工厂法预制沉管钢筋笼变形控制

冯伟，戴书学，李凯凯

（中交二航局第二工程有限公司，重庆 401121）

1 工程概况

港珠澳大桥沉管隧道是目前世界上规模最大、技术难度最大、环境条件最复杂的大型海底隧道，最大埋置深度46 m。沉管节段长22.5 m、宽37.95 m、高11.4 m，采用两孔一管廊断面形式，钢筋总重1 100 t。采用工厂法预制工艺[1]，钢筋在绑扎区分底板、侧墙和中隔墙、顶板三个区域依次绑扎、顶推，最后顶推入模。钢筋笼的精度对沉管成品尺寸、保护层厚度等影响极大，在各道工序确保钢筋笼施工精度和防止变形是控制钢筋笼施工质量的关键。

2 工厂法预制沉管钢筋施工的主要特点

与常规工程项目钢筋施工相比，港珠澳大桥沉管隧道钢筋施工的特点和难点有：

1）单个节段钢筋量大，施工周期短，每天加工和绑扎约150 t，对施工设备和人员要求高。

2）钢筋密集，预埋件众多，钢筋笼施工尺寸和保护层精度控制要求高。

3）行车道宽度达14.5m，顶板钢筋变形控制难度大。

4）钢筋笼从底板绑扎至入模完成，需经4次顶推作业，顶推过程中的变形控制难度大。侧墙区顶推时钢筋笼高度大且顶端处于自由状态，顶推时钢筋笼变形大，安全风险大。

5）钢筋笼体系转换过程较复杂，转换过程中钢筋笼稳定和变形控制需重点关注。

3 钢筋笼变形控制

根据钢筋笼设计图纸和施工工艺，通过分析可能导致钢筋变形过大的因素，制定出钢筋笼变形控制的重点为：钢筋笼自身刚度、绑扎胎架刚度及稳定性、顶推时钢筋笼变形量、体系转换过程中变形量控制等几个方面。

3.1 钢筋笼自身刚度控制

3.1.1 劲性骨架

预制沉管钢筋笼高11.4 m，顶板单跨最大跨度14.5m，采用扎丝绑扎。由于钢筋笼自身的刚度较弱，不能满足钢筋施工对其刚度的要求，经计算，采用型钢劲性骨架对钢筋笼进行加强。劲性骨架的尺寸和间距经足尺模型实践检验，可以满足施工工艺对钢筋笼刚度的要求。

劲性骨架采用∠75型钢加工成桁架式结构，间距为2m，骨架间设斜撑（间距2m），劲性骨架与侧墙钢筋之间采用焊接固定，劲性骨架布置见图1。

图1 劲性骨架总体布置Fig.1 Overall layoutof stiffened skeleton

劲性骨架材料采用国家标准型原材，在专用台座上制作。为防止焊接过程中弯曲变形，通过限位卡和定位控制销固定劲性骨架角钢，采用二氧化碳气体保护焊从中间向两端逐一施焊。加工完成经验收合格后堆放于堆场备用，严格按要求堆放，防止堆存时劲性骨架变形。根据钢筋笼质量验收标准[2]要求，劲性骨架尺寸及制作精度要求见表1。

表1 劲性骨架尺寸控制表Table 1 Size control tableof stiffened skeleton

劲性骨架安装与钢筋绑扎、预应力孔道和预埋件安装等施工需交叉进行，见图2，施工时各工序需协调好施工顺序。劲性骨架安装时要严格控制安装位置、间距、直线度等，接头用同型号角钢按帮条焊要求焊接牢固，所有焊缝经验收合格后进行后续工序施工，杜绝质量隐患。

图2 劲性骨架安装图Fig.2 Installation diagram of stiffened skeleton

3.1.2 钢筋绑扎

钢筋绑扎对钢筋笼自身刚度的影响主要来自于绑扎铁丝型号和绑扎的牢固程度。根据不同的钢筋直径和部位，选用18~22号绑扎铁丝。绑扎要求为外层钢筋必须满扎，其余各层跳扎间距不得超过两根钢筋，绑扎铁丝必须扭紧，避免钢筋松动。

钢筋绑扎的主要注意事项：

1）钢筋绑扎前钢筋笼滑移台车、墙体定位支架和顶板绑扎胎架须经过测量放样，确保位置安装准确；侧墙定位支架就位后竖向必须调整顺直，保证墙体钢筋绑扎顺直。钢筋绑扎牢固，不得产生位移，避免钢筋在绑扎过程中出现变形。

2）箍筋和拉钩筋必须严格按照要求安装并绑扎牢固，箍筋的搭接长度要满足规范和设计要求。

3）所有横向主筋接头不得设置于劲性骨架接头附近，顶板、底板内侧横向主筋接头不能设置于跨中，而外侧横向主筋接头设置于跨中附近。

4）钢筋经顶推作业后，进行绑扎情况检查，如发现有松动需重新绑扎。

3.2 钢筋绑扎胎架刚度及稳定性控制

钢筋笼绑扎胎架作为钢筋笼的“模板”，是钢筋施工所需的极其重要的临时结构，其刚度和稳定性直接决定了钢筋笼的精度和稳定性。钢筋笼绑扎过程中主要的受力结构有顶推滑道、侧墙胎架、顶板胎架等[3]。

3.2.1 顶推滑道

顶推滑道为带聚四氟乙烯滑块的厚钢板（宽×厚=100 mm×100 mm），安装于底板钢筋下方，是底板钢筋的受力支点，将承受整个钢筋笼的重量，其位置布置是否合理将决定底板钢筋笼的变形量。根据钢筋笼设计图，通过计算确定顶推滑道的布置位置，原则是保证各条滑道受力基本一致。经计算，共设14条顶推滑道，可以满足钢筋笼变形控制要求。

3.2.2 侧墙胎架

侧墙胎架又分为外侧墙胎架和中隔墙胎架。

外侧墙胎架固定部分通过地脚螺栓固定在地基上，活动部分则通过调节螺杆与固定部分锁紧，钢筋笼由底板区域顶推到侧墙绑扎区（或从侧墙区顶推到顶板绑扎区）之后，钢筋绑扎前精确调整活动部分至设计位置并锁紧固定牢固。

中隔墙胎架安装于胎架底座上，通过胎架底座将其所受荷载传递到顶推滑道上，采用钢筋作为配重保证胎架底座稳定。

通过以上措施，侧墙胎架可以保证钢筋绑扎过程中墙体钢筋的稳定。3.2.3 顶板胎架

顶板胎架结构类似于沉管内模，安装于胎架底座的钢轨上（胎架底座与侧墙胎架共用），安装和拆除均通过卷扬机牵引来完成。顶板胎架由PERI公司设计，其强度、刚度、稳定性满足要求，其对钢筋笼的变形量影响主要体现在以下两个方面：

1）胎架底座稳定性

每个胎架底座由4根钢棒支撑于顶推滑道上的凹槽内，底部约束小，在侧墙钢筋绑扎及顶推过程中因其受力较小，稳定性安全系数较高。在顶板钢筋绑扎完成后，整个钢筋笼的重量全部由这些钢棒传递，为了降低失稳风险，在行车道两侧的胎架底座间增设了精轧螺纹钢筋拉杆，保证了支撑钢棒的稳定性。

2）廊道顶板胎架拆除时机

受廊道顶板胎架结构和模板系统廊道针式梁的影响，廊道顶板胎架需在钢筋笼顶推入模前拆除，在胎架拆除后将带来钢筋笼的局部变形。经过模拟分析和现场观测数据对比，确定廊道胎架拆除时机尽量选择在入模前夕（即钢筋笼顶推到模板修整区之后）进行，尽量缩短胎架拆除到入模的时间间隔。

3.3 钢筋笼顶推变形控制

钢筋笼绑扎采取分区绑扎、逐步顶推的流水施工，钢筋笼顶推见图3。

图3 钢筋笼顶推Fig.3 Pushing the steelcage

单个节段钢筋笼顶推距离约200 m，在顶推过程中钢筋笼承受动荷载，且底板与顶板不同步，钢筋笼极容易变形，钢筋笼顶推过程中变形控制难度大。钢筋笼顶推工序采取的变形控制措施主要有以下几个方面。

3.3.1 顶推同步性控制

钢筋笼顶推的同步性对其变形量有重大影响，顶推过程中必须保证各顶推滑道前进里程基本一致。钢筋笼由4台液压千斤顶顶推，分为两组采用集成的顶推同步控制系统保证顶推系统同步性，具有行程监测和自动调整能力。为确保顶推同步性，采取了以下措施。

1）顶推横梁的安装需经测量检测，使其与顶推滑道垂直。

2）除利用设备本身的行程监测系统外，由测量人员在每条顶推滑槽上间隔3m布设观测点（同一断面的观测点连线与顶推滑道垂直），顶推过程中派专人负责观测顶推梁边线与观测点连线的偏差情况，如出现较大偏差需及时调整。

3）滑槽接头不得出现过大错台，顶推前必须清理干净并均匀涂抹滑润油脂，保证各滑道摩阻力大致相同。

4）顶推前全面检查绑扎胎架上的临时定位、限位设施是否全部拆除，顶板钢筋笼内和顶推前进道路上的杂物是否清理干净，避免顶推时因擦挂影响同步性。

3.3.2 顶推速度控制

顶推过程中除观测顶推千斤顶行程同步性之外，还需注意观察钢筋笼底板与顶板前进的同步性。在顶推过程中，因底板与顶板速度不一致，导致钢筋笼会发生前后的小幅度晃动，一旦超出允许幅度需停止顶推，待钢筋笼恢复静止状态后再进行顶推。钢筋笼的晃动幅度通过加强侧墙钢筋的整体性可得到大幅减小，因此也可看出侧墙钢筋绑扎和劲性骨架安装质量的重要性。

3.3.3 专用波纹管连接件匹配时的影响

沉管节段沿断面布置有60根预应力孔道，专用波纹管连接匹配施工因先浇端（已制节段）和后浇端（钢筋笼）在顶推入模时存在高差（后浇端受滑道影响略高于先浇端），连接件是高精度制作的紧密配合组件，匹配时内、外管间的摩擦力增大了顶推的阻力，对顶推的同步性有较大影响，特别是对顶板前行影响更大。为解决这一问题，采取以下措施。

1）在专用波纹管连接件内、外管上涂抹润滑黄油。

2）连接件在钢筋绑扎时端头1.5m暂时不固定，其与波纹管连接处的变径截面处用U形定位筋固定牢固，使顶推时专用连接件不会出现后退现象。

3.4 钢筋笼体系转换变形控制

钢筋笼体系转换过程中，悬挂吊具安装和拆除、钢筋笼顶板绑扎胎架的拆除、滑道和充气胶囊拆除、模板安装和调整都会对钢筋笼的形态产生一定影响。这一工序作业过程多，涉及到的作业班组多，控制难度大，必须协调好各作业的关系，加快体系转换进度，尽可能减小体系转换过程中钢筋笼的变形量。

3.4.1 悬挂吊具安装和拆除

钢筋笼顶推到位后，立即安装顶板钢筋悬挂吊具，并通过液压千斤顶调整至各吊杆均匀受力。注意吊杆下方必须安装在劲性骨架上，并保证吊杆的铅垂度。吊杆拆除时通过集中的液压泵站同步放松，避免出现吊杆受力不均的现象。3.4.2 顶板绑扎胎架拆除

吊杆安装并完成调整后，安装并调整中廊道内模，然后依次拆除行车道顶板钢筋绑扎胎架。拆除前安排专人负责观察胎架与钢筋笼是否存在擦挂，确保胎架拆除安全，防止因擦挂造成钢筋笼变形。

3.4.3 滑道和充气胶囊拆除

所有充气胶囊采取串联的方式连接，由同一设备给充气管道充气（滑道拆除后放气也同时进行），保证钢筋笼顶升（或下降）同步，减小钢筋笼变形。

3.4.4 模板安装和调整

根据体系转换的进程，依次安装、调整各部位模板。模板安装和调整过程中，尽量保证液压系统的同步性，使两侧模板同时打开，避免钢筋笼一侧受力造成变形。

4 结语

工厂法沉管预制钢筋笼体形庞大，其变形控制事关模板安装、保护层厚度控制等关键项目的质量，必须引起高度重视。因工厂法钢筋施工较常规工程项目更为复杂，其变形控制涉及到多个工序，施工中通过系统地分析各工序作业中钢筋笼变形的影响因素，并针对性地制定控制措施，取得了良好的效果。

[1] 尹海卿.港珠澳大桥岛隧工程设计施工关键技术[J].隧道建设，2014，34（1）：60-66.YINHai-qing.Key technologiesapplied in design and construction of artificial islands and immersed tunnel of Hong Kong-Zhuhai-Macau Bridge(HZMB)Project[J].Tunnel Construction,2014,34(1):60-66.

[2]港珠澳大桥管理局.港珠澳大桥主体工程隧道工程施工及质量验收标准[S].修订版.2013.Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge Authority.Construction and qualityacceptancecriteria for tunnelprojectof Hongkong-Zhuhai-Macao Bridgemain project[S].Rev.ed.2013.

[3] 德国PERI系统模板有限公司.模板系统操作手册[K].2011.Germany PERISystem Template Co.,Ltd.PERItemplate operating manual[K].2011.