明挖隧道拱形現澆結構模架支撐體系設計方法

鄭佐雄

（云南工程勘察設計院集團有限公司，云南 昆明 650051）

0 引言

隨著經濟和社會的發展，明挖拱形隧道日益增多，采用明挖法施工的隧道，為了滿足施工過程中的自重抗浮要求，往往結構尺寸設計較大，對模板及相應的支撐體系要求較高。而承載力大、結構高度小、經濟性好的組合桁架非常適合支撐體系，因而有必要對明挖隧道拱形現澆結構模架支撐體系進行研究。

1 拱形結構設計概況

某隧道拱形主體結構使用明挖順做法現澆混凝土結構體系施工，拱形結構長為800m，跨度為16～22m。該項目施工區域計劃選用6 種不同斷面結構，分別為2-2 剖面、3-3 剖面、4-4 剖面、6-6 剖面、7-7 剖面、8-8剖面。因為施工中包含的斷面偏多，出于經濟和實用性考慮，模架支撐體系不得使用“臺車”。根據設計和施工要求，為保主圖結構安全，拱形結構豎向混凝土分4 次澆筑，依次為仰拱、下側拱、上側拱、頂拱，混凝土支撐梁應按從下至上的順序一一拆除，依次為第5 道、第4道、第3 道。

2 拱形結構模架選型

拱形隧道結構模架支撐體系由模板、桁架架體、吊裝、預埋等構成。拱形隧道縱向深度24m 作為一倉，因工期要求4-4 剖面、7-7/8-8（共用）剖面，模板配備：仰拱、下側拱和頂板蓋模模板均為1 套；上側拱與頂拱模板均為4 套；剩余剖面：仰拱與下側拱模板均為1套，上側拱、頂拱模板均為2 套，頂板蓋模配備1 套。下側拱單側鋼桁架上下2 個拱形段面均配備1 套，運用部分活節實行流水作業周轉使用。按施工要求模架體系使用現場散裝預拼、分倉整體吊裝作業，混凝土強度滿足要求拆除后，使用牽引機或叉車將其移動到下一施工地點。

2.1 仰拱模板受力設計

按照拱形結構支撐與設計要求，與之互相對應的每個剖面的仰拱弧形高度依次為2029mm、3117mm、920mm、1930mm、920mm、920mm。仰拱模板安裝時重點分析處理上浮問題，為保證其穩定性，仰拱使用鋼筋與背楞拉結底模，鋼筋與底層鋼筋焊接必須牢固[1]。

2.2 下側拱模板及支撐設計

下側拱形結構支撐基于設計要求及混凝土施工考慮，每個剖面下側拱架體均為5.2m 高，每次澆筑均為4.5m 高。單個支架承擔混凝土側壓力以折線形線荷載的方式作用在支架上計算值為43.42kN/m，安放埋件系統的距離不超過0.25m；混凝土有效壓頭高為1.5m；在計算過程中應計算桿件自重。

面層模板選用優質覆膜板，厚度不超過18mm，次龍骨選用木工字梁（定型加工），設計水平距離不超過0.3m，雙12 號槽鋼用于主龍骨，選擇特制連接件將主次龍骨連接在一起，因為是拱形斷面，所以選擇弧形桁架與單側支架相聯合，計算后發現埋件處所受拉力方向（約45°）和安放埋件拉桿方向相同，安放埋件系統的距離最大不超過0.25m，受支架壓力方向在調節支座的地方為豎直向下，選用預埋螺栓緊密連接，一般在縱向使用壓梁，間隔距離為0.25m[2]。

2.3 上側拱模板及支撐設計

按照拱形結構支撐與設計要求，與其互相對應的每個剖面上側拱高依次為5.03m，3.616m，4.344m，4.456m，3.967m，3.967m。選用Q345B 材質的60 系列盤扣式腳手架作為模架支撐系統；水平拉桿與豎向斜拉桿材料為Q235，其截面為48.3mm×2.5mm。鋼筋混凝土自身重量25.5kN/m3；腳手架自身重量0.15kN/m3；木模板自身重量0.5kN/m2；施工均布荷載為2.5kN/m2。

2.4 頂拱模板受力設計

頂拱部位混凝土側壓力、主、次龍骨及支撐架體和上、下側拱選型相同，只針對模板面板和預埋螺栓進行闡述。

2.4.1 建立幾何模型、力學模型

模型幾何取值包括半徑（R=8.95m）、縱向長度（b=0.8m）、澆筑高度（H=4.22m）、有效壓頭高度（h=1.5m）、π/6 約為32°。模架環向拉力與徑向拉力均滿足設計要求，分別為336.58kN、194.32kN。

2.4.2 埋件系統承載力驗算

埋件處所受拉力方向和埋入物成60°夾角，同時對抗壓和抗剪進行驗算，驗算結果為Fx=336.58kN；Fy=194.33kN；安置埋件系統的間隔距離不超過0.25m，各埋件承擔的拉力與剪力分別為48.58kN、84.15kN，埋件桿選用三級螺紋鋼，其直徑為25mm，抗壓強度與抗剪強度分別為335N/mm2、190N/mm2，經過計算算出拉應力為154.71N/mm2＜335N/mm2，剪應力為171.52N/mm2＜190N/mm2，符合要求。

2.5 盤扣式模板支撐架受力設計

該項目使用定制的組合式模板，其受力計算是分開進行的，根據主龍骨和架體結構進行了分析，確定了主龍骨為150 鋁合金梁，其縱向距離為1.2m，橫向寬度為0.9m，其腹板下部立柱承重混凝土斷面積為A=1.34m2，縱向布置符合模架支撐體系設計需求[3]。

3 拱形結構模板及支撐體系節點設計及使用

3.1 仰拱拉結節點設計

選用鋼筋與背楞對底模具進行拉接，要牢固的把鋼筋與底層鋼筋焊接在一起。

3.2 下側拱拉結節點設計

選用地腳螺栓將單側支架底部連接在一起，在縱向設置通配梁，間隔距離為0.25m，下側拱拉結節點如圖1 所示。

圖1 下側拱拉結節點

3.3 上側拱支架節點設計

選用地腳螺栓和主背楞將下端進行拉接，并將其穩固在主龍骨背楞焊接鋼板與腳手架上，下部為150 鋁合金梁，腳手架斜撐與主背楞要斜頂。

3.4 頂拱支架節點設計

用定型木工字梁模板作頂拱蓋模，面板使用厚度不低于18mm 的優質覆膜板，次龍骨使用成型的H20木工字梁，間距不超過0.3m，主龍骨用雙12 號槽鋼，間距不超過0.8m。定型模板長度依次為2674mm、5050mm、5050mm、2674mm，共4 塊，用4 套M20mm×50mm 高強螺栓將背楞之間相連接。上模具和內模具用頂模棒對頂，以保證混凝土保護層厚度。

3.5 模板槽鋼的連接

為避免2 塊模板接縫發生錯位，使用加強芯帶協助專用固定件將相鄰板塊連接在一起，如圖2 所示。

圖2 模板槽鋼的連接

3.6 模板吊鉤節點

為確保模板的安全起重，在各起重設備的龍骨端面預先設置直徑不少于22mm 的孔洞，用M20 螺栓將吊鉤和工字梁腹板連接起來，模板吊鉤節點如圖3 所示。

圖3 模板吊鉤節點

3.7 木梁接高節點

木梁接高節點如圖4 所示。

圖4 木梁接高節點（單位：mm）

3.8 下側拱支架設計

單側模架支撐體系包括預埋螺栓（包含錐形螺栓、連接桿件、普通型鋼）和三角支架體系。

根據施工斷面高度不同，架體高度分為3600mm標準節和1600mm 調節。為保證結構整體剛性，在工地將相鄰架子使用扣件式鋼管固定（安裝一個平衡塊在單側支模背面），并安裝250 輪子在架體下面，從而使得架體模具拆卸后能整個移動到下1 個流水部分[4]。

施工中首先將木工字梁和桁架片組合在一起，然后將面板和木工字梁用十字沉頭自攻螺釘進行穩固，接著將3600mm 的單側支架與1600mm 的加高節組合，最后把前段模板部分與單側支架使用塔式起重機吊起相連（用法蘭連接）。

3.9 預埋地腳螺栓設計

（1）預埋地腳螺桿要水平布設，應從貫通壓梁起點到終點按序進行，間距不高于250mm。

（2）由于預埋螺栓桿件和地面成45°夾角，為保證設置預埋螺桿的位置和受力角度準確，因此在預埋螺桿安置時應水平方向通長拉通線。

（3）避免混凝土澆筑時破壞絲扣使螺母連接受到影響，所以布設固定預埋螺桿前應保護好錐形螺栓絲扣。

（4）布設預埋螺桿時與結構主筋不可直接焊接，先用點焊法把螺桿和附加筋相連，再用綁扎法與主筋穩固相接。

3.10 下側拱模架設計

施工時拱形斷面段外墻使用單側支模法，澆筑高為4500mm，采用弧形模板（高為4650mm），架體高3600mm+1600mm，要將250 腳輪安放在每榀主桁架底部，以便平移單側桁架，一般每3 榀單側桁架劃分為1個單元；桁架與模板整體轉移時應布設配重在桁架背部下端避免翻倒[5]。因為導墻及腳輪高度有所不同，應用16 號工字鋼墊高單側支架后支座。

3.11 上側拱及頂拱模架支撐設計

使用60 盤扣支撐架作為拱形斷面段1400mm 頂板支架系統，鋼管尺寸為60.3mm×3.2mm。支撐架用縱距分別為900mm、900mm、1200mm，橫距分別為900mm、1200mm 配合作業，步距1500/1000mm；為加強架體的整體剛度與承載力，使用斜撐將水平桿之間相接。

4 側拱模架支撐體系安裝

4.1 下側拱模架體系安裝操作流程

下側拱模架體系安裝流程：材料吊裝到位→預拼裝→3600mm 單側支架和1600mm 單側支架加高節連接→裝配單側支架與弧形桁架→裝配木梁和弧形桁架→裝配面板和木工字梁→設置配重于單側支架后端上→裝配模板和單側支架→單側支架就緒后安置壓梁→校驗模架→穩固三角架→混凝土澆筑。

4.2 側拱鋼桁架支撐體系安裝流程

側拱鋼桁架支撐體系安裝流程：定位單側支架→安設埋件完成→測量放線→三角架就緒→加固埋件系統→調節單側支架向內傾斜5～15mm→檢測埋件受力系統。

4.3 上側拱模架體系安裝操作流程

上側拱模架體系安裝流程：架設支撐架→安置150鋁梁→安置主龍骨→裝配木梁和背楞→裝配面板和木工字→調整頂托→拉結、緊固地腳螺栓與主背楞。

4.4 頂拱模架體系安裝操作流程

頂拱模架體系安裝流程：架設支撐架→安置150鋁梁→在地面將面板、木工字梁、背楞連為一體→將模板整體吊裝到支撐架上面→調節頂托將模板固定到規定地點→拉結、緊固地腳螺栓與主背楞。

5 結語

綜上所述，明挖拱形隧道現澆混凝土鋼木組合桁架支撐體系結構簡單、拆裝方便、便于存儲和運輸，用能很好地加快施工速度，縮短施工工期，本文以具體工程為實例，詳細探討了明挖隧道拱形現澆結構模架支撐體系設計方法，以提高隧洞工程施工質量，保障隧道的安全性和耐久性。