港珠澳大橋預(yù)制墩臺模板施工技術(shù)

黃金保，王海波

（中交一航局第五工程有限公司，河北 秦皇島 066000）

1 工程概況

港珠澳大橋CB03標(biāo)段墩臺采用工廠預(yù)制和海上拼裝工藝，預(yù)制墩臺由六邊形承臺（設(shè)6個后澆孔）及薄壁空心墩身組成，墩臺總計(jì)包括整體式44座和分節(jié)式28座[1]。采用大型裝配式鋼模板直立分段預(yù)制，預(yù)制構(gòu)件分類見圖1。

圖1 預(yù)制構(gòu)件分類Fig.1 Classification of precast piers

2 墩臺結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1）裝配式墩臺高度高，預(yù)制垂度要求高，需滿足H/3 000[2]要求，通過機(jī)加工等現(xiàn)代化處理手段來加工高精度模板，從而保證垂度精度要求。

2）預(yù)制斷面尺寸大，最大墩身斷面長度達(dá)15 m，不允許設(shè)穿墻對拉桿[2]，通過設(shè)計(jì)以空間桁架為主要受力體系的大跨度、大剛度模板來控制墩臺漲模、錯臺及美觀等問題。

3）預(yù)制構(gòu)件類型多，含整體式、兩節(jié)式及三節(jié)式，設(shè)計(jì)要求混凝土接茬齡期差間隔時(shí)間短，依據(jù)類型特點(diǎn)須配備具有通用性和裝配式功能的模板[3]。

4）在保證質(zhì)量前提下，模板設(shè)計(jì)充分考慮通用性功能，既滿足設(shè)計(jì)要求的縮短墩身接茬齡期差問題，又有利于降低施工成本。

3 墩臺模板設(shè)計(jì)

預(yù)制墩臺模板除了滿足承載力、剛度和穩(wěn)定性[4]的要求外，還要充分考慮墩臺類型及工藝特點(diǎn)，必須具備高精度和大剛度要求，實(shí)現(xiàn)裝配式和通用性功能。

3.1 模板高精度控制

預(yù)制墩臺高度高，最高達(dá)49.89 m，需分節(jié)預(yù)制，單節(jié)最高達(dá)21.787 m。為滿足工藝要求，模板采用現(xiàn)代設(shè)備進(jìn)行機(jī)加工處理，通過栓接定位工藝和豎向精調(diào)支架等設(shè)計(jì)理念來保證模板精度。

1）機(jī)加工處理手段

通過普通剪板機(jī)切割后的板面邊緣會出現(xiàn)不平、不齊現(xiàn)象，影響板面拼縫質(zhì)量，本項(xiàng)目利用大型銑邊機(jī)器對板面邊緣進(jìn)行銑邊處理[5]，再通過機(jī)制螺栓將板面連接牢固，通過銑邊工藝處理過的板面，能夠充分保證拼縫嚴(yán)密和尺寸方正。

上下節(jié)墩身之間設(shè)計(jì)了水平干接縫，為了保證干接縫高精度對接，干接縫模具采用先進(jìn)銑床設(shè)備進(jìn)行全斷面銑面處理[5]，處理范圍滿足最大墩身斷面尺寸要求，銑面范圍：長度達(dá)15 m，寬度5.5 m。見圖2。

圖2 干接縫模具Fig.2 The mould for dry joint

通過機(jī)加工處理的干接縫模具在國內(nèi)類似工程中首次使用，機(jī)加工干接縫模具申請了兩項(xiàng)名為“一種混凝土構(gòu)件高精度承重底胎”和“預(yù)制混凝土構(gòu)件的豎向匹配模具”的國家實(shí)用新型專利。

2）模板定位組裝工藝

模板板面組拼除了利用普通機(jī)制螺栓連接外，還增設(shè)了定位銷定位連接[6]，能夠真正滿足模板組拼無錯臺且拼縫嚴(yán)密。模板板面與桁架連接采用螺栓連接且施加間斷焊接，確保模板整個體系牢固穩(wěn)定。

3）安裝豎向精調(diào)支架控制垂度

墩身模板底部設(shè)計(jì)帶螺旋桿豎向精調(diào)鋼支架，通過調(diào)整豎向螺旋絲桿高度實(shí)現(xiàn)支架頂面調(diào)平，進(jìn)行調(diào)平后安裝各節(jié)墩身模板，模板安裝時(shí)采用全站儀全方位高精度測量控制，豎向垂直度偏差控制在5 mm之內(nèi)，滿足預(yù)制墩身豎向垂直度H/3 000要求。

墩身模板底部安裝鋼支架作為豎向支撐體系，支架上安裝24組豎向可調(diào)螺旋支墩，通過測量調(diào)整高差，保證各節(jié)墩身模板安裝垂度和穩(wěn)定性。由于墩身大面跨度大，模板不允許埋設(shè)對拉桿及大頭螺母等施工預(yù)埋件，為有效控制“漲?！眴栴}，專門設(shè)計(jì)了一套加固梁，安裝在鋼支架上，作為橫向支撐體系。豎向精調(diào)支架及加固梁，見圖3。

圖3 模板鋼支架Fig.3 The steel support for formworks

3.2 模板裝配式設(shè)計(jì)

大型裝配式模板吊裝作業(yè)主要依靠吊車配合實(shí)施，預(yù)制場內(nèi)配備2臺100 t龍門吊，要求單片（節(jié)）模板重量不可超過100 t。為滿足施工要求，模板分片設(shè)計(jì)，現(xiàn)場裝配再安裝。模板分為外側(cè)模板和內(nèi)芯模板，安裝方式因結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不同而不同，模板采用整體安裝工法，通過整體吊裝、套裝工藝實(shí)施，既提高了工效又節(jié)約了成本。

1）預(yù)拼安裝工藝

墩臺的后澆孔圓模、墩身芯模和墩帽芯模3部分，均采用場外預(yù)拼裝成型后整體吊裝工藝。減少占用預(yù)制臺座時(shí)間，縮短混凝土齡期差，提高工效，實(shí)現(xiàn)了裝配化施工。

后澆孔圓模及墩身芯模的設(shè)計(jì)理念為利用吊車起吊力實(shí)現(xiàn)模板向內(nèi)自動收縮變小而自動脫模，通過采用自動收支系統(tǒng)的模板，實(shí)現(xiàn)快速脫模，節(jié)省了人力。創(chuàng)新工藝申報(bào)了多項(xiàng)國家實(shí)用新型專利：一種鋼木結(jié)合甩筋內(nèi)模、一種混凝土施工用快速收支內(nèi)模、一種橋墩墩身的快速收支內(nèi)模模具。見圖4。

圖4 后澆孔快速收支模板Fig.4 The fast assembly and disassembly formwork for post-cast hole

2）分節(jié)套裝工法

墩身外模安裝采用了分節(jié)套裝工法，充分體現(xiàn)裝配化理念。由于墩身高度較高，采用分節(jié)套裝的工法區(qū)別于傳統(tǒng)模板分片安裝，有效保證模板安裝精度的同時(shí)，大大縮短了安裝時(shí)間，提高了工效。見圖5。

墩身各節(jié)模板均在模板儲存場地預(yù)拼裝，不屬高空作業(yè)，操作便利，提高工效，保證拼裝質(zhì)量，分節(jié)套裝時(shí)將模板微調(diào)即可，有效地保證了預(yù)制墩臺的H/3 000垂直度要求。同樣，模板套裝工藝也申報(bào)了國家實(shí)用新型專利：一種分層套裝大型鋼模板。

圖5 墩身模板分節(jié)套裝Fig.5 Segmental assembling of pier shaft formwork

3）承插式組裝護(hù)欄

模板頂口安裝走臺板，外圍安裝承插式護(hù)欄，護(hù)欄由套管、帶托板的立桿及橫桿組成。承插式護(hù)欄可周轉(zhuǎn)應(yīng)用在不同高度墩身頂口，作為安全防護(hù)措施。

3.3 模板大剛度設(shè)計(jì)

預(yù)制墩臺斷面尺寸大，尤其大面跨度大，分為10 m、11 m、12 m和15 m四種長度規(guī)格，模板高度高，單節(jié)模板最高達(dá)21.787 m。為滿足墩臺耐久性要求，不允許采用穿墻對拉桿工藝。針對此類預(yù)制墩臺，只有通過加大模板剛度來滿足墩臺結(jié)構(gòu)尺寸允許偏差要求。

1）桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

模板設(shè)計(jì)方案經(jīng)過研究討論，主要支撐體系的桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有如下3種方案可供選擇：

第1種：魚腹式桁架結(jié)構(gòu)，優(yōu)點(diǎn)為按線性分析，受力結(jié)構(gòu)合理，可節(jié)約部分材料；

第2種：圓弧形桁架結(jié)構(gòu)，優(yōu)點(diǎn)為通過圓弧傳力，結(jié)構(gòu)合理，缺點(diǎn)為占用儲存場地面積大；

第3種：矩形寬桁架，突出優(yōu)點(diǎn)為通過加長桁架可解決不同型號墩身模板通用性問題。

3種設(shè)計(jì)方案的桁架結(jié)構(gòu)示意，見圖6。

模板設(shè)計(jì)通過結(jié)構(gòu)分析及受力計(jì)算[4]，考慮了通用性及其它因素影響，最終選定矩形寬桁架結(jié)構(gòu)。依據(jù)大面跨度不同，經(jīng)過詳細(xì)的受力計(jì)算，確定桁架寬度范圍為2.5～3.5 m。大剛度桁架結(jié)構(gòu)的模板給拼裝及支拆作業(yè)帶來一定施工難度，只有保證板面、桁架等半成品加工質(zhì)量及精度，才能使得模板拼裝質(zhì)量可控。

圖6 桁架結(jié)構(gòu)Fig.6 Truss structure

2）桁架布置及抱角連接

模板的桁架標(biāo)準(zhǔn)間距1.5 m，上下段混凝土接茬處桁架需要增加剛度或加密的方式來保證新老混凝土接茬平順。墩臺承臺、墩身模板和整體式墩帽模板均以橫向桁架為主；分節(jié)式墩帽模板以豎向桁架為主，橫向桁架為輔[6]。

3.4 模板通用性設(shè)計(jì)

三節(jié)式墩臺分5大類12種型號，墩臺類型多，模板投入必然隨之增多。

三節(jié)式墩臺類型見表1。

表1 三節(jié)式墩臺類型統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table of three-segment pier type

從表1中可見，至少需要配置4套模板，必將造成浪費(fèi)。針對三節(jié)式各型號墩臺仔細(xì)分析，決定突破傳統(tǒng)的模板設(shè)計(jì)理念，嘗試設(shè)計(jì)為桁架通用板面更換結(jié)構(gòu)的拼裝式鋼模板，實(shí)現(xiàn)模板通用，最終配置3套模板及調(diào)整節(jié)模板，減少模板投入，節(jié)約成本。

通用設(shè)計(jì)思路如下：

1）墩身模板通用性設(shè)計(jì)

墩身模板按最長跨15 m（青州橋墩臺）設(shè)計(jì)1套通用桁架，分別在15 m、12 m和11 m處設(shè)置抱角拉桿孔、板面定位孔等構(gòu)造；板面由數(shù)塊單板組拼而成，其中，中間8 m直段和兩側(cè)1.5 m斜段為通用板面，通過增減兩側(cè)1.5 m、0.5 m直段板面及移動兩側(cè)1.5 m斜段板面實(shí)現(xiàn)各型號模板改制。

墩身模板改制示意圖見圖7。

圖7 墩身模板改制Fig.7 The modification for pier shaft formwork

2）墩帽模板通用性設(shè)計(jì)

墩帽模板按16號帽梁長度24.5 m和青州墩臺帽高度10.5 m結(jié)合設(shè)計(jì)1套通用桁架，采用豎向?yàn)橹鳈M向?yàn)檩o的空間受力桁架結(jié)構(gòu)[6]；部分板面加工成標(biāo)準(zhǔn)通用板面，其它異形和圓弧角板面單獨(dú)加工。板面和桁架之間通過增減支墊架及勾頭螺栓連接成整體。

墩帽模板改制示意圖見圖8。

圖8 墩帽模板改制Fig.8 The modification for pier cap formwork

3）同步抬吊工藝設(shè)計(jì)

墩帽模板按最長、最高墩臺尺寸考慮通用性問題，單片重量達(dá)90 t，接近單臺100 t龍門吊起重能力，因此，模板通過焊接加強(qiáng)型吊點(diǎn)[7]，采用2臺100 t龍門吊同步抬吊安裝工藝。見圖9。

圖9 16號最大帽梁模板吊裝Fig.9 Hoisting of No.16 largest cap beam formwork

4 模板改進(jìn)

模板投入使用時(shí)間將近2 a，總體使用效果良好，但仍存在不足之處，使用過程中不斷改進(jìn)，從而進(jìn)一步提高了墩臺預(yù)制觀感質(zhì)量。

1）模板圓弧角改進(jìn)

墩臺四角立縫處設(shè)置圓弧角，模板對應(yīng)圓弧角設(shè)計(jì)充分考慮模板支拆方便，前期加工的模板圓弧角設(shè)置在大面模板上，后期將圓弧角設(shè)計(jì)在小面模板上，徹底解決了拆模缺邊掉角的問題。

2）抱角螺栓創(chuàng)新

模板抱角處采用雙拉桿連接加固，經(jīng)過受力計(jì)算，拉桿直徑取值范圍為50～60 mm，依靠大直徑拉桿來抵抗混凝土澆筑側(cè)壓力。前期整體式模板抱角處采用雙拉桿工藝，后期施工時(shí)將三節(jié)式模板改為拉頂桿結(jié)合工藝，拆模工效得到明顯的提高[8]。

3）其它工藝優(yōu)化

除了以上工藝優(yōu)化外，如板面定位銷優(yōu)化、法蘭螺栓連接孔創(chuàng)新、抱角拉桿螺紋設(shè)計(jì)等，在施工中均起到了良好的效果。

5 結(jié)語

依托港珠澳大橋CB03標(biāo)段預(yù)制墩臺工程，模板設(shè)計(jì)及應(yīng)用充分展現(xiàn)了“大型化、工廠化、標(biāo)準(zhǔn)化和裝配化”的理念，經(jīng)過不斷的設(shè)計(jì)優(yōu)化及工藝創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了模板高精度、裝配化及通用性的要求，體現(xiàn)了模板應(yīng)有的牢固耐用、操作方便及現(xiàn)代化的特點(diǎn)，為今后類似項(xiàng)目提供參考及借鑒。