可拼接桁架式拱形轉換支架在高鐵隧道模架設計中的應用

摘要：高鐵成自線天府機場站（天府機場高鐵）兩端咽喉區間為鋼筋混凝土圓拱直墻式閉合隧道，造型為大跨度大曲率超高超厚拱形；在頂板模架體系設計中，采用以高強碗扣架為支撐體系，結合一種由可調節支撐、SBS雙U型鋼梁組合拼接而成的桁架式轉換支架應用，解決了大斷面超高拱形隧道的模架設計與施工難題，保證了混凝土成型效果。

關鍵詞：成都天府國際機場; 拱形隧道結構; 超厚弧形頂板; 可拼接桁架式轉換支架

中國分類號：U449.5B

［定稿日期］2023-04-10

［作者簡介］李鵬（1975—），男，碩士，高級工程師，研究方向為工程施工技術；郭范（1990—），男，本科，工程師，研究方向為工程施工技術；劉源（1971—），男，碩士，高級工程師，研究方向為臨時支撐結構材料與技術；繆秀華（1981—），男，本科，助理工程師，研究方向為土建工程施工。

0 引言

大斷面拱形結構在隧道工程中應用廣泛，常規斷面尺寸統一、長度較長，常采用定型鋼模臺車。明挖現澆拱形隧道結構通常存在斷面尺寸變化較大、長度較短，采用常規的鋼模臺車較難適應變化尺寸，同時成本較高。明挖現澆拱形隧道結構施工過程中，模板及其支撐系統的合理選型及設計，直接關系到現澆混凝土結構的成敗。本文結合高鐵成自線天府機場站項目，闡述一種可拼接桁架式拱形轉換支架的設計應用。

1 工程概況

高鐵成自線天府機場站土建預留工程（天府機場高鐵站），鋼筋混凝土結構，基礎埋深25.05 m，全長1 613 m，由隧道段（DK59+027.000～DK59+152.200/DK60+542.230～DK60+640.000）、咽喉區間段（DK59+152.200～DK59+577.800/DK60+095.000～DK60+542.230）、車站段（DK59+577.800～DK60+095.000）組合而成，見圖1；其中大、小里程咽喉區間在保證其內部高鐵通過性等功能需求的同時，又需要給上部共建的航站樓、高架橋、綜合管廊等建構筑物提供較大荷載的承載能力，其結構設計成大曲率、大跨度、大板厚的超高拱型結構；且結構設計拱高及其拱徑隨里程變化，弧形拱半徑為3.03～7.73 m不等，拱高3.25～4 m，板厚3.0 m、2.5 m，結構凈高12.25 m，見圖2；該明挖拱形隧道拱頂結構模板支撐架設計與施工難度大。

2 模架體系選型與設計

2.1 模架體系比選

根據本工程鋼筋混凝土圓拱直墻式閉合隧道的拱高、拱徑以及板厚等特點，結合大、小里程結構橫斷面、豎向曲線、施工荷載等因素，模架支撐體系擬選用DURALOK高強碗扣架；上部拱圈的實現則有2種可供選擇的設計方案見表1，方案一采用DURALOK高強碗扣架+定制工字鋼+方木+覆膜多層板；方案二采用DURALOK高強碗扣架+可拼接桁架式拱形轉換支架+（SBS雙U型鋼梁）+方木+覆膜多層板。2個方案的比選分析見表2。

經對比分析，綜合考慮方案適用性、經濟型、安全性及技術先進性等因素，拱形隧道頂板模架采用DURALOK高強碗扣架＋可拼接桁架式拱形轉換支架組成的模板支撐體系為最優方案。

2.2 模架體系特點分析

DURALOK高強碗扣架+可拼接桁架式拱形轉換支架體系及其組成桿件具有的特點優點：

（1）DURALOK高強碗扣架體。DURALOK高強碗扣架體具有高承載力的特點，其單肢立桿極限承載力約為120 kN；連接節點采用鍛造工藝制成，節點轉動剛度均大于100 kN·m/rad；結合專用碗扣豎向斜桿及帶碗天托的使用，極大地提高了架體的整體穩定性和安全承載力。

（2）SBS雙U型鋼梁。SBS雙U型鋼梁材質為Q355B，輕質高強，鋼梁上全長設置固定螺栓孔，可根據結構外形拼接接長，鋼梁通過螺栓連接接長，可提前預拼吊裝，靈活多變，方便快捷，配套性強，見圖3。

SBS雙U型鋼梁采用冷彎工藝成型，壁薄，形態似靠背雙“C”，擁有良好的受力性能，彈性模量達2.1×105 N/mm2，慣性矩達5.0×106 mm4，受力性能完勝同級別工字鋼。SBS雙U型鋼梁本身設計了密集的X型特殊凹凸式花紋和螺栓孔，能夠使其自重減小的同時，實現更多的連接可能性，更提供了額外的剛度，無需借助特殊機具，人工即可隨意安裝。

（3）可調斜桿。可調斜桿是個可伸縮調節的斜桿，承載力高，調節范圍大，穩定性好。可調節絲桿可利用調整插在內管中銷子的位置和2個螺母鎖緊銷子在最小和最大尺寸間得到需要的各種長度。在使用過程中可用錘敲擊兩頭的銷子把斜桿鎖緊在水平橫桿上，也可以根據實際尺寸獨立使用內管和外管。

鐵路與公路李鵬， 郭范， 劉源， 等： 可拼接桁架式拱形轉換支架在高鐵隧道模架設計中的應用

（4）可拼接桁架式拱形轉換支架。可拼接桁架式拱形轉換支架是由下弦桿、腹桿、上弦桿組合而成桁架式受力構件，上、下弦桿由不同長度型號的SBS雙U型鋼梁通過高強螺栓連接，腹桿采用可調斜撐桿件，見圖5。

不同長度模數的SBS雙U型鋼梁與可調節斜撐使用螺栓組合連接后更加靈活多變，經過可調節斜撐桿件的角度與高度的調節，能夠實現以直代曲，滿足不同弧度的拱形結構。

可拼接桁架式轉換支架桿件傳力清晰，且其配套性強，可散拼，可整裝；小面積施工時，可直接在作業面上部進行安裝就位；大面積施工時，可提前在周邊場地預拼完成后通過吊裝工具安裝就位，特點明顯。

2.3 拱形隧道頂板模架的設計

大、小里程咽喉段頂板模架選用DURALOK高強碗扣腳手架支撐系統；架體立桿縱橫向間距600 mm×900 mm，步距為1000 mm，豎向斜桿每隔3跨設置一道；水平剪刀撐設置上、中、下三道；主梁為SBS雙U型鋼梁；次龍骨采用100 mm×50 mm×3 mm矩形鋼管、100 mm×100 mm方木結合使用，間距200 mm；面板采用18 mm厚多層板，見圖6［1］。

為保證高拱結構架體自身平衡，在拱形根部向上開始采用可調節斜支撐及SBS雙U型鋼梁組合成可拼接桁架式拱形轉換支架，轉換支架縱向間距同縱向立桿間距。

3 可拼接桁架式拱形轉換支架受力性能分析

可拼接桁架式拱形轉換支架桁架是由一些用直桿組成的三角形框構成的幾何形狀不變的結構物，受力均以單向拉、壓為主，通過對上下弦和腹桿的合理布置，可適應結構內部的受力分布。其水平方向的拉、壓內力實現了自身平衡，傳力體系簡單清晰。設計時應考慮該體系具有足夠強度、剛度及穩定性。

施工過程中拱頂傳力、轉換支架及其支撐體系所受荷載變化比較復雜，為準確模擬拱頂施工過程中邊界、荷載的情況，采用SAP2000軟件，建立整體有限元分析模型對結構穩定性進行模擬分析，見圖8、圖9。

通過對豎向荷載和水平荷載模擬施加，經空間有限元分析，最大變形：X方向0.547 mm，Y方向0.533 mm，Z向1.089 mm；兩側最大軸力74 kN，中部位置最大軸力為56.343 kN，斜支撐桿的最大軸力為34.927 kN，可滿足設計要求。

4 預壓堆載及實施過程監測

4.1 預壓堆載試驗

為了有效確保高拱結構頂板澆筑混凝土過程的安全性，在施工之前，需進行安全驗證，選取具有典型代表部位的模架在原位進行堆載試驗，試驗采用逐級加載方式，逐步增加試驗荷載，并采用電子設備動態觀測其變形和關鍵受力桿件的應力和應變情況，將理論值進行比較和分析，驗證有限元建模分析計算的準確性和可靠性。

4.2 實施過程監測

實施過程中，采用萬能數據采集系統以監測澆筑荷載作用下支架的變形、各階段的應力、澆筑過程中可能出現的非正常情況下的預警以及提供支架系統的變形歷程和應力歷程。監測點位分別布置在模架體系具有代表部位的轉換支架上下弦桿、腹桿以及支撐體系立桿上部-500 mm處、立桿中部、立桿底部+500 mm處。

4.3 監測結果分析

預壓堆載試驗及實施過程監測實時數據結果均顯示，在整個堆載試驗或實際澆筑過程中，未發現過大的變形、桿件失穩和應力過大的情況，桿件處于彈性狀態，支架具有足夠的強度和剛度，均能夠滿足有限元建模分析的計算結果。另外，實施監測與預壓試驗的數據相比較，混凝土實際澆筑中監測得到的應力和撓度數據均小于預壓試驗結果［1］。

監測結果也表明，DURALOK高強碗扣架＋可拼接桁架式拱形轉換支架組合支撐體系具有良好的強度和穩定性。

5 實施效果

高鐵成自線天府機場站咽喉段鋼筋混凝土圓拱直墻式閉合隧道結構拱徑高、曲率大、頂板厚，選用DURALOK高強碗扣腳手架支撐系統，并結合可拼接桁架式轉換支架設計應用，較好解決了超厚超高拱形隧道頂板模架設計難題。隧道結構順利施工完成，混凝土成型質量好，施工過程安全受控；模架設計經濟合理，經過實際應用驗證，取得了較好的效果，見圖10。

本工程高鐵拱形隧道的拱頂超厚、拱徑超大模架體系用料簡單、易就地取材、設計新穎大膽、經濟適用、安全可靠、具有較高的可操作性，可大力推廣，為類似工程提拱了借鑒經驗。

參考文獻

［1］ 盧喜成，毛杰，于越，等.大曲率高拱結構超厚頂板模架設計及應用［J］.建筑技術開發，2022-01-15.