小直径隧道二次衬砌仰拱模板体系的设计与长距离倒运

余南山 许剑波 刘开扬 彭文韬

中建三局基础设施建设投资有限公司 湖北 武汉 430073

隧道二次衬砌仰拱施工的质量和效率主要受模板的设计、安拆及转运的影响[1-2]，传统二次衬砌施工方法是采用木模板加钢管支撑的方式，但是在狭小的操作空间内，难以实现大规模机械化施工，施工效率低下，且施工质量难以保证，所以模板体系的选择显得尤为关键。本文重点研究了二次衬砌仰拱施工中模板体系的设计及施工工序的组织安排，总结了二次衬砌仰拱施工的关键技术。

1 工程概况

武汉大东湖核心区污水传输系统工程主隧全长17.5 km，包含9个盾构区间，最长区间3.6 km。隧道断面设计为厚25 cm预制管片＋厚20 cm的C40P12现浇钢筋混凝土二次衬砌的叠合式衬砌，成形内径为3.0、3.2、3.4 m。二次衬砌先施工底部120°仰拱，再施工上部240°拱墙，如图1所示。

图1 二次衬砌断面

2 仰拱模板体系设计

下面以隧道成形内径为3.0 m的二次衬砌仰拱施工为例进行说明。按照传统模板体系进行设计，需采用弧形木模板＋方木次楞＋弧形双钢管主楞＋拉杆的结构形式，布置如图2所示。经过计算，一次浇筑120 m仰拱需要的主要材料如表1所示。

图2 传统模板体系

由表1可见，一次浇筑120 m的仰拱，在狭小洞内需要进行大量模板、方木及钢管等材料的转运，难以实现大规模机械化施工，劳动力投入多，劳动强度大，效率低下。

表1 传统模板主要材料配置

为了提高施工效率，降低劳动强度，项目设计了一套仰拱模板体系。仰拱模板体系主要由面板、法兰盘、环向次楞、纵向主楞、纵向轨道、斜向支撑系统及盖板组成。其中面板厚度6 mm，对应圆心角126°；供小门吊和电动平板车行走的轨道集成在模板上，采用P15钢轨；斜向撑杆系统包括有销筒、撑杆及限位销轴，销筒上设置有1个定位孔，撑杆上设置有2个限位孔，设计如图3所示。

图3 仰拱模板平面示意

模板安装利用小门吊辅助进行，通过小门吊葫芦移动定位模板平面位置。为保证仰拱浇筑厚度，调整销筒外露端长度，同时将斜向撑杆插入销筒，并利用限位销轴与销筒锁死。平面位置及标高均确定后立即将后装模板法兰盘与先装模板法兰盘通过螺栓连接牢固。

模板安装完成后，立即采用钢管支撑＋花篮螺栓进行模板加固。钢管支撑设置在纵向主楞或纵向轨道与初次衬砌之间，用于支撑竖向浮力；花篮螺栓设置在模板两侧与预留钢筋之间，用于抵抗不对称浇筑时的水平荷载。

通过对仰拱模板进行有限元分析计算，仰拱模板变形主要为整体拱起变形，最大竖向位移出现在跨中，变形及应力均满足要求。根据计算可知，压杆的轴向压力小于容许轴向压力，符合要求。

采用定制钢模进行施工，一次浇筑120 m的仰拱只需使用宽1 200 mm、弧长3 299 mm的DN3 000钢模100块，每块钢模的质量为619.5 kg。

3 仰拱模板倒运技术

单块钢模质量大，需采用机械配合进行倒运。考虑到单次仰拱施工距离长，单次倒运模板多达100块，故采用一首一尾2台小门吊负责安拆，中间平板车用于倒运，小门吊及电动平板设计如图4、图5所示。

图4 仰拱模板吊装小门吊

图5 仰拱模板转运小车

本工程仰拱模板体系支模及倒运施工流程如下：

1）洞口二次衬砌第一模（长120 m）钢筋绑扎完成后，在井下铺设轨道安装第1台小门吊，通过小门吊将模板吊至洞口进行安装。待小门吊随仰拱模板安装完全进入洞内后，再将电动平板车吊装下井进行模板转运，首台小门吊仅负责洞内安装。待首模仰拱模板安装完成并浇筑混凝土后，再安装第2台小门吊进行模板拆除转运。

2）当仰拱养护完成后，立即将模板转运至下一模进行支模，模板转运由洞口向洞内依次进行。利用靠近洞口的小门吊将本节段处的最靠近洞口的仰拱模板吊起并进行清理，每次起吊1块，旋转90°通过小门吊后，再旋转90°放置在电动平板车上，电动平板车装载2块模板后运输至远离洞口的小门吊处，远离洞口的小门吊将电动平板车仰拱模板吊起，旋转90°通过小门吊后，再旋转90°，涂刷脱模剂后进行安装。为方便小门吊的站位及不影响下一模仰拱浇筑，每次需少拆4块和多安装4块仰拱模板。

二次衬砌仰拱模板采用定制钢模体系，从模板的吊装安拆到模板的倒运均收到较好的效果。一个循环的仰拱从拆除、转运到安装只需1.5 d（3个班），模板转运单班劳动力投入仅为7人，较传统施工方法减少了劳动力投入，且减轻了工人劳动强度。

通过现场统计，仰拱施工工效达到每模（长120 m）2.5 d，与传统模板体系相比，仅一个区间就为项目节约工期约3个月。从施工质量来看，仰拱成形面密实平整、整圆度高，满足施工质量要求。通过经济对比分析，定制仰拱模板使用为项目节约了成本，创造了良好的经济效益。

4 结语

大东湖深隧项目在二次衬砌施工过程中，受到隧道净空和工期压力的影响，摒弃传统施工方法，另辟蹊径，成功将小门吊、电动平板车与定制钢模相结合，提高了仰拱的施工效率，先行施工的仰拱为后续大范围施工组织提供底部通行条件。仰拱模板体系的成功运用，为项目节约了工期，减少了劳动力投入，降低了劳动强度，创造了良好的经济效益，并且保证了施工质量，其相关思路和技术措施可供类似二次衬砌施工参考。