关于某地铁区间隧道施工相关问题论述

赵旭

摘要：本文作者结合工程实践经验，论述了某地铁区间隧道钢管骨架组合钢模板的施工控制，以供同类工程参考。

关键词：地铁隧道；钢管骨架；质量控制

1工程概况

某地铁区间隧道全程约1300m，而且隧道二衬施工难度大，其中，标准断面采用衬砌台车（衬砌长度1700m），非标准断面及渐变段采用满堂脚手支架支模施工（衬砌长度800m）。隧道内有左右两条主线及两条停车线，断面结构形式多达26种。鉴于此，工程采用矿山法施工。钢管骨架模板支撑体系的承载性能及施工质量控制成为施工重点，

2钢管骨架模板支撑体系承载力计算

2.1 支撑体系设计

根据设计二衬厚度，脚手架采用碗扣式脚手架支撑系统，搭设落地式、全高全封闭的碗扣式脚手架，并在其中间增设剪刀撑。模板采用P3012组合钢模，模板下方以Φ48×3.5mm钢花管制作的拱形支架配合方木支撑，脚手架选用钢管（外径48mm，壁厚3.5mm）。图1为钢管骨架模板支撑体系简图。

2.2承载力计算

2.2.1混凝土侧压力计算

混凝土侧压力影响因素很多，浇筑速度是一个重要的影响因素，侧压力一般与其成正比，当其达到一定的速度后，再提高浇筑速度，则对侧压力影响不明显，混凝土温度影响混凝土的凝结速度，温度底、凝结慢，混凝土侧压力的有效压头高，最大侧压力就大，反之就小。我国目前采用的计算公式，当采用内部振动时，新浇混凝土作用于模板上最大侧压力，按下面两式计算，并取最小值：

式中：为新浇筑混凝土对模板的最大侧压力（KN/m2）；为混凝土自重密度（25KN/m3）；为混凝土初凝时间，；为混凝土温度；为外加剂影响系数，取1.2；为坍落度修正系数，取1.2；h为浇筑高度，取8.0m（取最大高度）；

V为浇筑速度，取2m/h。经计算，F1=67.2KN/m2，F2=200KN/m2.

2.2.2 骨架模板计算参数值

a.模板：P3012组合钢模板，t=3.5mm，尺寸1200×300；b.小方木：红松木，截面100×100mm，间距300mm;c.大方木：红松木，截面100×120mm，间距600mm或900mm;d.钢管Φ483.5截面特性：A=4.89cm2；I=12.19cm4；W=5.08cm3；i=1.58cm;e.Q235钢抗拉、抗压、抗弯强度设计值：F＝235N/mm2; f.抗弯强度允许值[σ2]＝13MPa。

2.2.3 模板验算

加工的300*1200定型钢模板（δ=2.75mm），=36.3×104mm4，=8.21×103mm3。计算简图如下：

图2 计算简图

将荷载化为线性荷载：

抗弯强度计算结果：

=4.04×105N·mm

=49.21N/mm2<215N/mm2（满足）

挠度验算：

0.04mm<1.5mm（满足）

2.2.4 脚手架支撑体系验算

搭设高度H=8.0米（取最大高度，最大17排），步距h=0.6米，立杆纵距La=0.6米，立杆横距Lb=0.9米，剪刀撑在6个步距设置一道（即每3.6m处设置）。本工程为隧道工程在计算时不考虑风荷载。立杆轴向力：a.混凝土自重：25KN/m3;b.模板纵横方木：0.27KN；c.立杆：4.89×10-4×76×8=0.297KN；d.纵横水平杆重：0.95KN；e.混凝土浇注冲击荷载取：0.6KN；f.施工及振捣荷载：1.8KN；g.模板重：0.39KN/m

经计算荷载总计：N=10.835KN。长细比：=132.912，查JGJ130-2001附录C表C得=0.381。有：

=58.156N/mm2<235 N/mm2

因此，立杆稳定性满足要求。

2.2.5 横杆承载力及挠度计算

当横杆支撑梁时，横杆弯矩按下式计算：

M=PcC

式中：M—横杆弯矩（KN·m）；Pc—砼重量及模板重量的1／2；C—骨架到支座间距离。

横杆抗弯强度按下式计算：

满足要求，式中：W—钢管的截面模量。

横杆的挠度应符合下式规定：

满足要求，式中：Vmax—横杆的最大挠度；[v]—容许挠度，L/200=4.5mm。

碗扣节点承载力按下式验算：

Pc=36.564

式中：Qb—下碗扣抗剪强度设计值，取60kN。因此，水平杆稳定性满足要求。

2.2.6 钢管骨架受力验算

验算主要针对于拱脚处，因为此处的侧压力最大，且此处的支撑为人工焊接而成。由于焊接支撑为对称结构，所以取一半进行验算。

2.2.6.1 原始稳定性评价

取荷载最大的底端作计算模型，并取对称结构，如下图所示。

a.截面参数：

惯性矩：=1.23×10-7m4

面积：

抗弯刚度：

侧压力按下面两式计算，并取最小值：

式中各量含义如前文所述。

根据得，

为了安全起见，取，由于纵向间距是0.6m，且面上不均布力转换对支撑上的集中力，则：

，

下面对①、②、③杆进行受力分析。

对于①杆抗压稳定性计算：假定①杆两侧的斜杆不参与受力，作为安全储备。考虑一端固定，一端自由最不利情况，则=2，失稳临界值为：

对于①轴向力计算：

则杆①水平稳定性满足要求

对于③杆抗弯稳定性计算：杆③的受力简化如图3所示，假定③杆与两侧斜杆的夹角45°。

图5 杆③受力分析图

竖直方向的合力为：

弯矩的最大值在中点处，最大弯矩为：

着杆所受拉应力区的最大拉应力为：

由以上计算分析可知：杆①和水平稳定性满足要求，杆③被拉坏。故采取如下加固措施（图6）再进行计算：a.在杆①和②之间，增加④杆；b.在杆②的下部增加⑤杆；c.有部分斜撑，如图4所示；d.在③杆的基础上再增加一杆，即竖直方向为两根杆；e.

在隧道走向上，把每块1.2m长度模板，在原来2根的基础上，再增加1支撑，使支撑间距为0.4m。计算方法同上，计算结果如下：

杆③最大弯矩为：

杆③所受拉应力区的最大拉应力为：

所以③满足施工要求。

3安全质量保证措施

3.1安全保证措施

3.1.1材质及其使用的安全技术措施

⑴扣件的紧固程度应在40～50N.m，并不大于65 N.m，对接扣件的抗拉承载力为3KN。扣件上螺栓保持适当的拧紧程度。

⑵各杆件端头伸出扣件盖板边缘的长度不应小于100mm。

⑶钢管有严重锈蚀、压扁或裂纹的不得使用。禁止使用有脆裂、变形、滑丝等现象的扣件。

3.1.2脚手架搭设的安全技术措施

⑴搭设过程中划出工作标志区，禁止行人进入、统一指挥、上下呼应、动作协调，严禁在无人指挥下作业。当解开与另一人有关的扣件进必先告诉对方，并得到允许，以防坠落伤人。

⑵开始搭设立杆时，应每隔6跨设置一根抛撑，直至安装稳定后方可根据情况拆除。

⑶脚手架及时与结构拉结或采用临时支顶，以保证搭设过程安全，未完成脚手架在每日收工前一定要确保架子稳定。

⑷脚手架必须配合施工进度搭设，一次搭设高度不得超过相邻连墙件以上两步。

3.1.3脚手架拆除的安全技术措施

⑴拆架前，全面检查待拆脚手架，根据检查结果，拟订出作业计划，报请监理，经同意后才准工作。

⑵架体拆除前，必须察看施工现场环境，包括架空线路、外脚手架、地面的设施等各类障碍物、地锚、及被拆架体各吊点、附件、电气装置情况，凡能提前拆除的尽量拆除掉。

⑶拆架时应划分作业区，周围设绳绑围栏或竖立警戒标志，地面应设专人指挥，禁止非作业人员进入。

⑷拆除时要统一指挥，上下呼应，动作协调，当解开与另一人有关的结扣时，应先通知对方，以防坠落。

⑸在拆架时，不得中途换人，如必须换人时，应将拆除情况交代清楚后方可离开。

⑹每天拆架下班时，不应留下隐患部位。

3.2质量保证措施

⑴混凝土采取机械振捣，振捣时振捣棒做到快插轻拔，并上下略有抽动，以使混凝土振捣均匀。

⑵拱墙混凝土施工时，两端必须同时对称浇注，以减小侧向压力。

⑶每次拆模后将模板表面清理干净，不得粘有干硬水泥浆等杂物；模板脱模剂要涂刷均匀，不得漏刷。

⑷混凝土分层均匀振捣，严防漏捣；每层混凝土均应振捣至气泡排除为止。

4 结束语

根据工程的实际情况，断面多且结构形式各不相同，所有钢骨架均只能应用一次。本工程施工中，将成型工艺中的型钢骨架优化设计为钢花管制作的骨架,仅材料费用就节约了近100万元成本。施工期间,由于钢花管骨架的轻盈便利,使得施工循环时间缩短,也大大节约工期,同时安全质量方面未出现任何问题。经过实践,该工艺是安全可靠的,值得大范围推广。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。