沉管預(yù)制全斷面大型液壓模板臺(tái)車設(shè)計(jì)與應(yīng)用技術(shù)

朱金波， 王 聰

(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司第五工程分公司, 湖北 武漢 430040; 2.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040； 3.長(zhǎng)大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430040； 4.交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心， 湖北 武漢 430040)

0 引言

沉管隧道具有埋深淺、地質(zhì)適應(yīng)能力強(qiáng)、兩岸連接線短、對(duì)環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，因此在國(guó)內(nèi)外城市水下隧道工程中應(yīng)用越來越廣泛[1]。沉管預(yù)制可分為全斷面預(yù)制和分次預(yù)制，常規(guī)項(xiàng)目一般采用分次預(yù)制，分為上下2次澆筑[2]。已建成的洲頭咀沉管隧道、南昌紅谷隧道[3]、天津海河隧道[4]和廣州生物島隧道[5]采用分次預(yù)制，其施工相對(duì)容易，但增加了施工縫的數(shù)量，容易產(chǎn)生滲水通道和因底板約束引起的外墻裂縫，造成質(zhì)量缺陷，影響沉管的使用壽命。

混凝土自防水是沉管隧道防水的根本[6]，應(yīng)盡可能地減少溫度裂縫的出現(xiàn)，使混凝土自身成為永久的防水屏障[7]。全斷面預(yù)制工藝能有效減少施工縫的數(shù)量，降低混凝土開裂的風(fēng)險(xiǎn)，提高沉管混凝土的自防水功能[8]。

沉管全斷面預(yù)制工藝對(duì)模板的要求高。傳統(tǒng)的沉管預(yù)制模板多采用鋼木混合體系[9]，內(nèi)模支撐多采用門式桁架結(jié)構(gòu)[4,9]，廊道模板采用滿堂支架結(jié)構(gòu)，混凝土外觀質(zhì)量控制難度大、模板拆除時(shí)間長(zhǎng)、施工效率低；外模通常采用對(duì)拉螺桿與內(nèi)模板連接固定[4,5]，使外墻的滲水通道增加，降低了沉管的自防水性。因此隨著沉管隧道建設(shè)的發(fā)展，傳統(tǒng)鋼木混合體系的散拼式模板難以滿足全斷面沉管的預(yù)制要求[8]。

港珠澳大橋沉管為工廠化預(yù)制，采用液壓模板臺(tái)車進(jìn)行全斷面預(yù)制，施工工藝先進(jìn)，但其沉管為節(jié)段式，各小節(jié)沉管獨(dú)立預(yù)制，縱向鋼筋斷開，相鄰節(jié)段通過臨時(shí)預(yù)應(yīng)力拉索連接在一起[10]， 施工時(shí)模板固定不動(dòng)，預(yù)制完成分段管節(jié)整體移動(dòng)，無法滿足干塢內(nèi)整體順澆法沉管預(yù)制。韓國(guó)釜山沉管為干塢內(nèi)全斷面預(yù)制，成品質(zhì)量高，但其沉管采用跳艙法施工，節(jié)段為柔性接頭，預(yù)制場(chǎng)地利用效率較低，施工周期較長(zhǎng)。本文以襄陽市東西軸線項(xiàng)目沉管預(yù)制為工程背景，從設(shè)計(jì)、拼裝及應(yīng)用3個(gè)方面介紹全斷面模板車臺(tái)。該項(xiàng)目沉管為干塢內(nèi)預(yù)制，首次采用全斷面順澆法工藝，消除了橫向施工縫，提高了管節(jié)的自防水性[11]。項(xiàng)目共投入3套全斷面液壓模板臺(tái)車，剛度及穩(wěn)定性良好，有效保證了沉管的質(zhì)量，同時(shí)工期和成本得到有效控制。

1 工程概況

襄陽市東西軸線項(xiàng)目沉管采用兩孔一管廊結(jié)構(gòu)，其中東汊沉管包含5 m小管節(jié)和6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)(4個(gè)120.5 m+2個(gè)86.5 m), 沉管斷面如圖1所示。結(jié)構(gòu)側(cè)墻及頂?shù)装搴穸染鶠?.25 m，中隔墻厚0.6 m，行車道凈寬12.55 m,結(jié)構(gòu)全寬31.2 m，高9.2 m，管節(jié)總長(zhǎng)120.5 m(或86.5 m)，分5(或4)個(gè)節(jié)段進(jìn)行預(yù)制，單個(gè)節(jié)段長(zhǎng)度為24.1 m(或21.625 m)。沉管底部設(shè)置8 mm的鋼板作為防水結(jié)構(gòu)和底模，側(cè)墻及頂板設(shè)計(jì)聚脲防水涂料作為外包防水。

圖1 沉管斷面(單位： m)

2 液壓模板臺(tái)車設(shè)計(jì)

液壓模板臺(tái)車主要包括外模臺(tái)車、內(nèi)模臺(tái)車、端模、液壓和電氣控制系統(tǒng)，如圖2和圖3所示。其中，內(nèi)模臺(tái)車包括行車道臺(tái)車和廊道臺(tái)車。

圖2 模板臺(tái)車橫斷面

圖3 模板臺(tái)車實(shí)物

2.1 設(shè)計(jì)原則

模板臺(tái)車設(shè)計(jì)中需遵循以下原則：

1)預(yù)制管節(jié)固定不動(dòng)，模板系統(tǒng)需整體移動(dòng)；

2)混凝土為全斷面一次澆筑；

3)行車道臺(tái)車和廊道臺(tái)車使用過程中，行走支腿需過底板鋼筋，同時(shí)行走和就位時(shí)可左右糾偏；

4)兩側(cè)外模間距較大，行走需確保同步；

5)模板臺(tái)車質(zhì)量大，自身液壓系統(tǒng)可完成脫模與合模；

6)單次澆筑混凝土方量大，模板剛度需滿足規(guī)范要求；

7)施工縫端頭鋼筋伸出，并設(shè)有中埋式止水帶，需考慮端模安裝和拆除；

8)外模系統(tǒng)需提升頂板鋼筋，完成體系轉(zhuǎn)換。

2.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

考慮混凝土為對(duì)稱澆筑，荷載組合包括： 自重荷載、混凝土側(cè)壓力、施工荷載、頂板鋼筋懸吊荷載和風(fēng)荷載等。模板臺(tái)車總體技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 模板臺(tái)車總體技術(shù)參數(shù)

2.3 總體結(jié)構(gòu)

2.3.1 外模臺(tái)車

外模臺(tái)車主要包括頂層桁架、斜支撐側(cè)模系統(tǒng)和行走系統(tǒng)，如圖4所示。外墻模不設(shè)拉桿，這對(duì)提高墻體耐久性具有重要意義[9]。

圖4 外模臺(tái)車示意圖

斜支撐側(cè)模系統(tǒng)由桁架、面板、支撐結(jié)構(gòu)和液壓系統(tǒng)組成。為了保證模板的整體剛度，單側(cè)側(cè)模設(shè)17片桁架，每片桁架設(shè)置斜支撐和水平支撐；設(shè)縱向通長(zhǎng)支撐墩作為反力結(jié)構(gòu)。為防止模板上浮，單側(cè)外模設(shè)34組抗浮拉桿，采用預(yù)埋螺桿+精軋螺紋鋼結(jié)構(gòu)。為便于模板開合，模板頂部和底部設(shè)橫移油缸，上角模背部設(shè)開合油缸，外模臺(tái)車背架設(shè)支腿提升油缸。

為確保外模臺(tái)車行走同步性，在單側(cè)外模底部設(shè)3組滑移小車，每組小車安裝2個(gè)行走電機(jī)，且所有行走電機(jī)為集成控制。

2.3.2 行車道臺(tái)車

行車道臺(tái)車主要包括內(nèi)模系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)和液壓自行走系統(tǒng)，如圖5所示。模板的動(dòng)作通過液壓系統(tǒng)完成，移動(dòng)到位后，再以人工方式用機(jī)械鎖定裝置固定[12]。

為滿足剛度和整體性要求，內(nèi)模面板由6 mm鋼板和框架式背帶組成，面板之間采用高強(qiáng)螺栓連接。支撐架與三角主桁架采用橫向絲桿連接，便于模板凈寬精調(diào)。

圖5 行車道臺(tái)車示意圖

液壓行走系統(tǒng)包括液壓自行走機(jī)構(gòu)、固定支腿和活動(dòng)支腿等，滑移軌道設(shè)于主桁架底部，卡槽50 cm/道。臺(tái)車采用步履式行走方式，即固定支腿持力，提升活動(dòng)支腿，取出限位銷，行走油缸送油，滑靴在軌道上進(jìn)行滑移至擋塊掉入卡槽，然后插入限位銷，行走油缸回油，使模板臺(tái)車整體行走0.5 m,依次重復(fù)即可，液壓自行走機(jī)構(gòu)如圖6所示。

圖6 液壓自行走機(jī)構(gòu)

為保證模板臺(tái)車行走過程中可自行糾偏，活動(dòng)支腿上部設(shè)橫移油缸及限位絲桿。當(dāng)模板臺(tái)車橫向位置需要糾偏時(shí)，支撐固定支腿，提升活動(dòng)支腿，調(diào)節(jié)橫向限位絲桿和橫移油缸，至活動(dòng)支腿到位后落地，然后提升固定支腿，調(diào)節(jié)油缸至模板臺(tái)車到位。

2.3.3 廊道臺(tái)車

廊道臺(tái)車主要由面板、主桁架、行走系統(tǒng)和對(duì)拉螺桿組成，如圖7所示。

圖7 廊道臺(tái)車示意圖

主桁架為上下2層，縱向3段，共6塊，相鄰2桁架采用高強(qiáng)螺栓連接；廊道面板分塊與行車道模板大致相同，按9排9列布置，共81片；行走系統(tǒng)包括2個(gè)固定支腿和2個(gè)活動(dòng)支腿，行走原理與行車道臺(tái)車相同。

為保證模板臺(tái)車整體穩(wěn)定性，中隔墻兩側(cè)的行車道臺(tái)車和中管廊臺(tái)車間設(shè)置對(duì)拉桿，按1.5 m×1.5 m布置，對(duì)拉桿采用φ25 mm精軋螺紋鋼。

2.3.4 端模

端模系統(tǒng)分為鋼端殼端模和節(jié)段端模。

由于鋼端殼質(zhì)量和體積較大，安裝定位精度高，且受混凝土側(cè)壓力和焊接變形的影響，鋼端殼端模采用剛度較大的槽型結(jié)構(gòu)，單塊質(zhì)量為1 000 kg左右，由面板、加勁板和背支撐組成。

節(jié)段端模采用小型組合鋼模結(jié)構(gòu)，單塊鋼模質(zhì)量小于20 kg，便于人工安裝和拆除。施工縫端頭有縱向主筋伸出，并有中埋式鋼邊止水帶，因此節(jié)段端模上、下部采用了梳齒板形式，中間分塊由6 mm的鋼面板和"田"字形加勁板組成，上下分塊間預(yù)留止水帶安裝空間，相鄰分塊采用螺栓連接，如圖8所示。

圖8 節(jié)段端模示意

2.3.5 液壓和電氣控制系統(tǒng)

2.3.5.1 液壓系統(tǒng)

兩側(cè)行車道與廊道分別設(shè)置一套液壓系統(tǒng)(如圖9所示)，外模兩側(cè)距離較遠(yuǎn)，各設(shè)置一套液壓系統(tǒng)，統(tǒng)一控制。

由于臺(tái)車內(nèi)部空間狹窄，采用分離式泵站，油箱+分布式閥塊，其中內(nèi)模臺(tái)車泵站安裝于臺(tái)車端部，外模臺(tái)車泵站安裝于臺(tái)車中部。泵站采用三聯(lián)的聯(lián)軸泵，單個(gè)電機(jī)控制，每塊模板單獨(dú)供油。每個(gè)閥塊入口設(shè)置順序閥，盡量減小油管長(zhǎng)度的影響。采用液壓鎖進(jìn)行油缸保壓，同時(shí)采用變頻調(diào)速的方式調(diào)節(jié)不同規(guī)格油缸動(dòng)作時(shí)的速度。

2.3.5.2 電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)核心采用西門子S7-1200CPU，兩側(cè)行車道臺(tái)車、廊道臺(tái)車和外模臺(tái)車單獨(dú)控制，共4套控制系統(tǒng)，如圖9所示。

圖9 液壓與電氣控制系統(tǒng)布置示意

由于外模兩側(cè)間距較大，采用了分布式I/O，將兩側(cè)控制系統(tǒng)集成。操作面板采用工業(yè)級(jí)觸摸一體機(jī)觸摸屏控制。視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用高清網(wǎng)絡(luò)攝像頭，可加裝無線網(wǎng)橋與施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)接。系統(tǒng)搭配了智能遠(yuǎn)程控制終端，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程電腦、手機(jī)端實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)預(yù)留了RS-232、RS-485、RS-422、TCP/IP、USB等多種數(shù)據(jù)接口，可靈活整合施工現(xiàn)場(chǎng)各類數(shù)據(jù)。

2.4 主要受力構(gòu)件核算

采用ANSYS有限元對(duì)模板臺(tái)車進(jìn)行仿真模擬，外模臺(tái)車及行車道臺(tái)車的應(yīng)力及位移計(jì)算結(jié)果分別如圖10和圖11所示。

(a) 結(jié)構(gòu)應(yīng)力(單位： MPa)

(b) 位移(單位： mm)

Fig. 10 Diagram of structural stress and displacement of outer formwork trolley

由圖10可知，外模臺(tái)車桁架錨梁位置應(yīng)力最大，σ=182.1 MPa

由圖11可知，行車道臺(tái)車的骨架最大應(yīng)力σ=65.7 MPa

3 液壓模板臺(tái)車拼裝

液壓模板臺(tái)車在工廠內(nèi)分塊加工并編號(hào)，按拼裝順序運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)。模板臺(tái)車拼裝遵循先下后上、先中后邊、對(duì)稱安裝、整體調(diào)試的原則。

3.1 外模臺(tái)車

3.1.1 拼裝順序

1)安裝行走小車和側(cè)模桁架，支撐絲桿斜撐于支撐墩上，整體向支撐墩方向微傾；

2)安裝立模和上角模，并安裝絲桿固定；

3)安裝橫移小車、油缸、油管及泵站；

4)單片頂層桁架拼裝成整體，采用2臺(tái)50 t的吊車抬吊，由中間向兩端依次對(duì)稱安裝；

5)安裝頂層連接桁架。

(a) 結(jié)構(gòu)應(yīng)力(單位： MPa)

(b) 位移(單位： mm)

3.1.2 注意事項(xiàng)

端部頂層桁架包含軌道梁，吊裝過程中，為保證連接板豎直，軌道梁上設(shè)調(diào)節(jié)葫蘆與吊鉤連接。

3.2 行車道臺(tái)車

3.2.1 拼裝順序

1)安裝定位活動(dòng)支腿、固定支腿及支撐油缸；

2)安裝支腿底座、聯(lián)系梁、滑靴及行走油缸；

3)依次安裝主桁架、支撐絲桿、脫模油缸和支撐架；

4)依次對(duì)稱安裝頂模、上角模、立模和下角模；

5)安裝人行道、爬梯、護(hù)欄、泵站、泵管、電氣柜和電路。

3.2.2 注意事項(xiàng)

支撐架安裝時(shí)采用型鋼作為臨時(shí)支撐。

3.3 廊道臺(tái)車

3.3.1 拼裝順序

1)安裝定位固定支腿、活動(dòng)支腿及支撐油缸；

2)安裝支腿底座、聯(lián)系梁、滑靴及行走油缸；

3)依次安裝上下層桁架、頂面板、開合油缸及絲桿；

4)上倒角模、立模、下角模拼裝成整體，一次性起吊安裝；

5)安裝人行道、爬梯、護(hù)欄、泵站、泵管、電氣柜和電路。

3.3.2 注意事項(xiàng)

桁架拼裝完成后，兩側(cè)采用型鋼作斜撐，防止傾倒。

4 液壓模板臺(tái)車應(yīng)用

4.1 工藝流程

襄陽市東西軸線項(xiàng)目沉管預(yù)制采用五艙順序流水法施工工藝，各工序可同時(shí)進(jìn)行，相互干擾少， 顯著提高了管節(jié)生產(chǎn)效率和質(zhì)量[13]。防水底鋼板鋪設(shè)完成后，依次綁扎底板鋼筋和側(cè)墻鋼筋，采用鋼筋臺(tái)車綁扎頂板鋼筋，然后進(jìn)行體系轉(zhuǎn)換。內(nèi)模臺(tái)車與外模臺(tái)車到位并加固，最后安裝和加固端模，采用4臺(tái)混凝土泵車全斷面一次澆筑成型，五艙順序流水法及沉管預(yù)制工藝流程如圖12和圖13所示。

圖12 五艙順序流水法施工示意

圖13 沉管預(yù)制工藝流程

4.1.1 外模臺(tái)車

外模臺(tái)車行走前，驅(qū)動(dòng)液壓油缸，上倒角模翻轉(zhuǎn)，背部支撐絲桿提升，側(cè)模脫離混凝土面。外模臺(tái)車采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，沿軌道行走，30 min內(nèi)可完成模板行走。

外模上倒角開設(shè)振搗孔和下料孔，其中振搗孔按1 m/道布置，下料孔按3 m/道布置?；炷翝仓?，打開外模倒角的所有振搗孔和下料孔，澆筑至開孔位置，及時(shí)封閉孔洞。

4.1.2 內(nèi)模臺(tái)車

內(nèi)模臺(tái)車模板行走前，拆除行車道臺(tái)車和廊道臺(tái)車間的對(duì)拉桿，調(diào)節(jié)支撐絲桿，回收油缸至脫模狀態(tài)。通過行走油缸驅(qū)動(dòng)，步履式行走。臺(tái)車就位后進(jìn)行測(cè)量定位，采用液壓油缸粗調(diào)，支撐絲桿精調(diào)，順序依次為里程-標(biāo)高-偏距。

中管廊臺(tái)車底板需滿鋪竹膠板作為壓模，預(yù)留振搗孔，防止中隔墻澆筑過程發(fā)生翻漿；行車道臺(tái)車頂板按3 m/道設(shè)置下料孔，混凝土澆筑前安裝6 m的長(zhǎng)PE管作為串桶，底板澆筑完成后，拔出串桶，封閉下料孔。

4.1.3 梳齒型鋼端模

底板鋼筋綁扎完成后，將底部梳齒板卡入底部縱向主筋，下部"田"字板與梳齒板用螺栓連接；然后，裝入中埋式鋼邊止水帶，最后裝入上部"田"字板和梳齒板，將止水帶進(jìn)行固定，如圖14所示。

圖14 端模加固

底部端模采用槽鋼作為豎向背楞與縱向主筋焊接，并設(shè)斜向支撐與防水底鋼板焊接；豎墻端模采用絲桿支撐，固定于內(nèi)模和外模背楞上；頂板端模與底板端?；鞠嗤O(shè)豎向背楞，與縱向主筋焊接固定?？v向鋼筋與端頭模板孔洞間隙采用土工布和泡沫膠封堵，混凝土初凝后，立即清除。

4.2 體系轉(zhuǎn)換

底板和豎墻鋼筋綁扎完成后，將鋼筋臺(tái)車移入鋼筋籠，進(jìn)行頂板鋼筋綁扎。外模臺(tái)車位于已澆筑節(jié)段，在其頂層桁架下方懸掛手拉葫蘆，每列手拉葫蘆下方懸掛數(shù)根吊梁。頂板鋼筋綁扎完成后，將外模臺(tái)車調(diào)至脫模狀態(tài)，行駛至頂板鋼筋籠完成節(jié)段，每個(gè)吊梁下部懸掛花籃螺栓，最后采用鋼絲繩將花籃螺栓與頂板勁型骨架連接。頂板鋼筋體系轉(zhuǎn)換如圖15所示。

外模臺(tái)車上的吊具均持力后，鋼筋臺(tái)車緩慢調(diào)至收縮狀態(tài)并駛出鋼筋籠。然后內(nèi)模臺(tái)車調(diào)至脫模狀態(tài)駛?cè)脘摻罨\，內(nèi)模臺(tái)車到位后，測(cè)量定位，調(diào)至合模狀態(tài)，同時(shí)緊固支撐絲桿。最后拆除外模臺(tái)車上的鋼絲繩及花籃螺栓，安裝端模并加固。

圖15 頂板鋼筋體系轉(zhuǎn)換

4.3 變形監(jiān)測(cè)

混凝土澆筑過程中，采用全站儀和應(yīng)力計(jì)對(duì)模板臺(tái)車面板進(jìn)行檢測(cè)，平均2 h記錄1次數(shù)據(jù)，累計(jì)最大變形值為3 mm，滿足規(guī)范要求。拆模后，混凝土外觀平整度高，相鄰節(jié)段無明顯錯(cuò)臺(tái)，說明外模臺(tái)車斜支撐桁架結(jié)構(gòu)達(dá)到了預(yù)期效果，監(jiān)測(cè)結(jié)果如表2所示。

表2 模板臺(tái)車變形監(jiān)測(cè)

5 結(jié)論與討論

沉管全斷面澆筑已成為行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)，本文以襄陽市東西軸線項(xiàng)目為背景，探討全斷面液壓模板臺(tái)車的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。該項(xiàng)目共投入3套全斷面液壓模板臺(tái)車，目前東汊6節(jié)沉管已全部預(yù)制完成，總結(jié)如下：

1)外模采用無拉桿斜支撐桁架結(jié)構(gòu)，全斷面一次澆筑成型，可減少側(cè)墻滲水通道。

2)內(nèi)模臺(tái)車采用液壓自行走機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)臺(tái)車的快速順序移位，1個(gè)工作日內(nèi)可完成拆模、行走與合模，提高了施工工效，減少了人工投入，降低了施工成本。

3)梳齒型組合鋼端模拆除和安裝方便，內(nèi)模脫模前可完成安裝；鋼模、絲桿和型鋼均可重復(fù)利用，減少了資源的浪費(fèi)。

4)模板臺(tái)車采用液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、集成控制系統(tǒng)和后臺(tái)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，操作方便，整體運(yùn)行穩(wěn)定，為施工安全和進(jìn)度提供了保障。

5)通過體系轉(zhuǎn)換，可提前綁扎頂板鋼筋，相鄰節(jié)段澆筑時(shí)間控制在14 d以內(nèi)，較同類項(xiàng)目，混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)大幅降低。

6)混凝土澆筑過程中，模板變形小，相鄰管節(jié)無錯(cuò)臺(tái)，成品尺寸偏差均在3 mm以內(nèi)，滿足相關(guān)規(guī)范要求。

盡管該模板臺(tái)車的穩(wěn)定性和實(shí)用性已得到很好的驗(yàn)證，但部分結(jié)構(gòu)仍然有改進(jìn)與優(yōu)化的空間，針對(duì)一些特殊的要求或工況, 如: 曲線管節(jié)、變截面管節(jié)等, 還需進(jìn)行針對(duì)性的研究。