基于移動模架的明挖隧道襯砌施工方法研究

楊海生，朱海龍

(中交二航局第四工程有限公司，安徽 蕪湖 241000)

1 引言

隧道工程的施工方法需要根據(jù)不同的地質(zhì)地貌特點、機械設(shè)備條件、施工工期及經(jīng)濟(jì)性等條件綜合確定。不同的施工方法對應(yīng)的襯砌施工工藝也各有差異，但無論何種施工方法，隧道襯砌施工都是隧道施工的關(guān)鍵工序。

對于明挖隧道而言，襯砌混凝土一般采用由下而上的施工方法，襯砌側(cè)墻與拱頂?shù)某Ｒ娛┕すに嚢ㄖЪ芊ㄊ┕ず团_車法施工。支架法施工工藝較為簡單，施工措施成本較小，但施工效率較低，只適用于長度較短隧道施工，不便于重復(fù)使用。襯砌臺車法施工是利用專用臺車作為襯砌施工的模板支撐系統(tǒng)與操作平臺，逐環(huán)移動施工。這種施工方法施工便捷，效率高，臺車系統(tǒng)剛度大，易于質(zhì)量控制。但由于臺車制造費用較高，在周轉(zhuǎn)效率高時可獲得良好的綜合效益，因此這種施工方法適用于長大隧道。

移動支架法在部分工程中有所探索。但對于周轉(zhuǎn)次數(shù)多，標(biāo)準(zhǔn)化程度高的明挖隧道，移動支架法的相關(guān)工程實踐較少。該文研究一種基于移動支架的襯砌施工方法，該方法具有上述兩種施工方法的優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)明挖隧道襯砌的快速施工，且具有良好的經(jīng)濟(jì)性。

2 依托工程概況

京雄鐵路機場2號線隧道工程北接北京新機場地下站，南穿永定河南大堤后露出地面，全長8.34 km。線路穿越天堂河、永定河兩條河流，沿線分別經(jīng)過河北省廊坊市廣陽區(qū)、北京市大興區(qū)及廊坊市固安縣，隧道最大埋深為28.64 m。隧道設(shè)計為單洞雙線隧道，線間距為5 m，采用柱式洞門。路線大部分區(qū)段主體結(jié)構(gòu)斷面形式為拱形明洞結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)斷面形式見圖1。拱形襯砌厚度為0.8 m，仰拱厚度為0.85 m，洞趾厚度為1.2 m，洞身凈高為9.08 m。

圖1 京雄鐵路2號線隧道標(biāo)準(zhǔn)斷面圖(單位：cm)

線路所屬地區(qū)位于華北平原北緣，以黃村為界，北部為山前沖洪積平原，南部為沖積平原，地勢由西北向東南緩傾，擬建工程場地內(nèi)及線路兩側(cè)大部分辟為耕地，局部段落穿越村莊。沿線地表水主要為河水、渠水，局部地段有坑塘積水。沿途經(jīng)過河流屬海河水系，其主要河流有天堂河等。區(qū)間河流河床開闊，岸坡有防護(hù)，河水流速較慢，兩岸地勢平坦。線路沿線為厚層第四系松散堆積層所覆蓋，勘探深度范圍內(nèi)所揭示地層為第四系全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)沖積、沖洪積地層，下伏上第三系上新統(tǒng)、寒武系地層。

該項目施工共分為5個工期，在工區(qū)銜接區(qū)段及標(biāo)頭段采用移動支架法施工，分別為：DK46+922.5～DK47+109.5，長187 m；DK47+404.5～DK48+278，長873.5 m；DK48+970～DK49+297，長332 m；DK49+529～DK50+006，長477 m；DK50+212～DK50+482，長270 m。其他區(qū)段均采用襯砌臺車法施工。

3 基于移動支架襯砌施工支架合理形式

3.1 移動式側(cè)墻支架結(jié)構(gòu)

明挖隧道在側(cè)墻混凝土施工時多用襯砌臺車法施工，但襯砌臺車需要專門設(shè)計、加工，其施工成本較高。因此，有時也采用支架法施工，即搭設(shè)支架支撐模板系統(tǒng)，以完成襯砌混凝土澆筑施工。傳統(tǒng)的支架施工法，每澆筑一段后需要拆除支架，重新搭設(shè)，操作繁瑣，施工效率較低，不利于大范圍施工?；趯嶋H需要，結(jié)合臺車法施工和傳統(tǒng)支架法施工的特點，機場2號線隧道施工中采用了一種可移動式模架襯砌施工方法，此種方法不僅便于移動，而且便于安裝，有助于快速施工，節(jié)省工期。

移動式側(cè)墻支架體系的總體布置見圖2，兩側(cè)側(cè)墻可設(shè)置兩榀獨立的移動式支架。移動式支架主要由新鋼骨架、側(cè)墻模板及模板骨架、行走系統(tǒng)和支撐錨固系統(tǒng)組成。各系統(tǒng)形成自穩(wěn)定的整體結(jié)構(gòu)，在施工過程中可實現(xiàn)快速移動和可靠錨固，作為側(cè)墻施工的內(nèi)膜支撐體系，實現(xiàn)側(cè)墻逐環(huán)快速澆筑的目的。

圖2 移動側(cè)墻支架系統(tǒng)示意圖

側(cè)墻模架的基本組成見圖3，模架支撐主骨架為三角形桁架結(jié)構(gòu)，桁片的縱向間距與型鋼尺寸由支架結(jié)構(gòu)的受力計算確定。該項目桁架由I16a工字鋼焊接支撐，桁片縱向間距為1.2 m。三角形桁架縱向通過水平聯(lián)系桿和斜向聯(lián)系桿連接為整體，連接桿件采用I12型鋼，縱向總長度可根據(jù)每環(huán)施工長度控制為6～9 m。桁架支撐豎桿外側(cè)與弧形側(cè)墻模板支撐體系相連接，側(cè)模支撐桁架外形與隧道結(jié)構(gòu)形狀基本相同。側(cè)面桁架與弧形模板主龍骨可靠焊接，主龍骨外依次連接工字形次背楞與定型鋼板模。在弧形模板主背楞和桁架豎桿之間通過角鋼或工字鋼等型鋼可靠連接。在桁架底部分別設(shè)置行走輪和支撐墊塊，在一環(huán)隧道施工完成后，可通過行走滾輪向前推進(jìn)達(dá)到下一環(huán)施工位置。側(cè)模位置調(diào)節(jié)到位后通過支撐墊塊抄墊牢靠，實現(xiàn)對側(cè)向支架的可靠支撐。

圖3 移動側(cè)墻支架構(gòu)造示意圖

由于側(cè)墻模架需要承受混凝土澆筑產(chǎn)生的側(cè)向壓力荷載，如何進(jìn)行可靠錨固是移動側(cè)墻模架設(shè)計的要點。側(cè)向模架除了在底部設(shè)置型鋼墊塊外，尚應(yīng)在內(nèi)側(cè)設(shè)置預(yù)埋錨固結(jié)構(gòu)，可在模架的內(nèi)角設(shè)置錨固裝置，在仰拱施工時預(yù)留拉桿將其可靠錨固(圖4)。在三角形桁架直角位置設(shè)置與直角邊為45°的錨固件，錨固件外沿縱向設(shè)置雙拼錨固槽鋼，用于錨固仰拱內(nèi)預(yù)埋拉桿，為側(cè)墻模架形成錨固鉸，與豎向支撐墊塊共同承載水平壓力。

圖4 模架預(yù)埋錨固結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 移動式拱頂支架結(jié)構(gòu)

拱頂施工支架的構(gòu)造相對簡單，見圖5，在支架底部沿著縱向采用型鋼連接組成支架底盤，在底盤下部分別設(shè)置行走滾輪和支撐墊塊，支架底盤上部設(shè)置盤扣支架體系。盤扣支架的底托與支架底盤頂面焊接牢靠，盤扣支架之間通過斜向聯(lián)系桿和水平聯(lián)系桿連接形成整體，較傳統(tǒng)支架應(yīng)增加聯(lián)系桿數(shù)量，提高支架的整體性。盤扣支架桿件可選用直徑48 mm桿件，縱橫向間距由支架結(jié)構(gòu)受力計算確定，該項目支架間距為1.2 m。在支架中央位置可設(shè)置門洞結(jié)構(gòu)作為施工通道，為施工人員及小型機械預(yù)留縱向通道。

在施工過程中可采用與側(cè)墻支架同樣的操作方法進(jìn)行縱向移動與支撐。此種工藝不僅能促進(jìn)快速施工，節(jié)省工期成本，且能反復(fù)利用支架結(jié)構(gòu)提高周轉(zhuǎn)率，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。

圖5 移動模架襯砌施工示意圖

4 基于移動支架法襯砌施工工藝

4.1 標(biāo)準(zhǔn)工藝流程

基于移動支架法明挖隧道的標(biāo)準(zhǔn)化施工流程見圖6，在仰拱及填充施工完成檢驗合格后可進(jìn)行側(cè)墻的鋼筋綁扎及混凝土澆筑。一環(huán)側(cè)墻混凝土施工完成后，側(cè)墻模架移動至下一環(huán)施工側(cè)墻，拱頂移動模架由上一環(huán)移動至該環(huán)施工拱頂鋼筋與混凝土。在施工時需要控制每環(huán)襯砌側(cè)墻施工周期與拱頂施工周期相匹配，實現(xiàn)每環(huán)側(cè)墻與拱頂?shù)膮f(xié)調(diào)施工，提高移動支架系統(tǒng)的周轉(zhuǎn)效率。

圖6 基于移動支架法襯砌施工標(biāo)準(zhǔn)流程

4.2 仰拱與側(cè)墻施工關(guān)鍵工藝

在襯砌施工時，首先進(jìn)行仰拱施工，仰拱及仰拱填充混凝土應(yīng)分開澆筑，在仰拱混凝土強度達(dá)到5 MPa時，進(jìn)行仰拱填充施工；拆模時混凝土強度應(yīng)達(dá)到8 MPa,拆模后應(yīng)及時進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。在仰拱施工時，應(yīng)滿側(cè)墻錨固地腳螺母。一般埋件距混凝土面為250 mm；各埋件相互之間的距離根據(jù)錨固力計算確定，且不宜大于300 mm，在靠近支架標(biāo)準(zhǔn)段的起點與終點各布置一個埋件。埋件與地面成45°，現(xiàn)場埋件預(yù)埋時要求拉通線，保證埋件在同一條直線上，同時，埋件角度必須按45°預(yù)埋。埋設(shè)時需要保證精度，并對螺紋采取保護(hù)措施，以免施工時混凝土黏附在絲扣上，影響下一步施工時螺母的連接。

待仰拱填充施作完成后，先進(jìn)行防水板鋪設(shè)與側(cè)墻鋼筋綁扎。側(cè)墻鋼筋施工就位后，推進(jìn)移動側(cè)模支架就位，并進(jìn)行精確調(diào)整定位，固定牢靠，后進(jìn)行側(cè)墻混凝土施工，見圖7。側(cè)墻混凝土強度達(dá)到設(shè)計強度100%后方可拆模，具備拆除模板條件且達(dá)到規(guī)定強度后，應(yīng)及時脫模、前移及澆筑下一段側(cè)墻。在側(cè)向模架拆除時應(yīng)先解除錨固，并收起支架底部的支撐墊塊，將支架重量轉(zhuǎn)移至行走滾輪上。在模架整體橫向拉開一定距離脫模后，再進(jìn)行縱向前移，進(jìn)行下環(huán)側(cè)墻施工。

圖7 移動支架法側(cè)墻施工現(xiàn)場

4.3 拱頂施工關(guān)鍵工藝

拱頂弧形底模由多塊模板拼接組成，在模板對接處設(shè)置子母口，以達(dá)到減少混凝土在模板拼接處可能產(chǎn)生的錯臺，并降低安裝難度。子母口設(shè)置見圖8(a)，將模板拼縫設(shè)置在背楞處，安裝時通過將兩側(cè)模板均接近在背楞表面上，實現(xiàn)模板拼縫的平順。由于面板設(shè)置子母口，模板在安裝和拆除時采用 “先裝的后拆，后拆的先裝” 的工序。鋪設(shè)面板時要注意側(cè)模和蓋模面板鋪設(shè)左右側(cè)模板的不同。這樣的設(shè)置方式可避免混凝土表面出現(xiàn)明顯施工縫。

為了解決弧形模板與豎向支架之間的可靠支撐，保證主龍骨及上部模板整體平順性，采用I10工字鋼縱向設(shè)置于頂托上部作為轉(zhuǎn)換梁，見圖8(b)，主龍骨采用雙拼[10槽鋼與轉(zhuǎn)換梁結(jié)合面處設(shè)置鍥形塊進(jìn)行角度調(diào)節(jié)。這種處理方式可以通過螺栓的調(diào)整確保主龍骨的可靠支撐。

圖8 移動支架模板細(xì)節(jié)構(gòu)造示意

在一環(huán)襯砌側(cè)墻模架拆除前移后，移動式拱頂支架移至該環(huán)位置，并對其平面位置和高程進(jìn)行調(diào)整定位。調(diào)整就位后對支架進(jìn)行可靠支撐錨固，在拱頂?shù)啄Ｉ贤瓿射摻罱壴c混凝體澆筑，見圖9。拱頂混凝土達(dá)到強度要求后通過旋轉(zhuǎn)頂部螺旋托架使得底模與拱頂混凝土底面脫離。收起支架底盤下方的支撐墊塊，將支架重量轉(zhuǎn)移至行走滾輪上，并利用行走滾輪移動至下一環(huán)位置施工。

圖9 移動支架法側(cè)墻施工現(xiàn)場

4.4 施工特點與優(yōu)點

基于移動支架法隧道襯砌施工工藝將支架法的經(jīng)濟(jì)性與臺車法的施工便利性相結(jié)合，利用行走系統(tǒng)實現(xiàn)支架的整體快速移動。同時利用支架的簡易結(jié)構(gòu)替代臺車法施工支撐系統(tǒng)，降低造價。采用該施工方法重點需要控制好側(cè)墻與拱頂?shù)漠惒绞┕す?jié)奏，實現(xiàn)襯砌的快速施工。施工可靠性控制的要點在于支架錨固的可靠性，施工中需要加強對錨固性的實施與檢查。

該施工方法在京雄鐵路機場2號線明挖隧道施工中的實踐表明，采用移動支架法施工較采用移動臺車法施工節(jié)約費用50%～60%。支架移動與調(diào)整時間較傳統(tǒng)支架拆除與搭設(shè)總時間節(jié)約70%以上，在施工效率和經(jīng)濟(jì)性方面均取得了良好的效果。

5 結(jié)語

以京雄鐵路機場2號線明挖隧道施工為依托，研究提出了一種基于移動支架法施工的明挖隧道襯砌施工方法。對該種支架體系的合理結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：該方法通過合理的支架構(gòu)造形式的研發(fā)，實現(xiàn)了快速移動和簡易施工的功能。

移動支架體系由移動式側(cè)墻支架和移動式拱頂支架組成，均帶有移動行走滾輪和支撐墊塊與錨固構(gòu)造。在仰拱施工后，利用側(cè)墻支架逐環(huán)進(jìn)行側(cè)墻施工，最后逐環(huán)進(jìn)行拱頂施工，通過側(cè)墻與拱頂施工節(jié)奏的配合，有效提高了支架的使用效率。

該方法利用了支架施工靈活，便于操作的特點，同時實現(xiàn)了自移動功能，避免了反復(fù)拆卸與搭設(shè)的繁瑣工序。既提高了施工效率，又降低了施工成本，在中等長度隧道施工中值得推廣應(yīng)用。