大型异形结构拼装马头门钢模板安全高效施工技术*

郭建清 张 浩 张桥梁

(中国华冶科工集团有限公司)

大型异形结构拼装马头门钢模板安全高效施工技术*

郭建清 张 浩 张桥梁

(中国华冶科工集团有限公司)

以本溪思山岭铁矿SJ1副井工程为背景，为解决该工程施工过程中大断面马头门安全高效施工技术问题，试验使用大型异形结构拼装马头门钢模板进行支模浇筑。针对该异形结构拼装马头门钢模板在制作加工过程中的难点，采取有效措施保证钢模板准确加工，同时依据工程实际条件对整套钢模板的结构受力进行验算并进行了现场应用。结果表明：在思山岭铁矿SJ1副井工程+187，-480，-600 m马头门施工过程中，该套模板保证了马头门工程的安全高效施工，经济效益显著。

竖井 马头门 钢模板 结构受力 施工技术

经过长时间的大规模开采，我国浅部矿产资源日渐枯竭，矿山开采逐渐向深部转移，竖井作为深部矿产资源开发的首选开拓方式，其深度和断面也逐渐扩大。矿山建设中，井筒施工是关键，其工程量仅占全部工程量的4%～5%，工期却约占35%[1]。马头门是井筒和巷道连接的关键部位，其断面大、结构复杂，极易出现质量事故和安全事故，采用分层施工技术可降低施工难度，减小临时支护面积，但支模浇筑工艺仍极大制约了马头门的安全高效施工[2-5]。在本溪思山岭铁矿SJ1副井掘砌工程施工中，井筒深1 497.9 m，净直径10.0 m，马头门净宽8.4 m、高7 m、长7 m，采用锚网一次性支护+500 mm的双层钢筋混凝土永久支护方式。根据施工经验及工程实际情况，马头门浇筑模板采用大型异形结构拼装钢模板，该模板可重复利用，安装方便，混凝土支护整体观感较好。但该大型异形结构钢模板的加工制作工艺难度较大，特别是马头门与井筒相贯线部分，通过图纸无法确定异形板的具体尺寸，且马头门浇筑量较大、跨度大，因此有必要对该大型异形结构拼装马头门钢模板进行结构受力验算。

1 工程概况

思山岭铁矿SJ1副井工程井口标高+215.200 m，井底标高1 282.700 m(含封底厚600 mm)，井筒深度1 497.9 m，井筒净直径10.0 m，井筒正常段采用600 mm厚素混凝土永久支护。设计共20个单侧马头门、一个双侧马头门以及管子道平台3个。井筒标高-585.500 m以上支护混凝土强度为C30，-585.500 m以下支护混凝土强度为C40。马头门净宽8.4 m，长7 m，倾斜式，前高后低，马头门开口净高7 m，与巷道连接处净高5.1 m。马头门拱部为三心拱，大拱半径5 812 mm，小拱半径2 192 mm，支护厚度500 mm，钢筋保护层厚度40 mm。马头门处的操作硐室拱部为三心拱，操作硐室净宽3 m，大拱半径2 076 mm，小拱半径783 mm，墙高2 m，操作硐室中心线距井筒中心线10 m，支护厚度400 mm，钢筋保护层厚度40 mm，混凝土强度与井筒同等级。

2 马头门模板设计制作方案

2.1 马头门模板设计方案

2.1.1 拼装式钢模板

拼装式钢模板包括主硐室侧墙模板、主硐室顶面模板、小硐室侧墙模板、小硐室顶面模板等。钢模板材料：面板为4 mm厚的钢板，横肋板为63 mm×6 mm钢板，竖肋板为63 mm×6 mm钢板。肋板间距300 mm(竖肋间距最大间距300 mm)，面板间采用AM12×40 mm连接螺栓，拼装式钢模板如图1所示。

2.1.2 钢支撑架

钢支撑架包括主硐室不同截面的支撑架及拱支撑圈、小硐室支撑架及支撑圈等。钢支撑架分为支撑架和拱支撑圈。支撑架是模板的骨架，又分为立柱和横梁，立柱与横梁采用16#工字钢制作，立柱与立柱、立柱与横梁的连接板采用12 mm厚的钢板制作，立柱地脚板采用16 mm厚的钢板制作，其余连接板均采用10 mm厚的钢板制作。立柱的高度第一层1.5 m，第二层1.9 m，且保持水平(主要考虑便于搭设作业平台)。横梁根据马头门宽度分为2段。拱支撑圈主要作用为连接钢支撑架(立柱)与钢模板，可通过调节螺栓微调拱部高度，采用10#工字钢制作成拱形，拱弧度与马头门一致，拱部支撑圈在其端部焊接钢板，通过钢板上螺栓进行连接。钢支撑架见图2。

图1 拼装式钢模板(单位：mm)

图2 钢支撑架(单位：mm)

2.1.3 连接支撑架及背楞调整螺栓(正反扣)

连接支撑架主要指两侧排与排间、立柱间的连接结构，采用16#槽钢制作，上下间距1.0 m，其长短根据马头门支护末端至井筒整体模板距离而定(亦可适当减小)，连接架与立柱通过螺栓连接，与模板间通过钢板制作托盘连接。背楞调节螺栓为正反扣，连接长度345 mm，可调节范围±50 mm。

2.2 马头门模板加工工艺

在根据初步设计要求加工马头门钢模板时，除去马头门与井筒相贯线部位模板外，其他部位模板按一定尺寸切割加工，尽量减少模板数量，同时确保单块模板重量在一定范围内，便于安装拆卸。马头门模板加工难点在于马头门与井筒整体模板相贯线部位以及无立柱支撑拱部模板的固定(靠井中马头门两侧拱部模板)。马头门与井筒整体模板相贯线部位的模板结构异形，相贯线不规则，无法通过图纸计算模板的具体尺寸，给加工带来了极大困难。靠井中马头门两侧拱部模板无对应立柱支撑，在马头门模板加工制作时有必要考虑该模板的固定问题。

针对上述情况，通过现场放样、CAD软件细化的方式确定了相贯线部位模板尺寸，具体措施：在现场仿作直径10.06 m的井筒整体模板，在其一侧按马头门规格放样，确定相贯线，根据实际放样大小，使用CAD软件将相贯线部位的具体尺寸细化至单块模板上。对于无立柱支撑拱部模板，通过分析比较，在靠井中立柱加横向钢梁作支撑面，在其上方平托拱支撑圈和连接调节丝杠以固定拱部模板。按上述措施加工完成了整套模板，在地表组装后如图3所示。

图3 马头门钢模板

3 模板结构受力验算

3.1 模板侧压力计算

模板侧压力分为振动侧压力和新浇筑混凝土侧压力，振动侧压力FZ为2 kPa。根据测定，新混凝土作用于模板的侧压力随混凝土浇注高度的增加而增大，当浇注高度达到某一临界值时，侧压力便不再增大，此时的侧压力即为新浇注混凝土的最大侧压力。侧压力达到最大值的浇注高度称为混凝土的有效压头。通过理论推导和相关试验，选取《混凝土结构工程施工及验收规范》(GB 50204-92)提及的新浇注混凝土作用于模板的最大侧压力计算公式，计算得最大侧压力为47.75 kN/m2。

3.2 设计强度验算

3.2.1 面板验算

(1)强度验算。选择面板小方格中最不利的情况即单跨双向板四面简支计算，面板直接承受混凝土的荷载，按均布荷载计算，钢模板面厚4 mm，钢楞横向间距300 m，竖向最大间距300 m。经计算，面板直接承受混凝土的荷载为18.03 N/mm，截面抵抗矩Wx=Wy=800 mm3，根据相关参数计算结果可知，制作的钢模板面板满足工程强度要求。

(2)挠度验算。刚度为1 207 N·m2，根据受弯构件的挠度限值可知，该情况下挠度限值(fmax)为1.5 mm，因此，面板挠度符合要求。

3.2.2 纵肋计算

纵肋间距300 mm，采用63 mm×6 mm钢板，两侧的支撑点位于横向肋板上。由于计算复杂，简化为两段固结、跨度0.3 m的单跨超静定梁计算，宽6 mm，高63 mm，荷载18.03 N/mm，截面抵抗矩3 969 mm3，惯性矩12.5×104mm4，纵肋最大弯矩67 612.5 N·mm。

(1)强度验算。δmax值为17 N/mm2<215 N/mm2，因此，使用该设计参数的纵肋在强度上可满足工程需要。

(2)挠度计算。fmax值为0.1 mm<1.5 mm因此，使用该设计参数的纵肋在挠度上可满足工程需要。

3.2.3 横肋计算

横肋与纵肋支撑方式完全一致，故验算方式与纵肋验算一致，相关计算结果表明，其强度和挠度均符合该工程条件下的施工要求。

4 结 语

针对思山岭铁矿SJ1副井工程马头门数量多、施工难度大的问题，引入大型异形结构拼装马头门钢模板，采取有效措施解决了其制作加工的难点，并根据工程实际条件对其整体结构受力进行了验算，结果显示钢模板按原设计加工方案可满足工程实际需要。通过前期的精确加工及结构受力验算，大型异形结构拼装马头门钢模板在思山岭铁矿SJ1副井工程+187，-480，-600 m马头门成功投入使用，马头门施工工期大大缩短，整体支护效果良好，无安全事故及质量事故发生，钢模板在重复使用3次后变形微小，仍可继续使用。

[1] 田 柯.深井大断面马头门支护理论及技术研究[D].太原：太原理工大学，2011.

[2] 戴洪波，温洪志.大断面马头门整体施工技术[J].煤炭工程，2013(3)：35-36.

[3] 陈密武.马头门与井筒同时下行分层掘进技术[J].建井技术，2013，34(3)：7-9.

[4] 侯进山.副井马头门分层施工技术研究[J].煤炭工程，2014(1)：41-43.

[5] 钱魏魏.复杂地质条件下马头门处新型井壁结构研究及应用[D].淮南：安徽理工大学，2013.

*财政部施工新技术研究与开发资金项目(编号：2013[235])；北京市科技计划重大科技成果转化落地培育项目(编号：Z141100003514012)。

2015-07-20)

郭建清(1966—)，男，教授级高级工程师，101760 北京市亦庄开发区康定街1号。