)場(chǎng)圖。

3.2.9 安裝鋼筋

鋼筋安裝的過(guò)程中嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)和規(guī)范要求進(jìn)行焊接、搭接和綁扎，安裝要牢固，位置要準(zhǔn)確。

3.2.10 澆筑混凝土

現(xiàn)澆棚洞頂板、托梁、圓弧墻混凝土體積龐大，需分批澆筑。每次間隔澆筑同等移動(dòng)鋼模架長(zhǎng)度，澆筑順序?yàn)橄葷仓A弧鋼模板部分，再澆筑滿堂支架部分混凝土。為預(yù)防冷縫形成，兩部分的澆筑均使用兩臺(tái)天泵，采用分層澆筑方式從一端往另一端連續(xù)澆筑，每層澆筑40cm。澆筑時(shí)應(yīng)從低側(cè)往高側(cè)進(jìn)行，嚴(yán)禁從高往低澆筑。

3.2.11 養(yǎng)護(hù)

為保證混凝土澆筑之后的質(zhì)量，需要對(duì)其進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。在進(jìn)行養(yǎng)護(hù)的同時(shí)，安裝下一節(jié)段的碗扣式滿堂支架模板和外模。

3.2.12 支架與模板拆除

在混凝土達(dá)到80%強(qiáng)度后，對(duì)圓弧模部分進(jìn)行拆除。拆除支架模板應(yīng)按每節(jié)進(jìn)行。先拆除楔形塊及方凳，松開裝有門軸的短段圓弧模，然后支撐在縱梁上的升降支座同步縮回整體下降支架模板，待鋼模板完全脫離混凝土面，升起千斤頂接觸到最兩側(cè)的橫梁，縮回升降支座高度后拆除縱梁梁底短桿和升降支座，千斤頂縮回直到移動(dòng)鋼模架接地，鋼模架往前移動(dòng)進(jìn)行下一輪工序的施工。圖9為移動(dòng)鋼模架脫模現(xiàn)場(chǎng)圖，圖10為棚洞成品現(xiàn)場(chǎng)圖。

4 效益分析

由表3對(duì)比可知移動(dòng)鋼模架用于棚洞圓弧部分的施工所需的成本是適中的，工期跟采用隧道二襯臺(tái)車是一樣的，都比采用傳統(tǒng)滿堂支架施工速度快，所以采用移動(dòng)鋼模架用于棚洞圓弧部分的施工其經(jīng)濟(jì)效益是可觀的。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)科學(xué)分析設(shè)計(jì)適用于棚洞施工的移動(dòng)鋼模架，解決了棚洞施工階段對(duì)支架體系產(chǎn)生的大偏壓作用和水平分力作用，克服了傳統(tǒng)滿堂支架的一些缺陷，結(jié)合了隧道二襯臺(tái)車可整體移動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，整體結(jié)構(gòu)采用裝配式，分塊在工廠預(yù)制，運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)可快速進(jìn)行安裝作業(yè)，為同類型棚洞施工或存在大偏壓及水平分力作用結(jié)構(gòu)物施工提供參考。

半拱棚洞的水平段仍然采用常規(guī)的滿堂支架施工，需要搭設(shè)較大規(guī)模的滿堂支架，可以考慮設(shè)計(jì)適用于水平段棚洞施工的移動(dòng)臺(tái)車。該移動(dòng)鋼模架還存在著裝配式設(shè)計(jì)不徹底的問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)安裝局部存在焊接連接，可進(jìn)行結(jié)構(gòu)深入設(shè)計(jì)，采取螺栓連接等非焊接的連接形式，保證安裝質(zhì)量更可靠安拆更高效。移動(dòng)鋼模架的側(cè)模伸縮、頂升和整體移動(dòng)可進(jìn)一步向電氣化、自動(dòng)化方向發(fā)展。

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