基于纸板模具的新型单元排结构施工技术研究*

方佳敏，田 栋，唐亚俊，李 瑶，王忠岱，谢立全

(1.长江航道局，湖北 武汉 430014； 2.长航监理有限公司(武汉)，湖北 武汉 430013； 3.同济大学交通运输工程学院，上海 201804； 4.同济大学土木工程学院，上海 200092)

0 引言

护滩工程分为水下、水上两部分，充分利用枯水季节进行施工成为建设单位关注重点。土工织物软体排因具有整体性强、柔韧性高、抗冲击性能好、使用年限较长、可较好地紧贴河床等优点，在护滩工程中得到广泛应用[1-9]。陆地施工不影响通航，无须使用大型船舶及水上设备，具有较大技术、经济优势，因此，需研究大面积临水岸滩软体排陆地施工技术。对于岸滩工程，陆地施工工程量越大，水上施工工程量越小。位于枯水位以上的岸滩可采用软体排施工，即采用陆地施工技术。

工程界普遍认为，混凝土浇筑模具须采用刚度较大的钢材、木材等[10-12]，但难以满足大面积单元排混凝土施工需求，且存在多工序质量控制难度大、施工成本高等问题，引起了大量学者关注。需严格把控单元排混凝土脱模时间，利用起重机辅助脱模，但起重机吊运模具时常造成混凝土块边缘出现毛边、四角开裂等。针对大面积单元排混凝土浇筑工艺复杂、脱模效率低等难题，研发新型模具，以提高浇筑质量、降低施工成本等。

1 传统单元排结构

传统单元排结构由排垫和压载体组成，排垫透水且可阻挡泥沙，不仅能抵挡水流冲击，避免岸滩被冲刷破坏，且能实现水土保持，防止岸滩泥沙被冲走，保护岸滩。排垫一般采用250g/m2聚丙烯编织布，纵向抗拉强度52kN/m2，横向抗拉强度42kN/m2，等效孔径0.12mm。压载体一般采用混凝土块，为提高压载效果与整体性，需将相邻混凝土块连成整体，减少对排垫的撕扯破坏。对于干地岸滩，现场可直接浇筑混凝土，并将其铺设在排垫上，无须转移或吊运混凝土块，可保证混凝土块不被破坏。混凝土块尺寸为48cm×48cm×10cm(长×宽×厚)，重约55kg，混凝土块内部纵横向交叉布置φ14mm丙纶绳，交叉点为混凝土块质心，由80块混凝土块构成5m×4m(长×宽)排垫压载单元，如图1所示。排垫沿单元排宽度方向每隔50cm设有1根5cm宽纵向聚丙烯加筋条，并在加筋条上设置绑扎环，排垫压载单元通过加筋条、绑扎环、丙纶绳连为整体。混凝土块间设置2cm缝隙，因此，混凝土块中心间距一般按50cm设计。由于混凝土块尺寸较小，且丙纶绳较柔软，对于长江岸滩发生的局部沉降、少量泥沙流失等变形工况，单元排具有较好的适应性。

图1 单元排结构

单元排结构主要施工步骤如下：①整平铺排区域，铺设聚丙烯编织布，编织布接缝使用φ1.5mm尼龙线缝合；②按排垫压载单元设计图纸吊装钢模具，吊装前对钢模具进行清洁并涂刷脱模剂；③在混凝土块中布设丙纶绳；④浇筑、振捣混凝土，需达到强度要求，根据实际情况确定脱模时间，避免发生混凝土块掉角现象；⑤将相邻排垫压载单元绑扎成整体；⑥采用碎石填充相邻排垫压载单元缝隙。

传统单元排结构施工存在以下缺点：①对于最低水位附近区域的岸滩，尤其是砂质岸滩，其坡度小，地下水位接近地面，地基承载力低，无法使用起重机等重型施工设备吊装单元排，减小了可进行陆地施工的岸滩面积；②脱模难度大，混凝土块易拉裂、破碎，在很大程度上降低了单元排结构施工质量与服役可靠性；③由于单元排混凝土一次浇筑成型，难以保证丙纶绳正确安装，且丙纶绳包裹在混凝土中，使脱模难度进一步增大；④单元排自重大，吊装要求较高；⑤不满足受最低枯水位限制的大面积临水岸滩软体排施工抢修要求。

2 新型单元排结构

为解决传统单元排结构存在的问题，提出基于纸板模具的新型单元排结构，应用蜂窝/瓦楞纸板代替钢板，无须拆模、使用重型施工设备等，对地基承载力要求较低，在混凝土浇筑完成的同时单元排制作完成，大幅度缩短了大面积单元排制作时间，降低了施工成本，减小了混凝土浇筑难度，提高了单元排整体质量，适用于大面积临水岸滩软体排施工抢修，将其应用于长江干线武汉至安庆段6m水深航道整治工程中，以验证其可靠性。在进一步细化施工参数的基础上，可进一步将新型单元排结构推广应用于陆地施工。传统单元排结构施工速度受起重机、钢模具数量等制约，而新型单元排结构则不同，不受施工设备的限制，提高了施工效率，不同单元排结构施工特征如表1所示。

表1 单元排结构施工特征

长江两岸及江心洲岸线较长，水岸交界处形成陡坎，水流不断冲刷岸滩。岸滩通常为平缓滩面，尤其是砂质岸滩，近水区域坡面坡度≤5°，在1年内完成大面积临水岸滩软体排施工抢修难度较大。因此，采用本研究提出的新型单元排结构。

新型单元排结构纸板模具并非刚性，具有一定柔度。试验结果表明，纸板厚度为2cm时，50cm跨度下的强度远大于所需承受的混凝土振捣施工荷载。因纸板具有低透水性与低吸水性，混凝土入仓1h内，纸板吸水后强度降低<30%，满足短时强度需求；混凝土入仓1h后，纸板逐渐吸水饱和，强度降低，不仅有利于混凝土保水养护，且可对混凝土块边角进行保护。

纸板模具结构与尺寸基本与钢模具相同，单元排混凝土块间隙为2cm，因此将纸板厚度设计为2cm。纸板吸水后存在一定膨胀量(低应力条件下)，在混凝土浇筑过程中，纸板吸水软化，振捣混凝土时将产生压缩变形，可知将纸板厚度取为混凝土块间隙是合理的。纸板经规范裁剪可实现批量化制作，依据设计图纸加工安装卡槽及丙纶绳预留孔，如图2所示。纵横向纸板上下扣紧后，将丙纶绳穿入预留孔，并在纸板四边加装组装式矩形钢框架，以固定丙纶绳。可通过机械方式预先施加丙纶绳拉力，拉紧丙纶绳，保证其在混凝土浇筑过程中不发生下挠。纸板模具拼装简单，质量易控，风大天气施工时需避免纸板被风吹断。

图2 纸板模具结构

开展系列现场验证研究，结果表明，混凝土振捣密实时产生的荷载不是最大施工荷载，模具内侧纸板受双侧10cm高混凝土块压力作用，混凝土振捣荷载不足以引起纸板发生较大变形。现场施工过程中，施工人员可站在混凝土块上进行振捣，不影响模具变形。单元排四周纸板由于紧贴外框架，可避免发生侧向变形。需特别注意，设计尺寸合理的混凝土入仓多孔板较重要，由于多孔板暂时承受混凝土入仓时的主要压力与冲击力，使单元排可承受混凝土浇筑过程中产生的施工荷载。

经试验研究与工程实践验证，单块单元排混凝土可在入仓10min内充满各浇筑框格，在入仓30min内完成振捣与整平处理。由于纸板浸水效应需较长时间，可忽略该效应的影响。纸板主要起隔板作用，两侧受力平衡，且侧向压力随着混凝土初凝逐渐减小，很快降为零。

3 基于新型单元排结构的施工抢修工艺

在临水位置软土环境中可正常施工新型单元排结构，适应于大面积临水岸滩软体排施工抢修，主要工艺流程如下。

1)纸板模具制作

确定纸板厚度后，结合单元排设计图纸，确定纵横向纸板尺寸，在纸板裁剪加工厂制作。加工制作内容包括纵横向纸板裁剪、卡槽安装、丙纶绳预留孔裁剪，预留孔直径应较丙纶绳直径大3～5mm。纸板模具为一次性使用，无法循环利用。一般情况下，工程现场单元排长度、宽度均<5m，因此，纸板长度可与单元排长度相同，无须现场接长，现场接长的纸板易在混凝土浇筑时发生折损。

2)纸板模具外框架组装

外框架为组装式矩形钢框架，用于固定丙纶绳，由4根轻质铝合金型钢组装而成，可循环利用，用料较少，可根据混凝土浇筑强度确定使用数量。

3)纸板模具拼装

仅将纵横向纸板上下扣紧即可，卡槽深度为纸板宽度的1/2，纸板上下扣紧后的高度为纸板宽度，卡槽宽度可较纸板厚度小1mm，卡槽受挤压而扣紧。丙纶绳穿孔后，施加一定拉力固定在模具外框架上。

4)混凝土入仓多孔板制作与铺设

设置混凝土入仓多孔板的目的是暂时缓解混凝土入仓时的冲击力，将多孔板铺设在纸板模具上，每个孔对应4块混凝土块。

5)混凝土入仓与振捣

采用不同运输方式时，尽可能利用多孔板缓冲混凝土入仓冲击力，避免纸板模具折损。混凝土应振捣密实，保证质量。

6)混凝土养护与纸板清除

纸板吸水、保水性能较好，因此，在混凝土养护过程中可使纸板充分吸水饱和，达到长时间湿润养护效果，可使混凝土块边角养护较好，避免出现掉角等现象。因纸板浸水软化，混凝土养护完成后易清除干净。

4 结语

1)护滩工程任务重、岸线长，进行大面积临水岸滩软体排施工抢修时，需改进传统单元排结构及混凝土浇筑工艺，以克服临水岸滩地基承载力较低的限制，实现更大范围的陆地施工，提高施工效率与质量。

2)基于大面积临水岸滩地基新型特性，结合单元排施工特点，研发基于纸板模具的新型单元排结构，并给出相应的工艺流程。基于纸板模具的新型单元排结构简单易操作，且对施工人员无专业技术要求，在临水位置软土环境下可正常施工，适应于大面积临水岸滩软体排施工抢修。

3)结合室内试验与工程实践，给出基于纸板模具的新型单元排结构施工步骤，并对纸板模具材料要求进行总结。由于纸板浸水效应需较长时间，可忽略该效应的影响。