城市道路地下結(jié)構(gòu)清水混凝土模板施工技術(shù)

秦 凱

(無(wú)錫市公共工程建設(shè)中心，江蘇無(wú)錫 214135)

0 引言

清水混凝土施工技術(shù)在地下工程領(lǐng)域已應(yīng)用多年，由于其施工工藝要求較高，在施工中遇到了許多困難和問(wèn)題，其中不乏有失敗的教訓(xùn)。其主要原因是模板的應(yīng)用不成功，從而達(dá)不到清水混凝土的要求，一方面影響施工進(jìn)度，另一方面造成經(jīng)濟(jì)損失其至不好的社會(huì)影響。

在國(guó)內(nèi)清水混凝土工程相關(guān)文獻(xiàn)中，大都對(duì)混凝土外觀質(zhì)量要求或安裝技術(shù)作了一些研究。文獻(xiàn)［1］闡述了圓形柱混凝土的清水模板施工技術(shù)特點(diǎn);文獻(xiàn)［2］針對(duì)大型剪力墻結(jié)構(gòu)采用新型清水模板與倒模法，對(duì)聯(lián)合工藝的施工操作要點(diǎn)及設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析;文獻(xiàn)［3］針對(duì)昆明新機(jī)場(chǎng)航站樓某超長(zhǎng)、超高清水混凝土墻，解決了水平施工縫上部澆筑時(shí)的脹模和漏漿等問(wèn)題;文獻(xiàn)［4］針對(duì)清水混凝土的安裝技術(shù)和控制作了詳細(xì)介紹。其中:文獻(xiàn)［1-3］主要針對(duì)混凝土的外觀質(zhì)量控制要求而采取的具體技術(shù)方案;文獻(xiàn)［3］只介紹了其中的模板安裝技術(shù)和精度控制;文獻(xiàn)［4］只適合小型構(gòu)件的混凝土結(jié)構(gòu)。本文依托太湖大道節(jié)點(diǎn)改造工程，具體闡述地下結(jié)構(gòu)中墻體大鋼模板的施工，此地下結(jié)構(gòu)側(cè)墻和中隔墻設(shè)計(jì)要求為飾面清水混凝土，中隔墻及側(cè)墻全部采用“定型大鋼模板+側(cè)模支架+鋼管支撐”。飾面清水混凝土工程總體質(zhì)量較好，達(dá)到了設(shè)計(jì)的預(yù)期效果。

1 工程概況

1．1 工程簡(jiǎn)介

無(wú)錫太湖大道節(jié)點(diǎn)改造工程SD3標(biāo)段工程，位于無(wú)錫市濱湖區(qū)，依次下穿興源路、京滬鐵路、興源二路、冷瀆港、長(zhǎng)江北路和廣南立交西側(cè)匝道，是快速溝通無(wú)錫市東西片區(qū)的一條重要主干道。主線暗埋段里程為K3+578～K4+620，長(zhǎng)1 042 m，4車(chē)道寬19．6 m，6車(chē)道寬27．4 m，最大開(kāi)挖深度為13．52 m。東側(cè)過(guò)渡段里程為 K4+620～ +640，長(zhǎng)20m，寬27．4m，最大開(kāi)挖深度為6．19 m。東側(cè)敞開(kāi)段里程為K4+640～+735，長(zhǎng)95 m，寬27．4 m，最大開(kāi)挖深度為5．32 m。主線隧道采用明挖順作法施工。

主體結(jié)構(gòu)中，標(biāo)準(zhǔn)4車(chē)道底板厚850 mm，中隔墻厚700 mm，頂板厚500 mm，側(cè)墻厚850 mm;標(biāo)準(zhǔn)6車(chē)道底板厚1 000mm，中隔墻厚700mm，頂板厚600mm，側(cè)墻厚1 000 mm;結(jié)構(gòu)凈高均為5 200 mm。

本工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用SMW工法樁作為支護(hù)體系，隧道主體為單層箱體雙孔頂板雙折孔形式，敞開(kāi)段為U型結(jié)構(gòu)。按照設(shè)計(jì)要求，隧道結(jié)構(gòu)為飾面清水混凝土。6車(chē)道暗埋段隧道1/2斷面見(jiàn)圖1。

圖16車(chē)道暗埋段隧道1/2斷面(單位:mm)Fig．1 Cross-section of 6-lane tunnel(mm)

1．2 本工程清水混凝土施工特點(diǎn)

1)本工程為城市景觀主干道地下工程，結(jié)構(gòu)混凝土成型后的表面要達(dá)到一定的飾面效果，而且該地下工程為公共設(shè)施，應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)文件中的混凝土外觀表面要求。

2)側(cè)墻(中隔墻)的防撞墻與墻體同時(shí)進(jìn)行澆筑，需采用定型大鋼模板施工，其中防撞墻折角多，無(wú)論是模板加工精度還是混凝土澆筑搗固要求都很高，是結(jié)構(gòu)外觀面能否一次成型的關(guān)鍵所在。

2 清水混凝土施工工藝

清水混凝土施工工藝主要包括施工前準(zhǔn)備、鋼筋施工、模板施工、混凝土施工、混凝土表面處理及成品保護(hù)等，其中最為關(guān)鍵的是模板和混凝土施工［5］。本工程頂板施工時(shí)采用2 440 mm×1 220 mm×18 mm竹膠板，側(cè)墻及中隔墻采用2 000 mm×4 227 mm組合式定型鋼模板，底板、側(cè)墻/中隔墻、頂板分3次進(jìn)行澆筑。清水混凝土施工工藝流程［6］見(jiàn)圖2。

圖2 清水混凝土施工工藝Fig．2 Construction flowchart of fair-faced concrete

3 清水混凝土模板技術(shù)控制

3．1 模板選型

模板設(shè)計(jì)及選型除了具備足夠的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性［7］外，還須考慮到以下因素:

1)模板分塊設(shè)計(jì)需滿足清水混凝土飾面效果要求;

2)單塊模板的面板分割應(yīng)與蟬縫、明縫等清水混凝土飾面效果一致;

3)所選擇模板體系應(yīng)技術(shù)先進(jìn)，構(gòu)造簡(jiǎn)單，支拆方便，經(jīng)濟(jì)適用合理。

綜合以上原則和因素，本工程側(cè)墻及中隔墻、防撞石部分采用外型尺寸為2 000mm×4 227mm，面板厚5 mm的固定定型鋼模板。底板及頂板采用2 440 mm×1 220 mm×18 mm的竹膠板模板。主楞采用100 mm×100 mm方木，次楞采用50 mm×100 mm方木，主楞由頂托支撐固定于滿堂支架上。

3．2 模板設(shè)計(jì)

太湖大道主體結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆鋼筋混凝土施工的單層雙跨(局部為雙層雙跨)結(jié)構(gòu)。按“水平分段、逐層由下往上平行順筑”進(jìn)行施工。結(jié)構(gòu)分段長(zhǎng)度控制在30 m左右，自下而上分3個(gè)層次澆筑(即底板、側(cè)墻(中隔墻)、頂板)，除側(cè)墻(中隔墻)采用鋼模板外，底板及頂板均采用普通竹膠板。

根據(jù)本工程主體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)分段的原則，主體結(jié)構(gòu)分為3個(gè)作業(yè)區(qū)共35個(gè)結(jié)構(gòu)段，按單個(gè)結(jié)構(gòu)段長(zhǎng)度為30 m計(jì)算，則每個(gè)結(jié)構(gòu)段施工需要60塊鋼模板。為保證工期的順利進(jìn)行，共加工制作了5個(gè)工作面即300塊鋼模板。單塊模板采用2000mm×4227 mm的組合式定型鋼模板，面板厚度為5 mm，防撞墻以上部位采用厚6．3 mm槽鋼，以下采用厚8 mm槽鋼，側(cè)模支架內(nèi)側(cè)采用雙拼厚8 mm槽鋼，間距為1 m，腹桿及外側(cè)弦桿采用75mm×50mm×5mm角鋼的斜撐與豎撐體系，模板外側(cè)采用直徑121 mm×5 mm無(wú)縫鋼管作為支撐，在其兩端設(shè)置調(diào)節(jié)絲桿用于精確模板定位，地腳抗浮錨桿采用φ22mm螺紋鋼，單塊模板質(zhì)量約1．2t。3．2．1 大鋼模板計(jì)算

荷載的組成主要有:混凝土恒載G1=γh=26×h=26 ×4．227=109．9kN/m2，模板和支架 G2=1．5 kN/m2，施工荷載G3=2．5kN/m2，混凝土沖擊及振動(dòng)荷載G4=2．5 kN/m2，混凝土側(cè)壓力荷載 G5=5 kN/m2。

3．2．1．1 計(jì)算模型

采用Sap有限元軟件進(jìn)行計(jì)算，按照單側(cè)向側(cè)墻模板支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖，建立如圖3所示分析模型。

圖3 單側(cè)向模板支撐系統(tǒng)計(jì)算模型(單位:mm)Fig．3 Calculation model of supporting system of one-side formwork(mm)

3．2．1．2 支架位移

計(jì)算得到如圖4所示位移，最大位移為0．001 3 mm，符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

圖4 支架位移計(jì)算圖(單位:mm)Fig．4 Calculation of displacement of support(mm)

3．2．1．3 支架應(yīng)力

計(jì)算得到如圖5所示軸力，最大軸力為16．49 kN。按照75 mm×50 mm×5 mm角鋼計(jì)算得到最大應(yīng)力為12．65 MPa，小于容許應(yīng)力(215 MPa)。

圖5 支架軸力計(jì)算圖(單位:kN)Fig．5 Calculation of axial force of support(kN)

3．2．2 頂板模板計(jì)算

本工程設(shè)計(jì)頂板厚600 mm，模板支架搭設(shè)高度為5 m，方木主楞截面尺寸為100 mm×100 mm，次楞截面尺寸為50 mm×100 mm，間距為300 mm。支撐系統(tǒng)采用的鋼管類(lèi)型為直徑48 mm×3．5 mm，立桿縱向間距為900 mm，橫向間距為600 mm，步距高1 200 mm。模板面板按照三跨連續(xù)梁計(jì)算。

面板為受彎結(jié)構(gòu)，只需要驗(yàn)算其抗彎強(qiáng)度和剛度。依據(jù) JGJ 162—2008《建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范》［8］，具體驗(yàn)算過(guò)程如下。

3．2．2．1 荷載計(jì)算

1)計(jì)算時(shí)兩端按簡(jiǎn)支板考慮，計(jì)算長(zhǎng)度τ取2．44 m(模板長(zhǎng)度)。

2)荷載計(jì)算取均布荷載或集中荷載2種作用效應(yīng)考慮，計(jì)算結(jié)果取其較大值［8］。各計(jì)算參數(shù)為:膠合板自重標(biāo)準(zhǔn)值300 N/m2;600 mm厚新澆混凝土板自重標(biāo)準(zhǔn)值24 000×0．60=14 400 N/m2;鋼筋自重標(biāo)準(zhǔn)值1 100×0．600=660 N/m2;施工活荷載標(biāo)準(zhǔn)值按2 500N/m2或跨中集中荷載2 500N 2種情況分別考慮。

則均布線荷載設(shè)計(jì)值(取值系數(shù)和分項(xiàng)系數(shù)，查規(guī)范［8］可得)q1=0．9 ×［1．2 ×(300+14 400+660)+1．4 ×2 500］×0．3=5 921 N/m 或 q1=0．9 ×［1．35 ×(300+14 400+660)+1．4 ×0．7 ×2 500］×0．3=6 260 N/m。

經(jīng)比較，應(yīng)取q1=6 260 N/m作為設(shè)計(jì)依據(jù)。

模板自重線荷載設(shè)計(jì)值 q2=0．9×0．3×2．44×300=198 N/m。

跨中集中荷載設(shè)計(jì)值p=0．9×1．4×2500=3150N。

3．2．2．2 強(qiáng)度驗(yàn)算

施工荷載為均布線荷載時(shí):M1=0．100q1τ2/8=0．100 ×6 260 ×2．442/8=465．87 N·m(KM=0．100，查表［8］可得)。

施工荷載為集中荷載時(shí):M2=0．100×(q2τ2/8+pτ/4)=0．100 × (198 ×2．442/8+3 150 × 2．44/4)=206．89 N·m。

由于M1＞M2，故應(yīng)采用M1驗(yàn)算強(qiáng)度。

因面板為18 mm厚竹膠板，鋼管架立桿橫向間距寬為600 mm，則凈截面抵抗矩W=bh2/6=600．00×182/6=32 400 mm3。

則 α =M1/W=465 870/32 400=14．37 N/mm2＜f=35 N/mm2(f為竹膠板抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，查表［8］可得)，故強(qiáng)度滿足要求。

3．2．2．3 撓度驗(yàn)算

撓度驗(yàn)算不考慮可變荷載值，僅考慮永久荷載值，其作用效應(yīng)的線荷載設(shè)計(jì)值q=0．3×(300+14 400+660)=4 608 N/m=4．608 N/mm。

模板截面慣性矩I=bh3/12=600．0×183/12=291 600 mm4。

則實(shí)際撓度 V=5qL4/384EI=5×4．608×3004/(384×9 898×291 600)=0．168 mm(竹膠板彈性模量均值E為9 898;L為面板跨度，即方木間距300 mm)。

根據(jù)規(guī)范要求，模板最大容許值［V］=b/250=600/250=2．4 mm(b為模板的計(jì)算跨度，即立桿間距600 mm)。

由于V＜［V］，故撓度滿足要求。

3．3 模板安裝

3．3．1 底板模板安裝

本工程沒(méi)有設(shè)置縱梁，按照施工方案，澆筑底板混凝土?xí)r，標(biāo)高位置只到底板頂面，只需要安設(shè)擋頭模;擋頭模采用木模板，背后支2排100mm×100mm的方木，再采用直徑48 mm×3．5 mm雙拼鋼管聯(lián)緊。

3．3．2 頂板模板安裝

頂板腋角下10 cm的側(cè)墻與頂(中板)采用整體一次性澆筑，用直徑48mm×3．5mm碗扣式滿堂支架，配合直徑48 mm×3．5 mm鋼管、扣件和頂托組成支撐系統(tǒng)。模板采用2 440mm×1 220mm×18mm的竹膠板，主楞采用100 mm×100 mm方木，次楞采用50 mm×100 mm方木，主楞由頂托支撐固定于滿堂支架上。考慮到結(jié)構(gòu)頂板的跨度較大，在跨中位置按1‰預(yù)留一定的拱度。

頂板折板壓模采用2 440mm×1 220mm×18mm的竹膠板模板反壓在折板面層鋼筋上(模板與鋼筋之間設(shè)置混凝土墊塊)，模板背面采用50 mm×100 mm方木(間距300mm)進(jìn)行固定(縱方向)，反壓模板通過(guò)拉桿與頂板模板進(jìn)行固定。頂板模板上部壓模如圖6所示。

圖6 頂板模板上部壓模示意圖Fig．6 Membrane on top formwork

3．3．3 側(cè)墻及中隔墻模板安裝

側(cè)墻及中隔墻一次澆筑到位，模板采用2 000 mm×4 227 mm的組合式定型鋼模板，面板厚5 mm，自身采用75 mm×50 mm×5 mm角鋼的斜撐和豎撐體系，模板外側(cè)采用直徑121 mm×5 mm無(wú)縫鋼管作為支撐(見(jiàn)圖7和圖8)。

圖7 1/2側(cè)墻及中隔墻模板側(cè)面圖(單位:mm)Fig．7 Side view of formwork of side wall and central wall(mm)

圖8 鋼模板的安裝Fig．8 Ⅰnstallation of steel formwork

3．3．4 側(cè)墻分倉(cāng)堵頭模板安裝

在分倉(cāng)施工時(shí)，側(cè)墻存在堵頭情況。堵頭模板采用50 mm×100 mm方木，后支方木墊塊(每排4塊)，墊塊上下排距為0．6m，墊塊用2根直徑22mm鋼筋橫攔，鋼筋橫攔與側(cè)墻內(nèi)外主筋焊接。側(cè)墻分倉(cāng)堵頭模板設(shè)計(jì)見(jiàn)圖9。

圖9 側(cè)墻分倉(cāng)堵頭模板示意圖(單位:mm)Fig．9 End formworks of chamber of side wall(mm)

3．4 模板拆除

側(cè)模在能保證混凝土表面及棱角不受損壞時(shí)(常溫下混凝土強(qiáng)度大于1 N/mm2)［9］才能拆除。模板拆除的順序和方法，應(yīng)遵循后支先拆、先支后拆、先非承重部位、后承重部位以及自上而下的原則。

3．5 模板質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

模板質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)參考JGJ 169—2009《清水混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》［10］(見(jiàn)表 1)。

表1 模板安裝允許偏差及檢查方法Table 1 Allowed formwork installation errors and inspection methods

頂板底模及其支架拆除，其混凝土的強(qiáng)度參考GB 50204—2002《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》［11］(見(jiàn)表2)。

表2 混凝土強(qiáng)度表Table 2 Strength of concrete

3．6 模板施工控制效果

本工程的模板施工取得了較好的預(yù)期效果，模板垂直度和平整度均控制在3mm之內(nèi)，軸線位移及結(jié)構(gòu)尺寸也在允許偏差范圍內(nèi)?；炷镣庥^質(zhì)量達(dá)到了設(shè)計(jì)的飾面清水混凝土要求。澆筑成型的清水混凝土結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 澆筑成型的清水混凝土圖片F(xiàn)ig．10 Fair-faced concrete

4 結(jié)論與討論

1)模板的選型是工程能否順利實(shí)施的關(guān)鍵，主要需考慮適用性和經(jīng)濟(jì)性。每項(xiàng)工程設(shè)計(jì)方案不同，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇自身合適的模板設(shè)計(jì)方案。另外，還需考慮工程所在地的實(shí)際以及模板的一次性投入問(wèn)題。由于地下工程設(shè)計(jì)和施工的差異性，大鋼模板施工方法有很大差別，在實(shí)際施工時(shí)宜根據(jù)所在地工程特點(diǎn)進(jìn)行選擇。

2)鋼模板的計(jì)算較為關(guān)鍵，既要滿足安全性能的需要，又要考慮材料用量。本工程在實(shí)施過(guò)程中未出現(xiàn)各類(lèi)安全事故，同時(shí)模板材料的使用達(dá)到了效益最大化的目標(biāo)。

3)模板的安裝與控制是清水混凝土能否一次澆筑成型的重要步驟。

4)清水混凝土能否一次澆筑成型，除模板施工外，混凝土的施工技術(shù)與控制也很關(guān)鍵。本文雖未詳細(xì)論述，但在施工過(guò)程中，兩者需有效結(jié)合起來(lái)，才能達(dá)到設(shè)計(jì)的要求和效果。

本工程在施工中也出現(xiàn)了一些問(wèn)題，如鋼模板在施工中發(fā)生了變形，且不容易糾正，施工操作的簡(jiǎn)便性還不夠(需要大型機(jī)械的配合)。這些都有待于在以后的應(yīng)用研究和施工中進(jìn)一步改進(jìn)。

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［2］周景崧．淺談全現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)清水模板工程質(zhì)量技術(shù)［J］．商業(yè)文化:學(xué)術(shù)版，2009(9):324．

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［8］中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部．JGJ 162—2008 建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范［S］．北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008．

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