隧道病害处理套衬模板设计施工研究

文/干强

1 工程概况

套衬模板采用组合钢模板，规格为150（长）cm×30(宽)cm，面板采用厚度3mm 钢板，钢板四周及纵向间距37.5cm 设置钢肋板，肋板厚度5mm，钢板中心环向设置槽钢。模板将在底部搭设16 工字钢拱架作为承力结构，承受结构自重及施工荷载，工字钢架纵向间距1.5m，钢拱架由5 节工字钢单元组成，工字钢环向之间通过螺栓和钢板连接；纵向采用Φ22mm 钢筋焊接连接，分别在钢架底部及接头位置（拱部与边墙单元）采用Φ25mm 锁脚锚杆固定，长度3m，每处2根，一根与既有衬砌面垂直，一根与另一根向下成20°角[1]。模板与模板之间采用螺栓连接，模板两端环向焊接在钢架上，钢架与模板若不密贴，可增设钢垫板焊接支撑，以确保模板固定牢固、安全有效。模板中心槽钢位置钻设螺栓孔，在既有衬砌上利用植筋胶植入M20 化学锚栓，植入深度20cm，锚栓纵向间距150cm，环向间距30cm；外露加工为丝杆形式，锚栓材质及锚固性能要求锚栓钢材材质不得低于《混凝土结构加固设计规范》(GB50367-2013)，《混凝土结杓后锚固技术规程》(JGJ145-2013)及《电气化铁路接触网，用力矩控制式胶粘型锚栓》(Q/CR570-2017)中规定的8.8 级锚栓(螺母、垫圈相应配套)。锚栓锚固应采用A 级胶，锚固胶性能要符合《混凝土结构工程用锚固胶》(JGT340-2011)的有关规定[2]。衬砌模板设计图如图1 所示。

图1 衬砌模板设计图

2 模板受力计算

在衬砌时的混凝土自重及边墙压力靠模板承受。其力学模型可取最顶部2m 长、1.5m 宽的这部分模板进行受力分析及强度校核，其受力简图如图2 所示[3]。

图2 力学简化模型

2.1 混凝土自重P1

结合图2，分析部分的长为2m，宽为1.5m，混凝土厚为2.45t/m3，则混凝土自重w=2×1.5×0.8×2.45=5.88（t）。折算 成单 位 面 载 荷P1=5.88/（2×1.5）=1.96t/m2。

2.2 模板的弯曲应力

根据上述模板所受面载荷为1.96t/m2，那么在250mm 宽、1500mm 长的面积上所受到的载荷为1.96×0.25×1.5=0.735（t），将此荷载作用在1.5m 长的梁上，则其线载荷q=0.735/1.5=0.49（t/m）[4]。

75×6 的角钢截面，根据图示坐标系，计算组合截面形心O0的X、Y 坐标。x=∑Aixi/∑Ai；y=∑Aiyi/∑Ai。查表可知角钢75×6 的横截面积A=879.7mm2，惯性矩Ix=469500mm4。将各值代入，则：

x=（150×8×75+879.7×95.7）/（1200+879.7）=83.76mm

Y=（150×8×79+879.7×20.7）/（1200+879.7）=54.34mm

根据组合截面的平行移轴公式计算组合截面的惯性矩：

Ix=150×8/12+83×150×24.662+469500+879.7×33.642=2201150.87mm4

W1= Ix/（83-54.34）=76802mm3

W2= Ix/54.34=40507mm3：

Mmax=qL2/8=1.67×104×1.52/8=4.7×103（n·m）

梁的最大弯曲应力σ=Mmax/ W2=4.7 × 103/4.0507×10-5=116.03[MPa]。

A3 钢[6s]=160MPa，所以梁的强度合格。

3 施工技术

二线拆除之前，首先应该被用于拆除期前后衬I20b 临时钢筋，且钢筋长度不小于5m，钢框架间距不大于1m/交叉，保证稳定的钢作为一个整体，每组纵向Φ22 连接相邻的两个常见的钢筋，钢筋环的间距不大于1m[5]。

施作新的二衬前，应安装环向排水盲管，并采用φ50HDPE 打孔波纹管，共设置2 道φ50 环向盲管；环向盲沟安装于初期支护表面与防水层之间，并尽量利用支护凹形位置。施工时，环向盲沟利用土工布带通过水泥钉、塑料垫片固定于支护面，固定处间距不大于50cm，同时还应仔细检查并确认其牢固[6]。

拆除旧砼后，将新旧砼接缝处刷界面剂，并在新旧砼结合处设置止水条，宽2cm，以改善其防水性能；然后采用水泥钉固定，定钉的间距不大于60cm。拆除旧砼后，将新旧砼结合处凿毛并采用高压水冲洗干净，以保证新旧砼之间连接良好[7]。

为保证该处缺陷拆换浇砼后整体稳定安全，拆除后的衬砌环向设置Φ22mm 的主筋，间距20cm，纵向设置Φ12mm 的水平筋，间距25cm，并在纵环向钢筋的节点设置Φ8mm 的钩筋，钢筋层间距25.8cm，钢筋净保护层55mm。另外，钢筋接头应设置在承受应力较小处，并应分散布置。配制在“同一区段”内受力钢筋接头的截面面积，占受力钢筋总截面面积的百分率，应符合设计要求。钢筋加工弯制前还应调直，并将表面油渍、水泥浆和浮皮铁锈等均清除干净；同时，加工后的钢筋表面不能有削弱钢筋截面的伤痕[8]。

二衬建筑材料采用C40 微膨胀细石混凝土，且塌落度控制在180～220mm，混凝土强度等级应比原设计高一级(原设计为C35 混凝土)。

拱部拆换段预留Φ50 注浆管，二衬完成后检查衬砌厚度，强度达到设计要求时对衬砌背后空洞进行注浆回填密实；另外，衬砌注浆采用同原设计强度等级相同的M20 水泥浆，确保二衬与围岩密贴。

细石混凝土振捣通过在木模上开设20cm×20cm的小窗口，插入振捣棒进行振捣，每层混凝土的厚度为30cm，同时采用插入式振捣棒进行振捣。在振捣上层混凝土时，应插入下层中5～10cm 左右，同时要在下层初凝之前振捣上层混凝土，振捣时间每点为20～30s，以混凝土表面不再显著下沉、不再出现气泡、表面泛出灰浆为准，防止振捣不实和过振。振捣完成后，及时封堵严密窗口，防止漏浆。混凝土保湿养护不少于14d，检查外观质量、密实性敲击检查及实体强度检测（回弹仪），并填写相关记录表，所有检查检测项目评定合格，则判定该段衬砌结构返工质量达标[9]。

4 结语

本文根据大多数隧道的病害特性介绍了衬套模板的设计，并对模板、拱板及通梁等关键部件进行了应力分析。结果表明，结构设计合理，在最不利荷载作用下，模板骨架及变形均符合施工要求。