秦岭隧洞工程闸前渐变段小模板衬砌施工

2020-06-04宋健健李永富孟洋洋李治洪

陕西水利 2020年4期

宋健健，李永富，孟洋洋，李治洪

（陕西省引汉济渭工程建设有限公司,陕西西安 710100）

1 工程概况

引汉济渭工程秦岭隧洞控制闸分别为黄三隧洞控制闸、越岭段控制闸和三河口连接洞控制闸，分别位于秦岭隧洞黄三段、秦岭隧洞越岭段和三河口连接洞的末端。每一个控制闸有一个渐变段，分别是黄三段、秦岭隧洞越岭段和三河口段闸前渐变段。渐变段体型为马蹄型断面过渡到矩形断面，马蹄型断面的尺寸为顶拱半径R1=3.38 m，侧墙及底板半径R2=3R1=10.14 m，底板高程为542.65 m。矩形断面的尺寸为7.0 m×6.9 m（宽×高），底板高程为542.65 m。渐变段长度按均匀洞径的1.5 倍～2.5 倍计以保证水流平顺过渡，取为12.0 m，衬砌厚度0.5 m。（见图1～图4，图中尺寸除注明外均以m计。）

2 闸前渐变段衬砌小模板及拱架设计

2.1 拱架设计

按照《秦岭隧洞黄三段Ⅱ标段控制闸闸前渐变段设计施工图》图号YHJW-HSD-Ⅱ-KZZ-13、14设计图纸，将长度12.0 m的闸前渐变段纵向按照间距0.5 m切割成25 个断面，按照每个断面的尺寸做好施工图纸，按照图纸用材料工16 工字钢制作25 个对应断面的拱架，见图5。

图1 闸前渐变段三维效果图

图2 马蹄形断面

图3 过渡段断面

图4 矩形断面

图5 拱架加工断面图

2.2 模板材料及支撑体系

控制闸闸前渐变段衬砌施工采用模板拱架及满堂式钢管架支撑组合作业。经提前备料、测得含水率为20%，满足《水工混凝土施工规范》（SL 677-2014）要求。模板采用复合模板，即在2 cm厚木模面板上敷设竹胶板。板面长2.0 m，宽度根据渐变段缩变，分平面板和圆锥角板。支撑体系采用满堂式钢管架支撑，钢管架采用φ48×3.5钢管，每米自重38.4 N，直角扣件每个自重13.2 N，旋转扣件每个自重14.6 N，对接扣件每个自重18.4N。脚手架搭设时纵横向间距0.9 m，步距2 m（上下两层横杆之间的距离）。

2.3 脚手架受力计算

已知条件：材料为Q235钢，E=200 GPa，钢材轴向容许应力[σ]=140 MPa脚手架管外径48 mm，壁厚3.5 mm。

2.3.1 荷载计算

①钢筋砼重量：1 m×25 kN/m2=25 kN/m2（由设计厚度计算）。

②模板荷载计算：0.3 kN/m2（经验值）。

恒载：q1=25+0.3=25.3 kN/m2。

③人员及施工机具：2.5 kN/m2（经验值）。

活荷载：q2=2.5 kN/m2。

荷载系数分布：恒载×1.2+活荷载×1.4。

因此，q=25×1.2+2.5×1.4=33.5 kN/m2。

2.3.2 压应力计算

将整个面板总量分摊至单根钢管上进行验算，纵横间距为0.9 m，单根钢管承受的范围为0.81 m2，所以单根钢管承受的荷载为33.5×0.81=27.135 kN。

钢管的截面积A=（π×482-π×412）/4=489.055 mm2。

压应力σ=F/A=27.135×1000/489.055=55.48 MPa<[σ]=140 MPa，满足要求。

2.3.3 压杆稳定计算

压杆稳定计算是为了验证在该作用力的作用下，受压杆件会不会出现侧向弯曲。首先要计算压杆的柔度，以判断压杆是否是细长杆，根据压杆属于短杆、中长杆或者细长杆来选定计算公式，计算其临界应力。而临界应力就是在搭设脚手架所选定的各尺寸下压杆能承受的极限应力，只要计算出来的临界应力大于压杆所受的压应力则结构安全。

首先计算杆件的惯性半径：

如计算出来 61.6<λ<100,σcr=a-bλ，a、b查表；如λ<61.6,则杆件为短杆，不需进行压杆稳定性验算。

σcr=π2E/λ2=3.142×200×109/126.62=123×106 Pa=123 MPa

σ=55.48MPa<σcr，则结构安全。

根据上述两方面的验算结果得知，钢管架结构支撑结构安全，故所选材料满足要求。

图6 钢拱架安装、小模板安装及钢管架支撑断面图

2.4 入仓混凝土高度计算

新浇筑混凝土对模板侧压力按照下式计算（按混凝土施工时最不利情况考虑）：

混凝土的有效压头高度h按下式计算：

式中：F为新浇混凝土对模板的最大侧压力，kN/m2；γc为新浇混凝土的重力密度，kN/m2，取值25 kN/m2；t0为新浇混凝土的初凝时间，h，可按实测确定，当缺乏试验资料时，可采用to=200/（T+15）计算，T气温混凝土的温度，℃，取20℃，一般计算取值5 h；H为混凝土侧压力计算位置至新浇混凝土顶面时的高度，m，取4.0 m；β1为外加剂影响修正系数，不掺外加剂时取1.0，掺加外加剂时，取1.2；β2为混凝土坍落度影响修正系数，坍落度小于30 mm，取0.85；50 mm～90 mm，取1.0；110 mm～150 mm，取1.15；V为混凝土的浇筑速度，取2 m/h。

经计算，F=0.22γct0β1β2V1/2=53.66 kN/m2，F=γcH=100 kN/m2，按取最小值，故最大侧压力为F=53.66kN/m2；载荷设计值为F1=53.66×1.2=64.39 kN/m2，则有效压头高度h=2.576 m。

3 拱架及模板安装

将现场加工好的拱架运输到施工现场，按照拱架编号进行支立拱架，间距0.5 m设立拱架，共25 榀拱架，支立好的拱架用Φ22 的螺纹钢进行纵向加固。拱架及模板安装前，严格按设计图纸测量放样，并在平面模板与锥形模板的切线方向加密控制，便于校正；安装过程中，保持足够的临时固定设施，以防颠覆。模板与混凝土的接触面，以及各模板接缝处，确保平整、密合，以保证混凝土表面的平整度和混凝土的密实性；模板的面板涂脱模剂，避免脱模剂污染或侵蚀钢筋和混凝土，涂刷要均匀，脱模剂涂刷过厚的地方应用面纱赶匀。模板安装的允许偏差，按照规范标准进行检查，并考虑结构物的安全、运行条件、经济和美观等因素。保持模板本身整洁及配套设备零件的齐全，安装运输应防止因隧洞内施工场地限制产生碰撞损坏，模板堆放高度合理，并要防止浸水，尽量避免面板和拱架变形。

4 控制闸闸前渐变段衬砌效果分析

4.1 加快施工进度

2018年6月2日完成控制闸越岭段闸前渐变段衬砌混凝土施工，7月8日完成黄三段控制闸闸前渐变段衬砌混凝土施工，8月21日完成三河口段控制闸闸前渐变段衬砌混凝土施工。陕西省引汉济渭工程秦岭输水隧洞控制闸衬砌混凝土附属工程，是2018 年重难点工程，能在较短的时间内完成这项难点工程，为年度进度目标节省了时间，保证了项目年度进度目标的顺利完成。

4.2 改进质量

在引水隧洞闸前渐变段小模板衬砌质量控制过程中，成功的攻克了闸前渐变段混凝土几何尺寸符合设计要求和提高闸前渐变段衬砌施工安全系数这两个难点问题。控制闸闸前渐变段马蹄型断面过渡到矩形断面拆模之后，混凝土几何尺寸符合设计要求，大大提高了在水利工程施工，尤其是衬砌混凝土施工的水平，对后期水利工程类似工程施工提供了宝贵的经验。

表1 闸前渐变段衬砌施工方案对比分析表

4.3 经济效益

按照设计图纸渐变段体型为马蹄型断面过渡到矩形断面，即由圆形变矩形，闸前渐变段外形尺寸属异形断面，施工可选择两个方案：方案一是直接按照断面尺寸定制定型钢模板，用定制好的定型钢模板拼装成型，进行混凝土施工；方案二是复合模板、钢拱架及满堂式钢管架支撑组合施工，按照测量定位拼装好钢拱架，安装复合模板，对复合模板进行加固，对作为骨架的钢拱架进行用满堂式钢管架支撑。通过施工情况对两种方案进行两种方案进行了成本预算、外观尺寸控制和安全系数统计分析，具体分析见表1。

在要求的工期内和现有的人工、材料和机械条件下，通过项目费用测算，如果选用复合模板衬砌方案，人工、材料和机械消耗费用共计296965.84元；而如果选用定型钢模板衬砌方案，将必须额外租赁一台汽车吊，将会消耗费用682370元。通过对比，选用复合模板衬砌方案节省385404.16元，为项目创造了巨大的经济效益。

异形钢模板在厂家加工时间长，单个钢模板重量太大，不容易操作，安全系数低，且仅能用作本工程一次性使用，投入成本较大；而复合模板、钢拱架及满堂式钢管架支撑组合施工取材方便，可操作性强，施工便捷，安全系数高，同时能降低消耗，节约施工成本，提高经济效益。对比之下，复合模板、钢拱架及满堂式钢管架支撑施工更优。