小半径多弯道输水隧洞全圆组合钢模板施工技术

2014-03-23，，

水利建设与管理 2014年1期

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(北京金河水务建设有限公司，北京 102206)

我国各地区水资源分配不均衡。随着城镇化建设规模不断提高，跨区域调水工程日益增多，输水隧洞工程修建不断扩大。如何在小半径多弯道输水隧洞条件下，模板安装固定时不破坏隧洞防水层(EVA防水板及无纺布)，以及混凝土浇筑时确保模板安装位置、控制模板上浮，是多弯道隧洞工程研究的关键。

1 工程概况

北京市南水北调配套工程南干渠一标工程位于丰台卢沟桥地区，沿线存在大规模的垃圾坑。为避让垃圾坑，原施工线路进行调整(其中工程两次穿越五环路)，导致2500m长的隧洞产生16个弯道段，最大转弯半径106m，最小转弯半径25m。采用常用的针梁钢模台车方法，已无法实现小半径多弯道隧洞施工。该工程采用组合钢模板全圆浇筑进行隧洞施工。隧洞采用全圆组合模板一次浇注成型，由于没有振捣操作空间和条件，故采用自密实混凝土。利用自密实混凝土的高流动性和自密实性能，依靠其自重流动，无需振捣即形成密实的混凝土。针对自密实混凝土流动性高、浮力大和组合钢模板自重轻等问题展开研究，总结小半径多弯道输水隧洞全圆组合钢模板施工技术特点。

2 小半径多弯道全圆组合钢模板特点

a.在拼装好的组合钢模板上，增加贯穿整仓模板的工字钢梁，仓段两端设置马凳支撑工字钢梁，抵消模板自重对钢筋笼产生的压力，确保了结构断面尺寸及模板的整体稳定性，保证了工程质量。

b.正确计算上浮点位，将钢管支撑到上浮点位处，抵消浇筑过程中混凝土对模板产生的上浮力，保证了工程质量。

c.弯道下，通过精准放样，计算出弧度，将模板加工成转向角度与弯道段弧度最大公约数的小半径弯头，以不同数量的小半径弯头与直线段模板交替安装，形成与各弯道段相符的模板，加快了进度，节约了成本。

d.在多弯道隧洞结构下，弯道模板使用数量少、灵活性高，且拆装方便、通用性强、周转次数多，能显著提高施工进度。

e.采用组合钢模板全圆浇筑抗浮纠偏技术，减少了人为施工缝，降低了施工难度，节约了材料，节约了人工，降低了工程造价。

f.采用组合钢模板全圆浇筑抗浮纠偏技术，钢模板部件强度高、组合刚度大、拼缝严密、不易变形，且便于施工管理、整体效果好。

3 技术原理

根据力学原理，通过对无缝钢管满足混凝土浇筑的抗浮力、混凝土最大侧压力的计算，对钢面板强度、挠度的验算，在满足工程结构和强度、刚度、稳定性的前提下，采用在拼装好的组合钢模板基础上增加贯穿整仓模板的工字钢梁，在工字钢梁与模板下，用半拱架U形卡锁紧，固定住模板位置，保证了模板的整体稳定性。在仓段两端设置马凳支撑工字钢梁，从而减小模板自重对钢筋所产生的压力。然后采用钢管支撑，在模板上开天窗，将钢管支撑到一衬防水板上，来抵消混凝土浇筑过程中模板产生的浮力。该措施有效地避免了二衬混凝土全圆浇筑时模板的上浮和偏移，保证了工程质量、安全，降低了工程造价，加快了施工进度。

4 工艺流程

小半径多弯道输水隧洞全圆组合钢模板施工工艺流程如图1所示。

图1 施工工艺流程

5 操作要点

5.1 施工准备

a.选择性能良好、色泽稳定、质地坚硬的材料。

b.模板的选型及架立。

c.浇筑前，对各类搅拌、振捣及输送机械等进行调试。

5.2 模板设计与加工

5.2.1 直线段模板

图2 弧形模板单位:mm

根据混凝土浇筑尺寸，环向布置19块模板，纵向布置9块模板。其中，环向布置的16块模板，采用尺寸为596.9mm×1200mm的定制加工弧形钢模板(如图2所示)，模板面板为4mm厚钢板，模板弧形肋、横肋、纵肋采用-6mm×60mm钢板，模板单块重量47.2kg。为方便模板拆卸，拱顶布置3块异形模板，尺寸分别为447.7mm×1200mm弧形钢模板2块、228.5mm×1200mm弧形钢模板1块(如图3所示)。

图3 拱顶异形模板

5.2.2 转弯段模板

由于隧洞弯道数量多，转弯半径各不相同，单独制作弯道段模板造价高、浪费材料。经计算，将弯道段模板加工成转向角度为4°的弯头模板；再用不同数量的弯头模板与直线段弧形模板交替安装，形成与各个转弯半径相符的弯道模板；然后在CAD图上进行放样校核，结果均与隧洞弯道转弯半径吻合。弯道段模板安装如图4所示。

5.2.3 模板支撑体系

a.隧洞铺设防水板，模板全圆拼装。为保证模板拼装位置固定及模板不下沉，采取沿模板纵向设置两道12m长的工字钢梁(16号)与模板下拱架锁紧，在仓段两端设置马凳支撑工字钢梁，从而固定模板位置，提高模板的整体稳定性。具体如图5所示。

图4 弯头段模板尺寸示意图

图5 工字钢梁与模板下楞背锁固

b.混凝土抗浮措施：为控制模板的上浮量，保证模板稳定，采用φ80，壁厚6mm的无缝钢管，在模板处开天窗，将钢管支撑到一衬防水板上，与防水板接触处采用木方垫设保护。二衬混凝土衬砌为10m每仓(直线段)，每仓布置4排立支撑与剪刀撑，每排3根，在每仓两端各设置一处钢管支撑，每处支撑采用3根钢管支撑，如图6所示。

图6 模板支撑纵向剖面单位:mm

经计算，混凝土浇筑至180°时模板的浮力最大。为减小混凝土浇筑过程中浮力对模板整体性造成的影响，通过加固模板支撑体系来抑制模板上浮，使上浮量控制在1～2mm左右，有效地解决了模板上浮问题。

5.3 组合模板强度验算

5.3.1 工字钢强度验算

采用两根25b工字钢支撑全圆组合钢模板，工字钢长12m，两端采用马凳支撑。两端采用6根钢管支撑，模板总重约10t，则F=17kN。工字钢与模板支撑下楞背锁紧，减少模板支撑体系及模板自重，防止钢筋笼受压过大而变形。模板重10t，10m长所受均布荷载为q=5kN/m，受力简图如图7所示。

图7 工字钢受力

支座反力：RA=RB=ql/2=25kN；

剪力：VA=RA=25kN，VB=-RB=25kN；

最大弯矩：Mmax=qbl/8(2-b/l) =5×10×12/8(2-10/12)=87.75kN×m；

Wx查材料力学型钢表得知Wx=422.7cm3,I=5283cm4

最大应力：σmax=M/Wx=87.75/422.7=207.5N/mm2<[σ]=215N/mm2

最大挠度：工字钢主要作用是减小模板自重对钢筋笼造成压力过大而无法保证隧洞结构断面尺寸。由于钢筋笼对模板和工字钢给予一定支撑反力，使工字钢无垂直方向上的位移。因此，无需考虑挠度问题。

经过上述计算，两根25b工字钢满足施工要求。

5.3.2 钢管支撑强度验算

钢管采用φ80，壁厚6mm的无缝钢管，在模板处开天窗，钢管端头采用无纺布包裹后支撑到一衬防水板上，与防水板接触处采用木方垫设保护。每仓共计18根φ80钢管，模板所受浮力为混凝土排开模板的体积，但由于混凝土浇筑至180°以上时，再往上浇筑，地基上表面会逐渐承担一部分浮力，混凝土的流动性随时间逐渐降低，浮力也随之下降，通过混凝土应力计算数据得出，混凝土最大浮力为130t，模板重G=10t，ΣF=F浮-G=120t。每根无缝钢管N=ΣF/18=6.7t=65.66kN。混凝土浇筑时，钢管支撑受轴心受压力，具体布置形式及受力如图8、9所示。

图8 组合钢模板钢管支撑体系

图9 钢管支撑受力

钢管支撑稳定性验算：

N/ψA≤f

式中N——轴力值；

ψ——轴心受压杆件稳定系数；

f——钢材抗压强度值，取215N/mm2。

L0=kuh

式中k——计算长度附加系数，取1.155；

u——钢管支撑整体稳定性因素的单根计算长度系数，取1.5；

h——立杆步距，取2.5m。

L0=1.155×1.5×2.5=4.33m，L0为立杆计算长度;

λ=L0/I=165，λ为立杆长细比，I为立杆回转半径I=2.625×10-2m；

查《钢结构设计规范》(GB 50017—2003)附录C表C-1，ψ取0.285;

有效面积值：A=π×(R2-r2)=1395mm2;

所以：N/ψA=65660/(0.285×1395)=165N/mm2≤215N/mm2满足设计要求。

5.4 模板安装

a.安装模板1至模板6和模板拱架1。

b.安装模板7至模板12和安装模板拱架2。

c.安装模板支撑件1和钢梁。

d.安装模板拱架3和模板13至模板19。模板安装如图10所示。

图10 模板安装示意图

5.5 浇筑混凝土

隧洞采用全圆组合模板一次浇注成型，没有振捣操作空间和条件，而采用自密实混凝土泵送入仓。将浇筑口设置在仓段中间正拱顶，利用自密实混凝土的高流动性和自密实性，依靠其自重流动，无需振捣而达到密实。浇筑时，按自密实混凝土操作规程进行施工。

5.6 模板拆卸

模板拆卸标准为混凝土强度达到5MPa。通过现场试块取样试压，混凝土浇筑完后20h左右混凝土强度可达到拆卸标准。首先拆除拱顶尺寸228.5mm×1200mm弧形钢模板，拆卸完后再拆除两侧尺寸为 447.7mm×1200mm弧形钢模板。拱顶3块异形模板拆卸后，按照拆卸自上而下的原则，逐一拆卸剩余16块弧形模板(拆除顺序与模板安装顺序相反)。