基于紙板模具的新型單元排結(jié)構(gòu)施工技術(shù)研究*

方佳敏，田 棟，唐亞俊，李 瑤，王忠岱，謝立全

(1.長(zhǎng)江航道局，湖北 武漢 430014； 2.長(zhǎng)航監(jiān)理有限公司(武漢)，湖北 武漢 430013； 3.同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，上海 201804； 4.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092)

0 引言

護(hù)灘工程分為水下、水上兩部分，充分利用枯水季節(jié)進(jìn)行施工成為建設(shè)單位關(guān)注重點(diǎn)。土工織物軟體排因具有整體性強(qiáng)、柔韌性高、抗沖擊性能好、使用年限較長(zhǎng)、可較好地緊貼河床等優(yōu)點(diǎn)，在護(hù)灘工程中得到廣泛應(yīng)用[1-9]。陸地施工不影響通航，無(wú)須使用大型船舶及水上設(shè)備，具有較大技術(shù)、經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，因此，需研究大面積臨水岸灘軟體排陸地施工技術(shù)。對(duì)于岸灘工程，陸地施工工程量越大，水上施工工程量越小。位于枯水位以上的岸灘可采用軟體排施工，即采用陸地施工技術(shù)。

工程界普遍認(rèn)為，混凝土澆筑模具須采用剛度較大的鋼材、木材等[10-12]，但難以滿(mǎn)足大面積單元排混凝土施工需求，且存在多工序質(zhì)量控制難度大、施工成本高等問(wèn)題，引起了大量學(xué)者關(guān)注。需嚴(yán)格把控單元排混凝土脫模時(shí)間，利用起重機(jī)輔助脫模，但起重機(jī)吊運(yùn)模具時(shí)常造成混凝土塊邊緣出現(xiàn)毛邊、四角開(kāi)裂等。針對(duì)大面積單元排混凝土澆筑工藝復(fù)雜、脫模效率低等難題，研發(fā)新型模具，以提高澆筑質(zhì)量、降低施工成本等。

1 傳統(tǒng)單元排結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)單元排結(jié)構(gòu)由排墊和壓載體組成，排墊透水且可阻擋泥沙，不僅能抵擋水流沖擊，避免岸灘被沖刷破壞，且能實(shí)現(xiàn)水土保持，防止岸灘泥沙被沖走，保護(hù)岸灘。排墊一般采用250g/m2聚丙烯編織布，縱向抗拉強(qiáng)度52kN/m2，橫向抗拉強(qiáng)度42kN/m2，等效孔徑0.12mm。壓載體一般采用混凝土塊，為提高壓載效果與整體性，需將相鄰混凝土塊連成整體，減少對(duì)排墊的撕扯破壞。對(duì)于干地岸灘，現(xiàn)場(chǎng)可直接澆筑混凝土，并將其鋪設(shè)在排墊上，無(wú)須轉(zhuǎn)移或吊運(yùn)混凝土塊，可保證混凝土塊不被破壞。混凝土塊尺寸為48cm×48cm×10cm(長(zhǎng)×寬×厚)，重約55kg，混凝土塊內(nèi)部縱橫向交叉布置φ14mm丙綸繩，交叉點(diǎn)為混凝土塊質(zhì)心，由80塊混凝土塊構(gòu)成5m×4m(長(zhǎng)×寬)排墊壓載單元，如圖1所示。排墊沿單元排寬度方向每隔50cm設(shè)有1根5cm寬縱向聚丙烯加筋條，并在加筋條上設(shè)置綁扎環(huán)，排墊壓載單元通過(guò)加筋條、綁扎環(huán)、丙綸繩連為整體。混凝土塊間設(shè)置2cm縫隙，因此，混凝土塊中心間距一般按50cm設(shè)計(jì)。由于混凝土塊尺寸較小，且丙綸繩較柔軟，對(duì)于長(zhǎng)江岸灘發(fā)生的局部沉降、少量泥沙流失等變形工況，單元排具有較好的適應(yīng)性。

圖1 單元排結(jié)構(gòu)

單元排結(jié)構(gòu)主要施工步驟如下：①整平鋪排區(qū)域，鋪設(shè)聚丙烯編織布，編織布接縫使用φ1.5mm尼龍線(xiàn)縫合；②按排墊壓載單元設(shè)計(jì)圖紙吊裝鋼模具，吊裝前對(duì)鋼模具進(jìn)行清潔并涂刷脫模劑；③在混凝土塊中布設(shè)丙綸繩；④澆筑、振搗混凝土，需達(dá)到強(qiáng)度要求，根據(jù)實(shí)際情況確定脫模時(shí)間，避免發(fā)生混凝土塊掉角現(xiàn)象；⑤將相鄰排墊壓載單元綁扎成整體；⑥采用碎石填充相鄰排墊壓載單元縫隙。

傳統(tǒng)單元排結(jié)構(gòu)施工存在以下缺點(diǎn)：①對(duì)于最低水位附近區(qū)域的岸灘，尤其是砂質(zhì)岸灘，其坡度小，地下水位接近地面，地基承載力低，無(wú)法使用起重機(jī)等重型施工設(shè)備吊裝單元排，減小了可進(jìn)行陸地施工的岸灘面積；②脫模難度大，混凝土塊易拉裂、破碎，在很大程度上降低了單元排結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量與服役可靠性；③由于單元排混凝土一次澆筑成型，難以保證丙綸繩正確安裝，且丙綸繩包裹在混凝土中，使脫模難度進(jìn)一步增大；④單元排自重大，吊裝要求較高；⑤不滿(mǎn)足受最低枯水位限制的大面積臨水岸灘軟體排施工搶修要求。

2 新型單元排結(jié)構(gòu)

為解決傳統(tǒng)單元排結(jié)構(gòu)存在的問(wèn)題，提出基于紙板模具的新型單元排結(jié)構(gòu)，應(yīng)用蜂窩/瓦楞紙板代替鋼板，無(wú)須拆模、使用重型施工設(shè)備等，對(duì)地基承載力要求較低，在混凝土澆筑完成的同時(shí)單元排制作完成，大幅度縮短了大面積單元排制作時(shí)間，降低了施工成本，減小了混凝土澆筑難度，提高了單元排整體質(zhì)量，適用于大面積臨水岸灘軟體排施工搶修，將其應(yīng)用于長(zhǎng)江干線(xiàn)武漢至安慶段6m水深航道整治工程中，以驗(yàn)證其可靠性。在進(jìn)一步細(xì)化施工參數(shù)的基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步將新型單元排結(jié)構(gòu)推廣應(yīng)用于陸地施工。傳統(tǒng)單元排結(jié)構(gòu)施工速度受起重機(jī)、鋼模具數(shù)量等制約，而新型單元排結(jié)構(gòu)則不同，不受施工設(shè)備的限制，提高了施工效率，不同單元排結(jié)構(gòu)施工特征如表1所示。

表1 單元排結(jié)構(gòu)施工特征

長(zhǎng)江兩岸及江心洲岸線(xiàn)較長(zhǎng)，水岸交界處形成陡坎，水流不斷沖刷岸灘。岸灘通常為平緩灘面，尤其是砂質(zhì)岸灘，近水區(qū)域坡面坡度≤5°，在1年內(nèi)完成大面積臨水岸灘軟體排施工搶修難度較大。因此，采用本研究提出的新型單元排結(jié)構(gòu)。

新型單元排結(jié)構(gòu)紙板模具并非剛性，具有一定柔度。試驗(yàn)結(jié)果表明，紙板厚度為2cm時(shí)，50cm跨度下的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于所需承受的混凝土振搗施工荷載。因紙板具有低透水性與低吸水性，混凝土入倉(cāng)1h內(nèi)，紙板吸水后強(qiáng)度降低<30%，滿(mǎn)足短時(shí)強(qiáng)度需求；混凝土入倉(cāng)1h后，紙板逐漸吸水飽和，強(qiáng)度降低，不僅有利于混凝土保水養(yǎng)護(hù)，且可對(duì)混凝土塊邊角進(jìn)行保護(hù)。

紙板模具結(jié)構(gòu)與尺寸基本與鋼模具相同，單元排混凝土塊間隙為2cm，因此將紙板厚度設(shè)計(jì)為2cm。紙板吸水后存在一定膨脹量(低應(yīng)力條件下)，在混凝土澆筑過(guò)程中，紙板吸水軟化，振搗混凝土?xí)r將產(chǎn)生壓縮變形，可知將紙板厚度取為混凝土塊間隙是合理的。紙板經(jīng)規(guī)范裁剪可實(shí)現(xiàn)批量化制作，依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙加工安裝卡槽及丙綸繩預(yù)留孔，如圖2所示?？v橫向紙板上下扣緊后，將丙綸繩穿入預(yù)留孔，并在紙板四邊加裝組裝式矩形鋼框架，以固定丙綸繩。可通過(guò)機(jī)械方式預(yù)先施加丙綸繩拉力，拉緊丙綸繩，保證其在混凝土澆筑過(guò)程中不發(fā)生下?lián)稀＜埌迥＞咂囱b簡(jiǎn)單，質(zhì)量易控，風(fēng)大天氣施工時(shí)需避免紙板被風(fēng)吹斷。

圖2 紙板模具結(jié)構(gòu)

開(kāi)展系列現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證研究，結(jié)果表明，混凝土振搗密實(shí)時(shí)產(chǎn)生的荷載不是最大施工荷載，模具內(nèi)側(cè)紙板受雙側(cè)10cm高混凝土塊壓力作用，混凝土振搗荷載不足以引起紙板發(fā)生較大變形?，F(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中，施工人員可站在混凝土塊上進(jìn)行振搗，不影響模具變形。單元排四周紙板由于緊貼外框架，可避免發(fā)生側(cè)向變形。需特別注意，設(shè)計(jì)尺寸合理的混凝土入倉(cāng)多孔板較重要，由于多孔板暫時(shí)承受混凝土入倉(cāng)時(shí)的主要壓力與沖擊力，使單元排可承受混凝土澆筑過(guò)程中產(chǎn)生的施工荷載。

經(jīng)試驗(yàn)研究與工程實(shí)踐驗(yàn)證，單塊單元排混凝土可在入倉(cāng)10min內(nèi)充滿(mǎn)各澆筑框格，在入倉(cāng)30min內(nèi)完成振搗與整平處理。由于紙板浸水效應(yīng)需較長(zhǎng)時(shí)間，可忽略該效應(yīng)的影響。紙板主要起隔板作用，兩側(cè)受力平衡，且側(cè)向壓力隨著混凝土初凝逐漸減小，很快降為零。

3 基于新型單元排結(jié)構(gòu)的施工搶修工藝

在臨水位置軟土環(huán)境中可正常施工新型單元排結(jié)構(gòu)，適應(yīng)于大面積臨水岸灘軟體排施工搶修，主要工藝流程如下。

1)紙板模具制作

確定紙板厚度后，結(jié)合單元排設(shè)計(jì)圖紙，確定縱橫向紙板尺寸，在紙板裁剪加工廠(chǎng)制作。加工制作內(nèi)容包括縱橫向紙板裁剪、卡槽安裝、丙綸繩預(yù)留孔裁剪，預(yù)留孔直徑應(yīng)較丙綸繩直徑大3～5mm。紙板模具為一次性使用，無(wú)法循環(huán)利用。一般情況下，工程現(xiàn)場(chǎng)單元排長(zhǎng)度、寬度均<5m，因此，紙板長(zhǎng)度可與單元排長(zhǎng)度相同，無(wú)須現(xiàn)場(chǎng)接長(zhǎng)，現(xiàn)場(chǎng)接長(zhǎng)的紙板易在混凝土澆筑時(shí)發(fā)生折損。

2)紙板模具外框架組裝

外框架為組裝式矩形鋼框架，用于固定丙綸繩，由4根輕質(zhì)鋁合金型鋼組裝而成，可循環(huán)利用，用料較少，可根據(jù)混凝土澆筑強(qiáng)度確定使用數(shù)量。

3)紙板模具拼裝

僅將縱橫向紙板上下扣緊即可，卡槽深度為紙板寬度的1/2，紙板上下扣緊后的高度為紙板寬度，卡槽寬度可較紙板厚度小1mm，卡槽受擠壓而扣緊。丙綸繩穿孔后，施加一定拉力固定在模具外框架上。

4)混凝土入倉(cāng)多孔板制作與鋪設(shè)

設(shè)置混凝土入倉(cāng)多孔板的目的是暫時(shí)緩解混凝土入倉(cāng)時(shí)的沖擊力，將多孔板鋪設(shè)在紙板模具上，每個(gè)孔對(duì)應(yīng)4塊混凝土塊。

5)混凝土入倉(cāng)與振搗

采用不同運(yùn)輸方式時(shí)，盡可能利用多孔板緩沖混凝土入倉(cāng)沖擊力，避免紙板模具折損?；炷翍?yīng)振搗密實(shí)，保證質(zhì)量。

6)混凝土養(yǎng)護(hù)與紙板清除

紙板吸水、保水性能較好，因此，在混凝土養(yǎng)護(hù)過(guò)程中可使紙板充分吸水飽和，達(dá)到長(zhǎng)時(shí)間濕潤(rùn)養(yǎng)護(hù)效果，可使混凝土塊邊角養(yǎng)護(hù)較好，避免出現(xiàn)掉角等現(xiàn)象。因紙板浸水軟化，混凝土養(yǎng)護(hù)完成后易清除干凈。

4 結(jié)語(yǔ)

1)護(hù)灘工程任務(wù)重、岸線(xiàn)長(zhǎng)，進(jìn)行大面積臨水岸灘軟體排施工搶修時(shí)，需改進(jìn)傳統(tǒng)單元排結(jié)構(gòu)及混凝土澆筑工藝，以克服臨水岸灘地基承載力較低的限制，實(shí)現(xiàn)更大范圍的陸地施工，提高施工效率與質(zhì)量。

2)基于大面積臨水岸灘地基新型特性，結(jié)合單元排施工特點(diǎn)，研發(fā)基于紙板模具的新型單元排結(jié)構(gòu)，并給出相應(yīng)的工藝流程?；诩埌迥＞叩男滦蛦卧沤Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易操作，且對(duì)施工人員無(wú)專(zhuān)業(yè)技術(shù)要求，在臨水位置軟土環(huán)境下可正常施工，適應(yīng)于大面積臨水岸灘軟體排施工搶修。

3)結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)與工程實(shí)踐，給出基于紙板模具的新型單元排結(jié)構(gòu)施工步驟，并對(duì)紙板模具材料要求進(jìn)行總結(jié)。由于紙板浸水效應(yīng)需較長(zhǎng)時(shí)間，可忽略該效應(yīng)的影響。