關山隧道通風豎井滑模施工技術

焦金軍

(陜西煤業化工建設(集團)有限公司礦建三公司，陜西 銅川 727031)

0 引言

豎井滑模施工在我國和國際上都有過成功使用范例，主要應用在水電站引水道豎井、水電站管道井、高速公路通風井等工程，其中滬蓉西高速公路龍潭隧道通風豎井3號井直徑7.0 m，井深度335 m(復合式襯砌支護，注漿錨桿和系統錨桿使用，雙層鋼筋網、格柵、噴射混凝土、防水層、防水混凝土)。

豎井海拔+2 345 m，井筒凈φ10.8 m，最大開挖φ13.1 m，十字中隔墻，具有斷面大、地質復雜、支護工序多，井底4個聯絡風道與井筒貫通，施工技術難度和安全風險較大。工程創新之處主要有3點：①滑模在特大豎井的使用；②十字隔墻支護，滑模設計加工更加復雜；③滑模施工方案除了專家評審外，應用BIM技術使用滑模工藝在安全、質量、進度以及經濟效益方面都取得良好的效果。其建設時期為甘肅省第一大直徑豎井，全國第二大直徑豎井工程。采用滑模施工技術，自下而上整體鋼筋混凝土施工，實現井筒多腔一次成型，高效安全地完成施工，在類似工程中具有借鑒和推廣的意義。

1 工程概況

關山隧道是G8513平涼至天水段一條特長隧道，通風豎井是為滿足隧道運營環境和防火抗災安全要求而設。位于新關山隧道YK80+150右63 m處，地面高程+2 345 m，井深339 m，φ10.8 m，最大開挖φ13.1 m。井身設十字中隔墻，四腔室結構，分左右線送、排風道如圖1所示，與井底4個聯絡風道貫通。復合式襯砌，初支采用“錨桿+金屬網+鋼拱架+噴射混凝土”支護，厚度240 mm，二襯鋼筋混凝土支護，厚度500 mm，十字隔板鋼筋混凝土，厚度300 mm，設計參數見表1。

圖1 豎井凈空斷面Fig.1 Sectional view of shaft clearance

表1 豎井二次襯砌支護設計參數Table 1 Design parameters of shaft secondary lining support

2 滑模設計

2.1 滑模工作原理和結構

滑模的工作原理是利用埋在井壁和十字隔墻混凝土內金屬支撐桿、液壓系統使滑模不斷整體滑升，完成模筑施工。滑模結構由模板、平臺、液壓各系統組成，如圖2所示。

圖2 滑模結構示意Fig.2 Schematic diagram of sliding form structure

2.2 模板系統

由模板、圍圈、提升架組成。

2.2.1 模板

按井身設計特制，高1.5 m，分52塊，由面板和扁鋼焊接成肋型結構，異形板做倒角。面板用4 mm鋼板，加筋用6 mm×50 mm扁鋼，橫豎向加筋間距30 cm。模板之間螺栓連接，用4塊掛鉤焊接固定圍圈上，下部30 cm設彈性模板。

2.2.2 圍圈

用14槽鋼加工制作，其每道圍圈分4節，法蘭板連接。在模板上、下口各設1道，上圈距上口250 mm，下圍距下口300 mm，間距770 mm。模板在圍圈上定位加固，圍圈與模板、提升架之間螺栓連接，調好后再加鋼板焊接。

2.2.3 滑升及提升架系統

聯結模板、液壓系統和圍圈。千斤頂在支撐桿上滑，荷載由提升架傳給支撐桿。提升架必須受力計算，結合荷載、摩擦力按偏心受控構件驗算。豎橫桿、斜撐均用10槽鋼雙拼。提升架高2.5 m，選用36個GYD-60型滾珠式液壓千斤頂，其中井壁“F”架20榀，十字隔板開字架16榀。

2.3 平臺系統

平臺系統是施工作業平臺，支撐于提升架豎桿上，與提升架、圍圈、模板連成一體。自上至下依次是上平臺、下平臺、抹面平臺，上、下平臺均采用桁架結構。上下平臺凈高1.3 m，采用14、10加工制作，δ=4 mm花紋鋼板鋪面。抹面平臺凈高2.0 m，采用L70角鋼制作。

2.4 液壓系統

由液壓泵站、節流閥、分配閥、千斤頂組成。二級并聯方式四路油控供油，油泵控制臺用YKT-100型，主油管φ16 mm，支油管φ8 mm，鋼絲編織高壓軟管與配閥和油管組成并聯平行分支油路系統，按十字隔板分A、B、C、D的4區布管供油。采用滾珠式穿心千斤頂，減少爬升中鋼管損傷和滑落。千斤頂的額定荷載根據總起重荷載和布置數量定。液壓泵工作壓力按起重噸位選配，可根據油泵流量、千斤頂油缸容積及提升時間等參數確定。經計算，配置見表2，布置形式如圖3所示。

圖3 滑模液壓系統布置Fig.3 Layout of sliding mode hydraulic system

表2 液壓系統配置Table 2 Hydraulic system configuration

2.5 滑模提升力復核

2.5.1 荷載

滑升摩擦阻力：模板上滑時，摩擦阻力包括模板與混凝土之間粘結力、澆混凝土側壓力對模板產生摩擦力。千斤頂不同步、模板加工制作偏差、模板變形與傾斜等所致的滑升阻力等。模板上的摩擦阻力G1常取一個附加荷載系數來計算，公式如下

G1=kfs

式中，k為附加荷載系數，取k=1.2；f為混凝土與模板間單位滑升阻力，鋼模取3 kN/m2；s為模板的外表面積；井壁面積s1=D·H=41.00 m2;十字隔板面積s2=4×L·H=52.23 m2。計算得，G1=kfs=335.61 kN；滑升摩擦阻力G1=335.61 kN。

滑模結構自重：經計算，滑模自重G2=14.5 t。

施工荷載：為人員、設備、材料、機具等，考慮不均勻系數及動力載荷，確定G3=(T1+T2+T3)k1k2。①人員T1=20×800 N/人=16 kN。②設備T2=16 kN(千斤頂、液壓控制臺等)。③材料、工具T3=15 kN(鋼筋等)。

k1為不均勻系數取1.3；k2為動力載荷系數取2。則G3=(T1+T2+T3)×1.3×2=122.2 kN(12.5 t)。混凝土側壓力G4=204.98 kN(20.9 t)。施工總荷載G=G1+G2+G3+G4=82.15 t。

2.5.2 支撐桿承載力計算

支撐桿用φ48 mm，δ=3.5 mm無縫鋼管，下端埋混凝土中，上端穿千斤頂內，其可看作一端固定、一端定向支撐的壓桿。承載力計算(滑動模板工程技術規范附錄B.0.2式)如下式

P=(a/K)×(99.6-0.22L)

式中，P為單個千斤頂或支撐桿的允許承載力，kN；a為群桿工作條件系數，取1；K為安全系數，取2；L為支撐桿長度，cm，千斤頂下卡頭到混凝土上表面的距離(取最大值)。計算得，P=36.6 kN(3.73 t)

nmin=N/P(滑動模板工程技術規范5.1.5式)

式中，nmin為所需支撐桿最小數量；N為總垂直荷載，kN，應取所有豎向荷載之和；P為單個千斤頂或支撐桿的允許承載力，kN。

2.5.3 千斤頂數量復核

根據公式得支撐桿的最小數量為nmin=N/P=22根,設計選定為36根，符合要求。

單根支撐桿(千斤頂)承受壓力f=W/n×c=33.39 kN<60 kN(選定千斤頂額定起重量)

式中，c為載荷不均勻系數，取0.5；n為設計支撐桿數量，36根；W=G1+G2+G3(操作平臺承載)。

計算可知，滑模千斤頂選用GYD-60型滾珠式液壓千斤頂36個，直徑φ48 mm×3.5 mm鋼管36根，滿足施工規范要求。

2.5.4 圍圈計算

水平最大彎矩：MX=0.117qH×L2

垂直最大彎矩：MY=0.1qV×L2

式中，qH為圍圈承受水平荷載設計值；qV為圍圈承受垂直荷載設計值。qH=qV=(模板摩擦力+自重)/圍圈長度=10.12 N/mm；L為提升架間距1 750 mm。

水平方向最大彎矩MX=3 626 122 N·mm，垂直方向最大彎矩MY=3 099 250 N·mm

2.5.5 強度驗算

[MX/(γX×WX)+MY/(γY×WY)]≤f

式中，MX、MY同上；γX，γY取值為γX=1，γY=1；WX為水平方向凈截面抵抗矩，WX=141 400 mm3;WY為垂直方向凈截面抵抗矩,WY=20 000 mm3；f為鋼材抗彎強度設計值215 N/mm2。即MX/(γX×WX)+MY/(γY×WY)=180.6 mm2，小于f值215 N/mm2，滿足使用要求。

2.5.6 穩定性驗算

支撐桿選用φ48 mm×3.5 mm鋼管；D=4.8 cm，t=3.5 mm，A=4.89 cm2，I=12.19 cm4，W=5.08 cm3，i=1.58 cm,P= 35.5 kN。

兩端鉸支取μ=1，λ=μ×L/i=75.9 t<82.15 t，φ=0.77,N/φAf=35.5×103/0.77×4.89×102×235=0.401<1,滿足穩定性要求。

3 滑模施工

3.1 滑模安裝

將部件運進井底找平，提升架精確就位，連接圍圈；從下至上安裝下平臺、上平臺，模板，安裝時注意板間接縫不能過大。平臺、提升架、模板安裝后，加鋼板焊接加固，最后安裝液壓系統。抹面平臺于滑模提升2.4 m后安裝，另安尼龍繩安全網作防護。

3.2 混凝土質量控制

根據滑模施工的特點，要求混凝土流動性和初凝時間短、自穩成型好的性能。混凝土原材料各項指標滿足規范和強度、配合比要求，粗集料選用5～31.5 mm粒徑連續級配，塌落度16～20 cm，摻加1%的PC1.0標準型高性能減水劑，提高混凝土早期強度，縮短提模時間。

3.3 混凝土澆筑入模

采用底卸式吊桶+集灰槽+導管輸送工藝。混凝土罐車出料經井口溜槽將混凝土卸入吊桶內，吊桶將混凝土直接運至吊盤上層盤集灰槽處，集灰槽經接料斗和鋼編管將混凝土分流入模。此輸送工藝，避免了混凝土離析現象。混凝土輸送系統布置如圖4所示。

圖4 混凝土輸送系統布置Fig.4 Layout of concrete conveying system

3.4 滑模作業

初次滑升和澆筑應嚴格按6個步驟進行；第1次澆筑砂漿10 cm厚，繼澆第2層30 cm，混凝土厚到70 cm時開始滑升并檢查脫模混凝土凝固情況。第4層澆筑后滑升6 cm，續澆第5層，再滑升12～15 cm，第6層澆筑后滑升20 cm，若無異常便可連續滑升澆筑。混凝土澆筑必須分層對稱進行，層厚≤30 cm，滑升過程要對提升、液壓系統、模板全面檢查一切正常，可進行操作。滑升時應保持均勻連續作業，專人觀測滑模水平、千斤頂行程是否同步，是否能脫模。

4 滑模施工控制

4.1 滑模主控指標

施工中為防止偏移和變形，遵循“預防為主、糾偏為輔”原則。主控指標為中軸線、垂直度、水平度。采用懸吊錘球、激光垂準儀、水平尺檢查，每班不少于2次。施工中軸線控制采用1.2 mm鋼絲投點至井底，控制井筒中心和十字墻中心。模體上布透明膠管，水平度觀測利用連通器原理水平膠管內充紅色水進行。

4.2 滑模施工防止措施

保證滑模結構有足夠的強度、剛度。混凝土對稱均勻澆筑，模內混凝土面高差<15 cm；各千斤頂安裝高差<40 mm，相鄰兩提升架上千斤頂升差≤20 mm；支撐桿有足夠強度和剛度，安裝垂直；避免滑模平臺上不均衡堆載等。滑模發生偏斜，可用部分千斤頂進行局部調整。

5 結語

關山隧道通風豎井滑模施工時間為2019年8月20日—10月14日，日平均成井6 m；工序簡單易操作，大幅提高機械化施工作業水平，改善施工環境和降低作業人員勞動強度，提高安全性。本工程滑模施工技術的成功應用，在安全、質量、進度以及經濟效益方面都取得了良好的效果，也為類似工程施工提供了寶貴經驗。