組合鋼模板全圓斷面隧洞襯砌施工技術(shù)

王立國(guó) 蔣友福 向玉章

(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市水土保持站，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015000;2.貴州省丹寨縣水務(wù)局，貴州 丹寨 557500;3.中能建設(shè)(貴安新區(qū))有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550000)

1 工程概況

西郊砂石坑蓄洪工程是為解決八大處溝流域及北八排溝、瑯黃溝流域27km2的100年一遇洪水不下泄入城，確保中心城的防洪安全修建的水利工程項(xiàng)目，是北京“西蓄、東排、南北分洪”的城市防洪體系中-西蓄防洪中的重要部分，是對(duì)阜石路砂石坑、西黃村砂石坑治理和利用的工程。在永引渠杏石口閘上游右岸新建分洪閘，閘下建分洪暗涵，將洪水一路就近接入西黃村砂石坑，一路沿永引渠南側(cè)、西五環(huán)東側(cè)綠化帶接入阜石路砂石坑。

分洪暗涵采用復(fù)合襯砌，初期支護(hù)為“網(wǎng)噴混凝土+鋼格柵聯(lián)合支護(hù)”，二次襯砌為防水鋼筋混凝土。初期支護(hù)、二襯之間設(shè)置柔性全包防水層。暗涵開(kāi)挖初期支護(hù)外輪廓尺寸為5200mm，凈空尺寸為4600mm，結(jié)構(gòu)厚度為300mm，采用淺埋暗挖正臺(tái)階法施工。暗涵洞身二襯為內(nèi)徑4000mm的現(xiàn)澆鋼筋混凝土圓涵，厚度為300mm。二襯混凝土為C30W6F150自密實(shí)混凝土，采用混凝土泵泵送入倉(cāng)，混凝土泵設(shè)置在暗涵出口位置，由泵管接入澆筑段位置，全圓斷面一次澆筑成型。

2 工藝選擇

2.1 隧道二次襯砌方式的選擇

隧道二次襯砌一般采用針梁式模板臺(tái)車進(jìn)行施工，具有施工速度快、就位準(zhǔn)確方便、臺(tái)車自身剛度大、支撐固定簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。本工程暗涵二襯鋼筋混凝土由于轉(zhuǎn)彎半徑較小處(轉(zhuǎn)彎半徑206.15m、193.85m、156.15m、143.85m)無(wú)法采用模板臺(tái)車進(jìn)行施工，二襯混凝土澆筑須采用組合鋼模板。

2.2 小轉(zhuǎn)彎半徑組合鋼模板施工難點(diǎn)

小轉(zhuǎn)彎半徑組合鋼模板隧道襯砌施工難點(diǎn)主要在于：組合鋼模板制作、安裝須滿足“結(jié)構(gòu)物邊線與設(shè)計(jì)邊線允許偏差10mm”[1]的施工要求；支撐體系不僅要滿足自身剛度要求也需要滿足混凝土澆筑過(guò)程中的抗浮要求。

2.3 模板制作的改進(jìn)

依據(jù)通常的施工工藝方案，北京市南水北調(diào)配套工程南干渠工程(曲線段隧洞轉(zhuǎn)彎半徑均為20m)制作了一套定型鋼模板，可滿足隧道的襯砌施工要求，如圖1所示。但本工程曲線段隧道存在4種轉(zhuǎn)彎半徑，如制作4套定型鋼模板，成本較高且無(wú)法用于直線段施工，結(jié)合經(jīng)濟(jì)及施工組織考慮，本工程模板方案進(jìn)行了改進(jìn)，最終確定采用直線模板+短曲線模板的施工方案。

圖1 南干渠工程定型曲線模板拼裝平面布置示意圖 (單位：mm)

2.4 模板設(shè)計(jì)

為滿足“結(jié)構(gòu)物邊線與設(shè)計(jì)邊線允許偏差10mm”的施工要求，直線模板每安裝3m長(zhǎng)度加裝短曲線模板，短曲線模板曲率按R=170m設(shè)計(jì)，增加或減少短曲線模板以滿足不同轉(zhuǎn)彎半徑的隧洞襯砌要求(見(jiàn)圖2)。

圖2 直線模板+短曲線模板拼裝平面布置示意圖 (單位：mm)

模板環(huán)向采用8塊規(guī)格1000mm×1500mm的弧形鋼模板+頂部1塊規(guī)格1000mm×570mm弧形模板拼裝而成，模板面板為5mm厚鋼板[2]，模板弧形肋、橫肋、縱肋采用6mm×60mm鋼板(見(jiàn)圖3)?；炷翝仓谠O(shè)置于頂模中間位置。相鄰模板采用高強(qiáng)螺栓連接。模板加工，保證具有足夠的強(qiáng)度、剛度，板表面光滑，不出現(xiàn)凹坑等表面缺陷。

圖3 模板拼裝橫向布置示意圖 (單位：mm)

3 組合鋼模板施工

二襯12.1m倉(cāng)段模板加工長(zhǎng)度12600mm，較設(shè)計(jì)分縫長(zhǎng)度增加500mm，確保與上一倉(cāng)已成型混凝土搭接保持在300～500mm之間，模板設(shè)計(jì)直徑4020mm，以保證二襯混凝土成型斷面凈空尺寸。

3.1 支撐體系

為保證組合鋼模板穩(wěn)定，模板支撐體系為環(huán)向工字鋼梁+縱向工字鋼梁+豎向鋼管支撐。模板背面環(huán)形梁采用I20a工字鋼，間距1000mm布置；于環(huán)形梁內(nèi)側(cè)布置縱向鋼梁，兩側(cè)腰線各布置一根I20a工字鋼，拱底位置布置一根I20a工字鋼，長(zhǎng)14m；豎向采用φ80鋼管進(jìn)行支撐，斜向也采用φ80鋼管進(jìn)行支撐，支撐體系與洞頂接觸時(shí)，支撐頂部采用墊木方包裹無(wú)紡布并用綁絲綁牢，防止破壞防水板。組合鋼模板橫向支撐體系見(jiàn)圖4。

圖4 組合鋼模板橫向支撐體系示意圖

二襯鋼筋安裝完成后，經(jīng)過(guò)測(cè)量確定鋼筋的高程及軸線準(zhǔn)確，并將保護(hù)層墊塊固定在內(nèi)圈鋼筋上，然后拱底設(shè)置架立筋支撐模板底模。模板內(nèi)支撐全部完成后，在倉(cāng)段兩端設(shè)置馬凳支撐拱底縱向工字鋼梁，縱向工字鋼梁與模板環(huán)向梁鎖緊，以減少模板支撐體系及模板自重，防止鋼筋籠受壓過(guò)大而變形，見(jiàn)圖5。

圖5 組合鋼模板縱向支撐體系示意圖

模板抗浮采用φ80、壁厚6mm的無(wú)縫鋼管，在模板頂開(kāi)天窗作為排氣孔[3]，將鋼管通過(guò)天窗支撐到一襯防水板上，與防水板接觸處采用無(wú)紡布包裹。二襯混凝土襯砌為12.1m一倉(cāng)，每倉(cāng)內(nèi)布置12道支撐，倉(cāng)外兩端各布置1根鋼管支撐，倉(cāng)內(nèi)豎直支撐、斜向45°支撐交替布置，于鋼管支撐中間位置加設(shè)橫向支撐對(duì)4個(gè)方向固定。經(jīng)對(duì)立柱軸心受壓強(qiáng)度、穩(wěn)定性驗(yàn)算，均滿足規(guī)范要求。

3.2 側(cè)模封堵

端頭模板按照模板弧長(zhǎng)設(shè)計(jì)制作，呈“L”形，側(cè)端封堵上端為木模、下端為L(zhǎng)形鋼模板，主要作用于固定止水帶，外部用方木進(jìn)行加固處理，見(jiàn)圖6。端頭模板與隧洞拼接不緊密的地段采用棉紗將其堵塞嚴(yán)密，防止混凝土澆筑過(guò)程中漏漿。同時(shí)端頭模板頂部留排氣孔[3]，待混凝土澆滿后進(jìn)行封堵。

圖6 側(cè)模封堵示意圖

3.3 模板安裝

鋼筋安裝完成后，先安裝底模1、2號(hào)模板，然后安裝3、4號(hào)模板，模板采用M20×50螺栓進(jìn)行連接，每個(gè)接口處必須將螺栓上滿、上緊，不得有遺漏及松動(dòng)。模板放置完成后，從端頭放置環(huán)形梁，每個(gè)模板接縫處設(shè)置1處，安放過(guò)程中保持環(huán)形梁垂直，并頂緊模板接縫位置。再采用5排縱向工字鋼梁將環(huán)形梁連成整體，兩側(cè)腰線各1根、底部3根。

側(cè)面5、6號(hào)兩塊模板依據(jù)編號(hào)依次運(yùn)入拼裝，與底部模板用螺栓進(jìn)行固定，然后拼裝拱部3塊模板，全部模板固定后，加固上半拱環(huán)形梁及整體支撐。所有支撐均應(yīng)頂緊，不得有松動(dòng)。

3.4 混凝土澆筑

為防止模板上浮，于模板頂開(kāi)天窗設(shè)置抗浮支撐，先澆筑①部分，待混凝土澆筑至距模板頂面50cm，混凝土上浮力消除后，拆除鋼管支撐，再進(jìn)行②部分澆筑，見(jiàn)圖7。

圖7 組合鋼模板澆筑示意圖 (單位：mm)

首倉(cāng)澆筑時(shí)間控制在4～8h全部完成，澆筑過(guò)程保證混凝土連續(xù)、不間斷，一次性澆筑完成。通過(guò)首倉(cāng)澆筑檢測(cè)模板上浮情況，在保證模板不上浮的條件下，以后倉(cāng)段混凝土澆筑過(guò)程中，可逐步加快澆筑速度。每個(gè)倉(cāng)號(hào)共澆筑50m3，五車混凝土，每車10m3。第一車澆筑高度距底板0.59m，已覆蓋臺(tái)車底模0.29m；第二車澆筑至距臺(tái)車內(nèi)模底板1.41m處；第三車澆筑至距臺(tái)車內(nèi)模底板2.77m處，腰線上0.77m處；第四車澆筑至距臺(tái)車內(nèi)模底板3.82m處，腰線上1.82m處；第5車澆筑至距臺(tái)車內(nèi)模底板4.30m處，超過(guò)臺(tái)車頂模板處0.30m。可根據(jù)混凝土澆筑方量，判斷混凝土上升高度，見(jiàn)圖8。

圖8 一倉(cāng)每車混凝土澆筑位置示意圖

模板端部設(shè)排氣口，同時(shí)用來(lái)檢查混凝土是否灌滿，襯砌到拱部時(shí)，一定要有專人觀察，當(dāng)排氣口中有砂漿流出時(shí)，證明灌注已滿，應(yīng)及時(shí)停止泵送，以免過(guò)度泵送壓壞模板。

混凝土澆筑過(guò)程中，設(shè)專人負(fù)責(zé)隨時(shí)檢查模板的中線和標(biāo)高變化情況，出現(xiàn)異常及時(shí)進(jìn)行處理。加強(qiáng)設(shè)備及模板養(yǎng)護(hù)管理，避免澆筑過(guò)程中設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題或拆、接管時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，澆筑混凝土的間隙時(shí)間控制在允許范圍內(nèi)。

3.5 模板監(jiān)測(cè)

為減少混凝土浮力對(duì)模板造成的影響，澆筑過(guò)程中應(yīng)調(diào)整間歇時(shí)間，避免因混凝土澆筑過(guò)快而造成模板上浮。混凝土澆筑過(guò)程中設(shè)置專職測(cè)量人員觀測(cè)模板上浮情況，通過(guò)模板上浮的測(cè)量數(shù)據(jù)控制澆筑速度。為防止產(chǎn)生灌注不均勻及表面氣泡，在模板外側(cè)輔助敲擊。通過(guò)模板兩側(cè)預(yù)留的觀察窗，觀測(cè)混凝土在澆筑過(guò)程中是否均勻上升，當(dāng)兩側(cè)高差過(guò)大時(shí)放慢澆筑速度。通過(guò)側(cè)模頂部預(yù)留的觀察口，觀察該倉(cāng)混凝土是否注滿，并防止倉(cāng)段混凝土注滿后繼續(xù)泵送導(dǎo)致跑模。

采用水準(zhǔn)儀對(duì)模板上浮量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，洞內(nèi)施工人員通過(guò)測(cè)量人員反映的數(shù)據(jù)及時(shí)反饋給洞外施工人員，當(dāng)模板上浮過(guò)快，臨近允許范圍時(shí)，放慢澆筑速度，同時(shí)在保證模板不上浮的條件下，盡量加快澆筑速度。

3.6 模板脫模

混凝土強(qiáng)度達(dá)到5MPa后進(jìn)行脫模[4]。每倉(cāng)澆筑前對(duì)模板表面進(jìn)行清潔、涂刷脫模劑，每澆筑2～3倉(cāng)對(duì)模板進(jìn)行打磨一次，確保模板表面光滑無(wú)污漬。

4 總 結(jié)

a.采用直線模板+短曲線模板的施工方案，在滿足模板邊線與設(shè)計(jì)邊線誤差要求的前提下，是一種比較經(jīng)濟(jì)的選擇，較定制固定轉(zhuǎn)彎半徑的定型模板更節(jié)約成本。

b.通過(guò)對(duì)模板精確的設(shè)計(jì)、施工，實(shí)現(xiàn)了暗涵曲線段襯砌要求。

c.在模板頂開(kāi)天窗設(shè)置抗浮支撐，滿足了全圓斷面一次澆筑成型對(duì)模板上浮控制的要求。

d.二襯混凝土外觀質(zhì)量控制在施工工藝上提出了加強(qiáng)抗浮監(jiān)測(cè)及模板清潔的要求，確保了暗涵二襯混凝土的外觀質(zhì)量。