輕鋼模型網混凝土結構在路基工程中的應用

趙麗 劉高飛 王思遠

現今鐵路工程建設受諸多因素控制，如地形復雜、土地資源匱乏、既有設施限制等，選線中不可避免地要出現高路堤、深路塹、陡坡路基等疑難路基工程，因此在路基工程設計中，支擋防護措施不斷加強，加之受環境因素影響，石料開采減少，支擋防護工程中需要大量采用混凝土結構。遇高陡邊坡，既有線施工等困難情況時，混凝土工程施工存在較多困難，施工效率低下，安全風險較高，因此提升混凝土結構施工效率，減少其施工難度成為設計中需要考慮的一個重要環節。

目前，輕鋼模型網在建筑領域應用較多，且效果良好，通過研究將其推廣至鐵路工程以及其他工程領域，以提高相關領域混凝土結構的技術水平發展，具有非常重要的經濟效益和社會意義。

一、輕鋼模型網混凝土結構

輕鋼模型網是一種內部為空腔、兩側為鋼板網外壁和豎向加勁肋、之間為水平連續拉筋組成的空間網狀結構。由鋼板網、加勁肋、拉筋及連接件組成的免拆模板網。

圖1 輕鋼模型網構件截面圖一

輕鋼模型網均在工廠按照設計尺寸預制，施工時僅需做放置或必要的綁扎即可，是一種可以代替模板的特殊結構，在混凝土澆筑完成后，不再拆除回收，后期可以增加混凝土砌體的耐久性等。

輕鋼模型網混凝土結構作為新型混凝土結構材料，與傳統的混凝土結構比較，具備以下優點：其施工沒有傳統施工過程中的搭拆腳手架、安拆模板的步驟，可在較小的空間內施工較為便捷，對提升混凝土結構的施工效率有明顯效果；對降低混凝土結構工程的造價具有一定優勢；通過“環箍效應”、“滲濾效應”，消除“容器效應”，對提高混凝土結構的強度及耐久性有一定作用；能夠利用粉煤灰等工業廢料，且施工過程中免振搗減少噪音污染，對環境保護有積極作用。

二、路基工程中的應用

1. 排水工程

（1）采用Abaqus有限元軟件以側溝為例進行凍脹條件下的結構分析。

①邊界條件以及荷載

a.力學邊界，底部完全約束。四周為防止土體擴散的約束邊界。水溝與土體中間設置為摩擦界面。

b.熱邊界，除上部溫度荷載區域，其余均為絕熱邊界。

c.模型全部施加重力荷載9.8kg/m3，并進行地應力平衡。荷載區域施加均布荷載70kPa。

d.地表溫度變化，變化區間[30，-20]℃，周期1年。

②基本假設

a.混凝土使用塑性損傷模型，土體采用摩爾庫倫模型。

b.土的凍結過程，以負溫度為主要因素。

c.土水相變溫度為0℃，熱量傳遞方式采用熱傳導。

d.分析按平面應變問題處理。

③凍脹水溝分析模型簡述

根據水溝常用尺寸，對C25素混凝土、矩形側溝及使用輕鋼模型網結構的矩形側溝進行對照分析。側溝底寬均采用0.4m，溝深0.8m。側溝厚度采用20cm。

④有限元分析結果如下：

以下對比圖形左圖均表示素混凝土水溝數據，右圖均表示輕鋼模型網結構混凝土水溝數據。

a.相同工況下，采用輕鋼模型網結構側溝，側壁處的混凝土開裂受到了抑制，裂縫從0.1347mm降低至0.05924mm。底部混凝土優先出現了開裂。

圖2 矩形側溝裂縫對比圖

b.相同工況下，采用輕鋼模型網結構側溝，受拉損傷程度獲得顯著改善。

圖3 矩形側溝受拉損傷對比圖

（2）工程實例

某既有線病害整治工程，左側側溝直立邊受擠壓變形，采用輕鋼模型網混凝土加固處理后，到目前為止，無新的病害產生。

矩形水溝鋪砌厚度為200mm，溝底寬0.4m，溝深0.8m。采用C15混凝土現澆。溝壁采用輕鋼模型網作為永久性模板，網間距180mm。溝底采用單層模型網鋪底限裂。水溝內壁采用M10水泥砂漿抹面，抹面厚度采用2cm。

輕鋼模型網：鍍鋅板厚度為0.4mm，網目尺寸10×12mm，肋筋寬50mm，肋筋波峰高15mm，波峰間距200mm，加勁肋鋼板厚0.8mm，加勁肋高10mm，加勁肋寬50mm，加勁肋間距300mm。拉筋豎向間距200mm，水平間距同加勁肋。

2. 防護工程

該結構應用于某鐵路專用線工程，原施工圖設計路塹挖方地段中的骨架護坡由于邊坡較高，石料難以運送，施工困難。經業主同意，變更為采用輕鋼型模網混凝土現澆，以降低施工難度。

方格型骨架護坡邊坡坡率1∶1.0，采用C15混凝土現澆。骨架厚0.5m。骨架內可采用植草種灌木、空心磚客土撒播植草種灌木等防護。骨架護坡起、終點處設0.5m寬鑲邊，骨架護坡頂部設0.5m寬鑲邊，護坡底部設0.5m寬鑲邊。骨架及上下鑲邊均采用輕鋼模型網作為永久性模板，骨架護坡設條形基礎，基礎寬0.7m，高0.8m，基礎采用土模澆筑。反濾層、泄水孔及伸縮縫等按常規設計考慮。

輕鋼模型網：輕鋼模型網為柱狀封閉型，胸坡側和背坡側之間設置拉筋，前后側之間不設拉筋。鍍鋅板厚度為0.4mm，網目尺寸6×10mm，肋筋寬67mm，肋筋波峰高25mm，波峰間距120mm，加勁肋鋼板厚0.8mm，加勁肋高15mm，加勁肋寬50mm，加勁肋間距200mm。拉筋豎向間距150mm，水平間距同加勁肋。

三、造價分析

傳統混凝土工程施工包括：搭拆腳手架、安拆模板、澆筑混凝土、振搗養護、安裝泄水管等附屬設施、涂脫模劑，大部分為人工作業，施工現場比較雜亂，無法保證施工質量，會存在工程安全隱患。

輕鋼模型網混凝土工程施工采用了現代化的施工方法，施工中采用輕鋼模型網取代普通模板；施工中不用設腳手架，模網重量一般為0.3～0.5kg/m2，較為輕便，在施工場地兩名人員即可張拉固定，非常方便；施工中不用涂脫模劑，不用拆模；施工中混凝土不用振搗，對周圍環境無噪音污染，施工進度較快，現場整潔文明，施工質量有保障。

輕鋼模型網混凝土比傳統混凝土施工減少3～4個步驟，根據《鐵路工程預算定額》（TZJ2001-2017）路基工程分冊、《鐵路基本建設工程設計概（預）算編制辦法》、《鐵路基本建設工程設計概（預）算費用定額》及《鐵路工程材料基期價格》具體分析如下：

表1 現澆混凝土擋土墻基價及工日對比表

表2 現澆混凝土框架梁或骨架護坡基價及工日對比表

表3 現澆混凝土水溝基價及工日對比表

通過分析，在使用輕鋼模型網后，不同的混凝土結構工程均在工期和造價方面有不同程度的減少，其具有一定的優勢。

四、施工工藝

生產廠家按設計結構尺寸預制好輕鋼模型網→放線→施做基礎混凝土（預留好錨筋）→綁扎鋼筋→放置輕鋼模型網→調整輕鋼模型網的坡率→固定輕鋼模型網→安放泄水孔等附屬設備→檢查調整→澆注混凝土→抹底層砂漿→罩面層砂漿→檢查驗收→依此程序循序施工。

施工中出現的問題及解決方法：

1. 施工中易出現的問題及原因分析

輕鋼模型網結構的施工會出現輕鋼模型網網片部分破裂現象，會出現跑模的現象，分析出現這個問題的主要原因有如下幾點：

（1）混凝土的施工過程中流動性大，在施工澆筑過程中會在澆筑結構底部形成較大液壓，若模網的強度不夠，會導致模網鼓包，嚴重的會出現破裂現象，混凝土出現跑漿現象。

（2）模網網片強度不夠，連接處整體剛度不足，在混凝土的壓力作用下開裂。因此，需要對網片的強度和整體連接處的整體剛度進行分析計算，確保輕鋼模型網結構可以抵抗混凝土澆筑時結構底部的壓力，不至破裂。

（3）混凝土澆筑施工時，流態的混凝土對輕鋼模型網結構的底部由較大的沖擊作用。

2. 施工中出現的問題的解決方法

對于以上問題應采取以下幾點措施：

（1）及時調整混凝土的澆筑速度，并適當降低其流動性，另外要保證網片的質量，個別工程應加密加勁肋的間距，避免網片強度過低而導致的破裂。

（2）混凝土采取分層澆筑的施工方法，避免因混凝土實體加高在結構的底部產生過高壓力。

（3）混凝土澆筑時必須保持水平均衡澆注，每小時澆注高度一般控制在 0.6～1.5m，避免因澆注對底部模網的沖擊，減小側壓力，避免跑模與造成鼓包和破損。

3. 通過數據分析，以變形為8mm控制時，最大混凝土分層澆筑高度為2m。

五、結論

（1）輕鋼模型網混凝土結構作為新型混凝土結構材料，與傳統的混凝土結構比較，施工較為便捷，對提升混凝土結構的施工效率有明顯效果；對降低混凝土結構工程的造價具有一定優勢；對提高混凝土結構的強度及耐久性有一定作用；能夠利用粉煤灰等工業廢料，且施工過程中免振搗減少噪音污染，對環境保護有積極作用。

（2）輕鋼模型網混凝土結構能夠推廣應用于鐵路路基工程中護坡、擋土墻及排水設施。

（3）在使用輕鋼模型網后，不同的混凝土結構工程均在工期和造價方面有不同程度的減少，其具有一定的優勢。

（4）建議施工過程中及時調整混凝土的澆筑速度，以以變形為8mm控制時，最大混凝土分層澆筑高度為2m。