秦嶺隧洞工程閘前漸變段小模板襯砌施工

宋健健，李永富，孟洋洋，李治洪

（陜西省引漢濟渭工程建設有限公司,陜西 西安 710100）

1 工程概況

引漢濟渭工程秦嶺隧洞控制閘分別為黃三隧洞控制閘、越嶺段控制閘和三河口連接洞控制閘，分別位于秦嶺隧洞黃三段、秦嶺隧洞越嶺段和三河口連接洞的末端。每一個控制閘有一個漸變段，分別是黃三段、秦嶺隧洞越嶺段和三河口段閘前漸變段。漸變段體型為馬蹄型斷面過渡到矩形斷面，馬蹄型斷面的尺寸為頂拱半徑R1=3.38 m，側墻及底板半徑R2=3R1=10.14 m，底板高程為542.65 m。矩形斷面的尺寸為7.0 m×6.9 m（寬×高），底板高程為542.65 m。漸變段長度按均勻洞徑的1.5 倍～2.5 倍計以保證水流平順過渡，取為12.0 m，襯砌厚度0.5 m。（見圖1～圖4，圖中尺寸除注明外均以m計。）

2 閘前漸變段襯砌小模板及拱架設計

2.1 拱架設計

按照《秦嶺隧洞黃三段Ⅱ標段控制閘閘前漸變段設計施工圖》圖號YHJW-HSD-Ⅱ-KZZ-13、14設計圖紙，將長度12.0 m的閘前漸變段縱向按照間距0.5 m切割成25 個斷面，按照每個斷面的尺寸做好施工圖紙，按照圖紙用材料工16 工字鋼制作25 個對應斷面的拱架，見圖5。

圖1 閘前漸變段三維效果圖

圖2 馬蹄形斷面

圖3 過渡段斷面

圖4 矩形斷面

圖5 拱架加工斷面圖

2.2 模板材料及支撐體系

控制閘閘前漸變段襯砌施工采用模板拱架及滿堂式鋼管架支撐組合作業。經提前備料、測得含水率為20%，滿足《水工混凝土施工規范》（SL 677-2014）要求。模板采用復合模板，即在2 cm厚木模面板上敷設竹膠板。板面長2.0 m，寬度根據漸變段縮變，分平面板和圓錐角板。支撐體系采用滿堂式鋼管架支撐，鋼管架采用φ48×3.5鋼管，每米自重38.4 N，直角扣件每個自重13.2 N，旋轉扣件每個自重14.6 N，對接扣件每個自重18.4N。腳手架搭設時縱橫向間距0.9 m，步距2 m（上下兩層橫桿之間的距離）。

2.3 腳手架受力計算

已知條件：材料為Q235鋼，E=200 GPa，鋼材軸向容許應力[σ]=140 MPa腳手架管外徑48 mm，壁厚3.5 mm。

2.3.1 荷載計算

①鋼筋砼重量：1 m×25 kN/m2=25 kN/m2（由設計厚度計算）。

②模板荷載計算：0.3 kN/m2（經驗值）。

恒載：q1=25+0.3=25.3 kN/m2。

③人員及施工機具：2.5 kN/m2（經驗值）。

活荷載：q2=2.5 kN/m2。

荷載系數分布：恒載×1.2+活荷載×1.4。

因此，q=25×1.2+2.5×1.4=33.5 kN/m2。

2.3.2 壓應力計算

將整個面板總量分攤至單根鋼管上進行驗算，縱橫間距為0.9 m，單根鋼管承受的范圍為0.81 m2，所以單根鋼管承受的荷載為33.5×0.81=27.135 kN。

鋼管的截面積A=（π×482-π×412）/4=489.055 mm2。

壓應力σ=F/A=27.135×1000/489.055=55.48 MPa<[σ]=140 MPa，滿足要求。

2.3.3 壓桿穩定計算

壓桿穩定計算是為了驗證在該作用力的作用下，受壓桿件會不會出現側向彎曲。首先要計算壓桿的柔度，以判斷壓桿是否是細長桿，根據壓桿屬于短桿、中長桿或者細長桿來選定計算公式，計算其臨界應力。而臨界應力就是在搭設腳手架所選定的各尺寸下壓桿能承受的極限應力，只要計算出來的臨界應力大于壓桿所受的壓應力則結構安全。

首先計算桿件的慣性半徑：

如計算出來 61.6<λ<100,σcr=a-bλ，a、b查表；如λ<61.6,則桿件為短桿，不需進行壓桿穩定性驗算。

σcr=π2E/λ2=3.142×200×109/126.62=123×106 Pa=123 MPa

σ=55.48MPa<σcr，則結構安全。

根據上述兩方面的驗算結果得知，鋼管架結構支撐結構安全，故所選材料滿足要求。

圖6 鋼拱架安裝、小模板安裝及鋼管架支撐斷面圖

2.4 入倉混凝土高度計算

新澆筑混凝土對模板側壓力按照下式計算（按混凝土施工時最不利情況考慮）：

混凝土的有效壓頭高度h按下式計算：

式中：F為新澆混凝土對模板的最大側壓力，kN/m2；γc為新澆混凝土的重力密度，kN/m2，取值25 kN/m2；t0為新澆混凝土的初凝時間，h，可按實測確定，當缺乏試驗資料時，可采用to=200/（T+15）計算，T氣溫混凝土的溫度，℃，取20℃，一般計算取值5 h；H為混凝土側壓力計算位置至新澆混凝土頂面時的高度，m，取4.0 m；β1為外加劑影響修正系數，不摻外加劑時取1.0，摻加外加劑時，取1.2；β2為混凝土坍落度影響修正系數，坍落度小于30 mm，取0.85；50 mm～90 mm，取1.0；110 mm～150 mm，取1.15；V為混凝土的澆筑速度，取2 m/h。

經 計 算，F=0.22γct0β1β2V1/2=53.66 kN/m2，F=γcH=100 kN/m2，按取最小值，故最大側壓力為F=53.66kN/m2；載荷設計值為F1=53.66×1.2=64.39 kN/m2，則有效壓頭高度h=2.576 m。

3 拱架及模板安裝

將現場加工好的拱架運輸到施工現場，按照拱架編號進行支立拱架，間距0.5 m設立拱架，共25 榀拱架，支立好的拱架用Φ22 的螺紋鋼進行縱向加固。拱架及模板安裝前，嚴格按設計圖紙測量放樣，并在平面模板與錐形模板的切線方向加密控制，便于校正；安裝過程中，保持足夠的臨時固定設施，以防顛覆。模板與混凝土的接觸面，以及各模板接縫處，確保平整、密合，以保證混凝土表面的平整度和混凝土的密實性；模板的面板涂脫模劑，避免脫模劑污染或侵蝕鋼筋和混凝土，涂刷要均勻，脫模劑涂刷過厚的地方應用面紗趕勻。模板安裝的允許偏差，按照規范標準進行檢查，并考慮結構物的安全、運行條件、經濟和美觀等因素。保持模板本身整潔及配套設備零件的齊全，安裝運輸應防止因隧洞內施工場地限制產生碰撞損壞，模板堆放高度合理，并要防止浸水，盡量避免面板和拱架變形。

4 控制閘閘前漸變段襯砌效果分析

4.1 加快施工進度

2018年6月2日完成控制閘越嶺段閘前漸變段襯砌混凝土施工，7月8日完成黃三段控制閘閘前漸變段襯砌混凝土施工，8月21日完成三河口段控制閘閘前漸變段襯砌混凝土施工。陜西省引漢濟渭工程秦嶺輸水隧洞控制閘襯砌混凝土附屬工程，是2018 年重難點工程，能在較短的時間內完成這項難點工程，為年度進度目標節省了時間，保證了項目年度進度目標的順利完成。

4.2 改進質量

在引水隧洞閘前漸變段小模板襯砌質量控制過程中，成功的攻克了閘前漸變段混凝土幾何尺寸符合設計要求和提高閘前漸變段襯砌施工安全系數這兩個難點問題。控制閘閘前漸變段馬蹄型斷面過渡到矩形斷面拆模之后，混凝土幾何尺寸符合設計要求，大大提高了在水利工程施工，尤其是襯砌混凝土施工的水平，對后期水利工程類似工程施工提供了寶貴的經驗。

表1 閘前漸變段襯砌施工方案對比分析表

4.3 經濟效益

按照設計圖紙漸變段體型為馬蹄型斷面過渡到矩形斷面，即由圓形變矩形，閘前漸變段外形尺寸屬異形斷面，施工可選擇兩個方案：方案一是直接按照斷面尺寸定制定型鋼模板，用定制好的定型鋼模板拼裝成型，進行混凝土施工；方案二是復合模板、鋼拱架及滿堂式鋼管架支撐組合施工，按照測量定位拼裝好鋼拱架，安裝復合模板，對復合模板進行加固，對作為骨架的鋼拱架進行用滿堂式鋼管架支撐。通過施工情況對兩種方案進行兩種方案進行了成本預算、外觀尺寸控制和安全系數統計分析，具體分析見表1。

在要求的工期內和現有的人工、材料和機械條件下，通過項目費用測算，如果選用復合模板襯砌方案，人工、材料和機械消耗費用共計296965.84元；而如果選用定型鋼模板襯砌方案，將必須額外租賃一臺汽車吊，將會消耗費用682370元。通過對比，選用復合模板襯砌方案節省385404.16元，為項目創造了巨大的經濟效益。

異形鋼模板在廠家加工時間長，單個鋼模板重量太大，不容易操作，安全系數低，且僅能用作本工程一次性使用，投入成本較大；而復合模板、鋼拱架及滿堂式鋼管架支撐組合施工取材方便，可操作性強，施工便捷，安全系數高，同時能降低消耗，節約施工成本，提高經濟效益。對比之下，復合模板、鋼拱架及滿堂式鋼管架支撐施工更優。

5 結語

雖然通過引水隧洞閘前漸變段小模板襯砌質量控制方案施工，為黃三水利項目加快了施工進度，同時創造了理想的經濟效益；但是，在混凝土外觀質量控制方面還有待提高。下一步，應繼續努力，總結施工經驗，研究如何提高混凝土外觀質量這一難點。