多艙式管廊施工機(jī)械化模架的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

吳相斌?吳發(fā)展?張磊

摘 要：為克服明挖管廊施工機(jī)械化程度低、人工勞動(dòng)強(qiáng)度大的問題，設(shè)計(jì)了一種多艙管廊施工機(jī)械化模架，通過方案設(shè)計(jì)、選型計(jì)算、安裝調(diào)試、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用四個(gè)階段，將其成功應(yīng)用于雄安新區(qū)棚戶區(qū)改造容東片區(qū)安居工程。多艙管廊施工機(jī)械化模架設(shè)備的應(yīng)用提高了管廊施工機(jī)械化程度，減少了傳統(tǒng)木模施工過程中對(duì)拉止水螺桿的設(shè)置，混凝土表面平整度更好，為后續(xù)多艙綜合管廊機(jī)械化施工提供了借鑒。

關(guān)鍵詞：多艙式管廊;施工機(jī)械化;模架設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TU990.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）32-0113-03

Design and Application of Mechanized Formwork for Multi Compartment Pipe Gallery Construction

WU Xiangbin WU Fazhan ZHANG Lei

（Erchu Co.， Ltd. of China Railway Tunnel Group， Sanhe Hebei 065201）

Abstract： In order to overcome the problems of low mechanization and high labor intensity of open cut pipe gallery construction， a mechanized formwork for multi cabin pipe gallery construction is designed and successfully applied to the housing project in Rongdong area of shanty town reconstruction in Xiong'an New Area through four stages： scheme design， type selection calculation， installation and commissioning and field application. The application of mechanized formwork equipment for multi compartment pipe gallery construction improves the degree of mechanization of pipe gallery construction， reduces the split water stop screw in the process of traditional wood formwork construction， and the concrete surface flatness is better， which provides a reference for the subsequent mechanized construction of multi compartment comprehensive pipe gallery.

Keywords： multi compartment pipe gallery;construction mechanization;mold base design

目前，地下綜合管廊大部分建設(shè)在城市中，埋深較淺。在建設(shè)地下綜合管廊的過程中，考慮到成本、效率等因素，應(yīng)用最多的依然是明挖法[1]。明挖法施工多采用滿堂支架法，存在機(jī)械化程度低、施工效率不高、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、人工輔助工序煩瑣等問題。因此，研究綜合管廊明挖法機(jī)械化施工具有重要意義[2-3]。多艙式管廊施工機(jī)械化模架是綜合考慮滿堂支架、簡(jiǎn)易整體式移動(dòng)模架[4]、液壓鋼制模板臺(tái)車的優(yōu)缺點(diǎn)后[5-6]提出的一種實(shí)現(xiàn)多艙管廊機(jī)械化襯砌施工的設(shè)備。

1 工程概況

雄安新區(qū)棚戶區(qū)改造容東片區(qū)安居工程（A社區(qū)）配套市政道路、綜合管網(wǎng)、排水管網(wǎng)系統(tǒng)工程包含7條市政道路，全長(zhǎng)約10.49 km，隨干路建設(shè)的干線綜合管廊約3.5 km，其中E4路綜合管廊約2.15 km，N3路綜合管廊約1.35 km，基坑開挖深度約11.6 m，采用分級(jí)放坡開挖，局部采用鋼板樁圍護(hù)。本文研究的管廊施工機(jī)械化模架應(yīng)用于N3路綜合管廊。

2 四艙多節(jié)式綜合管廊模架設(shè)計(jì)

多艙式管廊施工機(jī)械化模架綜合管廊共有四艙，分別是燃?xì)馀摗⒛茉磁摗⒕C合艙和電力艙。艙內(nèi)高度為3 600 mm，在邊墻距離內(nèi)部底板800 mm處設(shè)置一道施工縫，分兩次施工，里程長(zhǎng)度分別為30 m和36 m。內(nèi)模模架由模板、門架、加長(zhǎng)節(jié)、傳動(dòng)、支腿、小車等部分組成，內(nèi)模模架方案如圖1所示。

2.1 模板部分

目前市場(chǎng)上在售的模板種類較多，常見的模板主要有鋼模板、木模板、高分子塑料模板和鋁模板等，在承載能力、操作便捷性、使用耐久性等方面各具優(yōu)缺點(diǎn)。經(jīng)過對(duì)比分析，內(nèi)模模架模板部分選擇新型高分子塑料模板。

2.2 門架的選型計(jì)算

門架材質(zhì)均采用Q235鋼，上門梁采用H型鋼，規(guī)格為200 mm×100 mm×5.5 mm×8 mm;立柱采用矩形管，規(guī)格為150 mm×100 mm×6 mm;支撐絲桿采用直徑為60 mm的圓鋼;底梁采用矩形管，規(guī)格為150 mm×100 mm×6 mm;模板主楞采用H型鋼，規(guī)格為200 mm×100 mm×5.5 mm×8 mm;立柱間斜撐采用等邊角鋼，規(guī)格為63 mm×63 mm×6 mm;底部支腿采用直徑為48 mm的圓鋼;短支撐采用矩形管，規(guī)格為120 mm×80 mm×5 mm。采用有限元分析軟件MIDAS計(jì)算門架強(qiáng)度及變形。

2.2.1 檢算荷載。頂板厚度為500 mm，容重為25 kN/m。頂板模板承受混凝土壓力按照混凝土自重計(jì)算，F(xiàn)=25 kN/m×0.5 m=12.5 kN/m，安全系數(shù)為1.2，設(shè)計(jì)值為12.5 kN/m×1.2=15 kN/m。頂板混凝土通過高分子塑料模板、C12背楞將混凝土載荷傳遞給臺(tái)架部分，頂板上C12背楞承受載荷為15 kN/m×0.3 m=4.5 kN/m。

新澆筑混凝土對(duì)模板的最大側(cè)向壓力F1=25 kN/m×3.3 m=82.5 kN/m，安全系數(shù)為1.35;傾倒混凝土?xí)r的水平動(dòng)荷載F2=2 kN/m，動(dòng)載系數(shù)為1.6;振搗混凝土產(chǎn)生的水平動(dòng)荷載F3=4 kN/m，動(dòng)載系數(shù)為1.6。由此得出，邊模底部最大總荷載設(shè)計(jì)值為82.5 kN/m×1.35+（2 kN/m2+4 kN/m）×1.6≈121 kN/m。

有限元模型中程序自動(dòng)計(jì)算臺(tái)架結(jié)構(gòu)自重，材料自重為78.5 kN/m。

2.2.2 建立模型。根據(jù)內(nèi)模架體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，每個(gè)內(nèi)模臺(tái)架整體結(jié)構(gòu)采用4榀主骨架，第二榀主骨架受力最大，此榀骨架單獨(dú)建模。

頂部荷載大小為15 kN/m×0.3 m×1.5 m=6.75 kN，邊部荷載按25 kN/m×h×0.3 m×1.5 m（h為各節(jié)點(diǎn)位置的混凝土澆筑深度）載荷施加。經(jīng)計(jì)算，各節(jié)點(diǎn)自下而上分別施加的邊部荷載為35.16 kN、31.78 kN、28.41 kN、25.03 kN、21.65 kN、18.28 kN、14.91 kN、11.53 kN（見圖2）。

在最底部支腿位置增加X、Y、Z方向的約束，在支腿與模板主背楞位置增加Y坐標(biāo)橫向約束，對(duì)拉絲桿起到約束局部位置的作用。

2.2.3 變形計(jì)算。變形計(jì)算公式為1.0×自重+1.0×模板荷載。經(jīng)計(jì)算，邊模位置最大變形為1.60 mm，頂部位置最大變形為3.18 mm（見圖3），滿足現(xiàn)場(chǎng)施工需求。

2.2.4 強(qiáng)度計(jì)算。強(qiáng)度計(jì)算公式為1.2×自重+1.4×模板荷載。應(yīng)力最大位置位于支撐絲桿位置，應(yīng)力達(dá)226.6 MPa，小于235 MPa，接近Q235鋼的許用壓力，但考慮到已經(jīng)選取了1.4倍的安全系數(shù)，故檢算結(jié)果合格（見圖4）。

2.3 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用機(jī)械式傳動(dòng)原理，主要由電動(dòng)減速機(jī)、鏈輪、鏈條、傳動(dòng)軸、傳動(dòng)絲杠等組成。傳動(dòng)核心部件由中間傳動(dòng)軸、固定安裝在傳動(dòng)軸中部的過渡鏈輪、固定安裝在傳動(dòng)軸兩端的端部鏈輪和安裝在所述電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的主動(dòng)鏈輪組成。中間傳動(dòng)軸橫向安裝在門架的兩個(gè)側(cè)部豎撐上，電動(dòng)減速機(jī)轉(zhuǎn)軸上安裝有主動(dòng)小鏈輪，通過鏈條與傳動(dòng)軸上的過渡鏈輪連接，傳動(dòng)軸兩端的端部鏈輪均采用雙排鏈輪，每個(gè)端部鏈輪通過兩條鏈條分別與其同側(cè)兩個(gè)平移驅(qū)動(dòng)器上的傳動(dòng)鏈輪一一對(duì)應(yīng)連接。

2.4 移動(dòng)小車的設(shè)計(jì)

移動(dòng)小車由結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)三部分組成。

結(jié)構(gòu)系統(tǒng)包含車架部分、轉(zhuǎn)向車輪、驅(qū)動(dòng)車輪。其中，車架部分由矩形鋼管組成，留有驅(qū)動(dòng)輪安裝座、支腿連接座等;轉(zhuǎn)向車輪與驅(qū)動(dòng)車輪均通過液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，通過螺栓與車架連接。

電氣系統(tǒng)由電氣控制箱和遙控器組成，其對(duì)平移油缸伸縮、舉升油缸伸縮、小車前進(jìn)和后退、小車回轉(zhuǎn)進(jìn)行控制。

液壓系統(tǒng)由回轉(zhuǎn)馬達(dá)、平移油缸、舉升油缸、液壓驅(qū)動(dòng)馬達(dá)等組成。其中，回轉(zhuǎn)馬達(dá)控制小車轉(zhuǎn)向;平移油缸控制小車平移糾偏;舉升油缸作為小車支腿部分，保證小車支撐穩(wěn)定;液壓驅(qū)動(dòng)馬達(dá)為小車驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以三擋調(diào)速。

3 內(nèi)模模架的應(yīng)用

3.1 內(nèi)模模架組裝步驟

3.1.1 安裝場(chǎng)地選擇。內(nèi)模臺(tái)車采用多艙多節(jié)式設(shè)計(jì)，臺(tái)車數(shù)量眾多，組裝工作量較大。在基坑外組裝，有利于人員作業(yè)，組裝效率高。

3.1.2 組裝流程。組裝流程為：拼裝門架—安裝門架C型鋼—安裝鏈輪—安裝鏈條—安裝邊模豎撐—安裝邊模C型鋼—安裝邊模—安裝頂模—小車調(diào)試。小車及內(nèi)模模架調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)如圖6所示。

3.1.3 內(nèi)模模架及小車起吊下放至基坑內(nèi)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)基坑尺寸、各艙管廊模板及內(nèi)模臺(tái)車自重，采用兩臺(tái)130 t的移動(dòng)式汽車吊分別放置在基坑兩側(cè)，從基坑兩側(cè)起吊下放（見圖7）。

工序?yàn)椋簝?nèi)模模架及小車移動(dòng)至工作位—汽車吊就位—內(nèi)模模架起吊下放—內(nèi)模小車起吊下放。

3.2 內(nèi)模模架就位與脫模

3.2.1 臺(tái)車就位。內(nèi)模模架采用移動(dòng)小車移動(dòng)就位，通過小車的移動(dòng)與轉(zhuǎn)向功能糾偏，將內(nèi)模臺(tái)架移動(dòng)至待施工區(qū)域。

3.2.2 臺(tái)車脫模。澆筑結(jié)束后，養(yǎng)護(hù)到規(guī)定時(shí)間，將移動(dòng)小車行進(jìn)至需要脫模的臺(tái)車底部，并與臺(tái)車骨架進(jìn)行連接。啟動(dòng)傳動(dòng)平移機(jī)構(gòu)，將模板微量外伸，使絲杠松動(dòng)，拆除所有絲杠。操縱傳動(dòng)平移機(jī)構(gòu)，使側(cè)模板收回。

4 結(jié)論

①管廊施工機(jī)械化模架經(jīng)過方案設(shè)計(jì)、選型計(jì)算、安裝調(diào)試，在施工現(xiàn)場(chǎng)成功應(yīng)用，與傳統(tǒng)腳手架木模等施工方案相比，襯砌質(zhì)量顯著提高，減少了對(duì)拉止水螺桿的設(shè)置，混凝土表面平整度更好。

②該機(jī)械化模架的應(yīng)用提高了管廊施工機(jī)械化程度，為后續(xù)多艙綜合管廊機(jī)械化施工提供了借鑒。

③與傳統(tǒng)滿堂支架相比，該機(jī)械化模架就位及脫模效率高，在單節(jié)管廊施工方面具有較大優(yōu)勢(shì)。但滿堂支架可以多節(jié)同步跳艙施工，在多作業(yè)面同步施工方面具有優(yōu)勢(shì)。因此，該機(jī)械化模架后續(xù)還有必要向綜合快速施工方面開拓和創(chuàng)新。

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