內(nèi)河全斷面步履式機械化模板技術(shù)研究與應(yīng)用

鐘財生，何志強

（中交四航局第二工程有限公司 廣州 510230）

0引言

國內(nèi)在建或已完工的內(nèi)河沉管隧道一般用分段分層澆筑工藝，模板價格較低，但分次澆筑帶來的溫度應(yīng)力及上下層混凝土收縮不同步，導(dǎo)致管段容易出現(xiàn)裂縫和滲漏水的情況［1］。全斷面澆筑模板工藝常用于外海長大沉管隧道，工廠化全斷面澆筑預(yù)制工藝，其裂縫控制和防水性能明顯較好，但工廠建設(shè)費用和大型自動化液壓混凝土模板系統(tǒng)費用很高，不合適內(nèi)河規(guī)模小的沉管隧道［2］。

2017 年，依托廣州市某隧道工程，依靠自身技術(shù)積累，提出“全斷面模板一次性整體化澆筑”設(shè)計理念；以我國內(nèi)河沉管和外海沉管澆筑模板工藝分析和現(xiàn)狀評估為依據(jù)，給出適用于內(nèi)河城市中心地區(qū)狹窄干塢下的全斷面澆筑模板技術(shù)方案［3］。

1 研究背景

隨著科技及沉管隧道施工水平的發(fā)展、建設(shè)創(chuàng)新型國家理念的推廣和施工標(biāo)準(zhǔn)化的深入開展，必須提升沉管隧道的施工水平及質(zhì)量，特別是港珠澳大橋島隧工程采用沉管全斷面一次性澆筑成型模板技術(shù)在外海區(qū)域首次得以實現(xiàn)后，其在國內(nèi)內(nèi)河城市交通大動脈中的實際運用值得深入研究。沉管隧道以其埋深淺、容易保證隧道施工質(zhì)量、工程造價較低、接線距離短、在隧道現(xiàn)場的施工期短、操作條件好、施工安全、風(fēng)險易于控制、適用水深范圍較大、斷面形狀、大小可自由選擇，斷面空間可充分利用等優(yōu)點，越來越廣泛地被用于內(nèi)河中心城區(qū)復(fù)雜環(huán)境的過江隧道施工建設(shè)中，其中沉管隧道穩(wěn)定運行的決定性因素及施工重要環(huán)節(jié)為管節(jié)預(yù)制質(zhì)量和裂縫控制。廣州市某隧道工程通過對沉管全斷面預(yù)制模板系統(tǒng)、配套性設(shè)施、澆筑工藝進(jìn)行研究分析以及改進(jìn)，研究出沉管隧道管節(jié)節(jié)段全斷面澆筑模板關(guān)鍵技術(shù)，提高了施工質(zhì)量并節(jié)省了施工的時間及費用，從根源上杜絕了分層連接處產(chǎn)生裂縫的問題［4］。

2 全斷面步履式機械化模板系統(tǒng)研究

通過對沉管設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和施工條件等研究［5］，以及結(jié)合大跨度鋼結(jié)構(gòu)模板的變形和位移特性，建立沉管全斷面模板模型［6］，進(jìn)行內(nèi)模路軌支架、大腔內(nèi)模、外模、中腔內(nèi)模等驗算，研發(fā)了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、變形可控和經(jīng)濟合理的內(nèi)模支撐系統(tǒng)、內(nèi)模臺車行車系統(tǒng)和外模支撐系統(tǒng)［7］，模板配置長度為17 m，如圖1所示。

圖1 全斷面模板安裝Fig.1 Installation of Full Section Formwork

中腔內(nèi)模采取外跨桁梁橋式承重，不需要在中部設(shè)置支座，解決了全斷面預(yù)制底板混凝土強度不足的問題，同時為了很好地保證防水質(zhì)量，并減小側(cè)墻通道的產(chǎn)生，大腔內(nèi)模采用配備液壓系統(tǒng)+機械加固來替代傳統(tǒng)對拉桿工藝。

大腔內(nèi)模設(shè)置行走電機及軌道梁可實現(xiàn)模板的縱向行走；支腿設(shè)置豎向油缸并支承于配有橫向油缸的橫移軌道上，可實現(xiàn)模板的豎向及橫向調(diào)節(jié)，并布置一定的液壓油缸用于模板支撐并可實現(xiàn)伸縮調(diào)節(jié)，如圖2所示。

圖2 大腔內(nèi)模遙控行走系統(tǒng)Fig.2 Remote Control Walking System of Large Cavity Internal Mould

內(nèi)模支撐采用可伸縮的內(nèi)側(cè)模板支撐來連接內(nèi)側(cè)模板［8］。澆筑完成后，內(nèi)側(cè)模板支撐帶動內(nèi)側(cè)模板縮回，通過行走系統(tǒng)直接投入下一次澆筑，如圖3所示。

圖3 大腔內(nèi)模液壓支撐系統(tǒng)Fig.3 Hydraulic Support System of Large Cavity Internal Mould

外側(cè)模板設(shè)置桁架結(jié)構(gòu)固定架提供側(cè)向支撐力。固定架下部內(nèi)側(cè)設(shè)置抗浮螺桿提供澆筑的抗浮反力；中部設(shè)置斜撐控制模板變形；頂部布置對拉桁架以克服支撐桿的不均勻受力及保證整體剛度。頂部外桁架采用預(yù)應(yīng)力抵消在側(cè)墻混凝土澆筑過程產(chǎn)生的側(cè)壓力，外側(cè)模板通過設(shè)置多道斜支撐進(jìn)行加固，保證澆筑過程中墻體尺寸不變形，如圖4所示。

圖4 外側(cè)模板體系Fig.4 Lateral Formwork System

3 全斷面步履式機械化模板受力性能研究

針對使用全斷面預(yù)制模板進(jìn)行一次性整體澆筑的技術(shù)難題，對場地狹窄、沉管長度變化、后澆帶長度變化等一系列問題，通過建立力學(xué)模型，真實模擬各施工工況［9］，增加荷載使用有限元Midas Civil 程序進(jìn)行深度分析，真實地模擬各種部位在混凝土澆筑中的受力變化，形變趨勢以及澆筑中的最不利工況進(jìn)行鋼模板支撐系統(tǒng)的配置，形成了剛性沉管全斷面預(yù)制模板解決方案，確保模板體系受力滿足澆筑條件，保證沉管澆筑的質(zhì)量和安全。

⑴ 最不利工況下，外模-模架最大應(yīng)力值Max（|Σσ|）=173.9 MPa<215 MPa；外模-鋼模板最大應(yīng)力值Max（|Σσ|）=153.2 MPa<215 MPa；外模-撐桿最大應(yīng)力值Max（|Σσ|）=136.5 MPa<215 MPa；上桁架跨中Max（Σf）=18.0 mm，整體長30.4 m，變形比例為1/1 688，遠(yuǎn)小于1/400；外模-鋼模板水平位移Max（Σf）=24.1 mm，面板高8.7 m，變形比例為1/361，小于1/150；從而可以看出，沉管外鋼模板的強度、剛度都滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)：GB 50017—2017》［10］的強制性要求，如表1所示。

表1 外側(cè)鋼模板單元應(yīng)力及外模-鋼模板變形（水平位移）計算Tab.1 Calculation of the Stress of the Outer Steel Formwork Unit and the Deformation（Horizontal Displacement）of the Outer Mould-steel Formwork

⑵最不利工況下，內(nèi)模-左（右）腔模架最大應(yīng)力值Max（|Σσ|）=213.4 MPa<215 MPa；內(nèi)模-左（右）腔鋼模板最大應(yīng)力值Max（σ）=210.3 MPa<215 MPa；內(nèi)模-左（右）腔整體最大變形值Max（Σf）=14.69 mm，內(nèi)內(nèi)模-左（右）腔整體長度為16.25 m，變形比例為1/1 106，遠(yuǎn)小于1/400；從而可以看出，沉管內(nèi)鋼模的左（右）腔模板強度與剛度都滿足文獻(xiàn)［10］的強制性要求，如圖5所示。

圖5 沉管內(nèi)鋼模的左（右）腔整體應(yīng)力計算云圖及整體位移云圖Fig.5 The Overall Stress Calculation Cloud Diagram and Displacement Cloud Diagram of the Left（Right）Cavity of the Steel Mold in the Immersed Tube

⑶ 最不利工況下，中腔模板體系最大應(yīng)力值Max（|Σσ|）=210.7 MPa<215 MPa；中腔模板體系最大變形Max（Σf）=4.95 mm，整個中腔長度為18 m，變形比例為1/3 636，遠(yuǎn)小于1/400；從而可以看出，沉管中腔鋼模板強度與剛度都滿足文獻(xiàn)［10］的強制性要求，如圖6所示。

圖6 沉管中腔鋼模板應(yīng)力云圖及鋼梁單元位移云圖Fig.6 Stress Cloud Diagram of Steel Formwork in Immersed Tube and Displacement Cloud Diagram of Steel Beam Element

⑷ 最不利工況下，中腔對拉桿最大應(yīng)力值Max（|Σσ|）=279 MPa <355 MPa（45 號鋼屈服強度），從而可以看出，中腔鋼模拉桿強度滿足文獻(xiàn)［10］的強制性要求，如圖7所示。

圖7 沉管中腔鋼模板對拉桿應(yīng)力云圖Fig.7 Stress Nephogram of Central Cavity Pair Tie Rod in Immersed Tube

⑸最不利工況下，最大應(yīng)力Max（|Σσ|）=187.3MPa<215 MPa，最大變形Max（|Σf|）=1.55 mm，路軌支點間距為4 m，變形比例為1/2 581，遠(yuǎn)小于1/400，從而可以看出，內(nèi)鋼模大腔路軌支架的強度與剛度都滿足文獻(xiàn)［10］的強制性要求，如圖8所示。

圖8 內(nèi)模大腔路軌支架應(yīng)力及變形云圖Fig.8 Stress and Deformation Nephogram of Track Support with Internal Mold and Large Cavity

4 結(jié)論

全斷面模板體系包含內(nèi)模系統(tǒng)、臺車行走系統(tǒng)以及外模系統(tǒng)。其中內(nèi)模系統(tǒng)中采用可伸縮的內(nèi)側(cè)模板支撐來連接內(nèi)側(cè)模板，由此可使得內(nèi)側(cè)模板可自由伸縮，澆筑完成后，內(nèi)側(cè)模板支撐帶動內(nèi)側(cè)模板縮回快速脫模，并可直接投入下一次澆筑，相比于傳統(tǒng)的模板施工工藝極大地節(jié)省了內(nèi)模拼裝和拆卸的時間［11］。

其次，通過在內(nèi)模系統(tǒng)之下設(shè)置行走軌道系統(tǒng)，可實現(xiàn)在沉管分節(jié)預(yù)制中內(nèi)模的靈活移動，內(nèi)模通過行走軌道在沉管預(yù)制生產(chǎn)線上自由移動，減少了沉管預(yù)制中轉(zhuǎn)移模板的時間。

沉管外側(cè)模板系統(tǒng)通過將模板設(shè)置在固定架之上，再施加多道支撐對外側(cè)模系統(tǒng)進(jìn)行加固，外側(cè)鋼模板底上設(shè)置了抗浮錨桿來抵抗混凝土澆筑振搗過程中所產(chǎn)生的浮力，并設(shè)置了第一鋼模板斜支撐來抵抗混凝土澆筑振搗時對鋼模板底部所產(chǎn)生的側(cè)向壓力，設(shè)置了第二鋼模板斜支撐來抵抗混凝土澆筑振搗時對鋼模板中部所產(chǎn)生的壓力，設(shè)置了第三鋼模板斜支撐來抵抗混凝土澆筑對鋼模板上部的壓力，并由多道鋼模板斜支撐共同保證外側(cè)鋼模板施工過程中的安全穩(wěn)定性［12］。

該模板體系通過對傳統(tǒng)模板暴露出的問題進(jìn)行總結(jié)，不僅解決了以往模板施工過程中的拼裝和拆卸耗費時間、成本高的問題，還解決了模板移動困難和模板支撐難以重復(fù)利用的資源浪費問題，最重要的是能從根源上杜絕沉管分層連接處產(chǎn)生裂縫的問題，對提升工程進(jìn)展與質(zhì)量起到極大作用［13］。