特大斷面隧道矩形豎井滑模襯砌技術

吳發展

(中鐵隧道集團二處有限公司 三河 065201)

0 引言

滑模技術是由模板系統、液壓操作系統、提升系統等組成的系統,帶動模板沿著混凝土表面向上滑動而成型的現澆混凝土結構的施工方法,當混凝土澆筑完一層后,進行下道程序提升模板高度,兼顧了混凝土的施工進度和澆筑質量?；＜夹g在水利水電工程應用較多[1-3],具有效率高、節省物力等優勢。趙民介[4]在高速公路施工中應用滑模施工技術解決了機械化程度較低、效率較低等問題。王志[5]在地下廠房通風豎井襯砌中采用滑模施工,縮短了工期,保證了工程質量。焦金軍[6]在隧道通風豎井襯砌中應用滑模技術,縮短了工期,保證了施工質量。西南市政工程TX數據洞庫隧道矩形豎井的襯砌結構施工空間有限,搭設操作平臺后,材料轉運操作難度高,為減少因混凝土分層施工造成施工縫增多及模板接縫間錯臺增加、接縫處理不規范產生的滲漏水風險,保障混凝土結構施工的實體質量、觀感質量、結構防水要求及施工進度需求,豎井襯砌采用滑模技術。

1 工程概況

西南市政工程TX數據洞庫位于山體內,布置了B1～B5五條平行主隧道[7],與A1聯絡隧道平面正交,主隧道開挖尺寸為19.5m(寬)×13.4m(高),斷面積262m2,為特大斷面[8],為保障隧道內機房排風排煙暢通,在山體內共計設置 11 座矩形豎井(圖1)。隧道豎井初期支護結構為I16 工字鋼支護,位于初期支護結構與二次襯砌結構間設置雙層防水層,防水層結構為蜂窩式防水板+HDPE自粘式防水卷材組合防水;豎井內凈空尺寸寬度為4.4m,長度為7.6～20.8m,豎井井深22.5～49.2m。在豎井結構中部設 1～3 道中部支撐隔墻。豎井井壁襯砌結構厚 0.6m,中隔墻結構厚 0.3m,結構采用 C35 鋼筋混凝土現澆。

圖1 豎井平面分布示意圖

2 豎井滑模襯砌方案

矩形豎井底部通道襯砌結構鋼筋模板安裝加固施工完成后,安裝豎井滑模體系及鋼筋防水層作業臺架,第一組豎井襯砌混凝土與底部通道同步澆筑,避免豎井與連接通道二次襯砌出現施工縫及錯臺。豎井防水層及襯砌豎向鋼筋按照 3m 節段超前混凝土澆筑進行施工,襯砌混凝土滿足脫模強度后,按照 30cm 高度分層不間斷澆筑,緊扣各工序施工循環時間,是在保證安全、質量的條件下實現滑?？焖偈┕?。矩形滑模系統由液壓操作系統、模板系統和提升系統組成[9],豎井側墻為單側鋼模板,配合“F”型提升架(圖2),中部隔墻為雙側鋼模板,配合“π”型提升架(圖3)。

圖2 “F”型提升架剖面示意圖

圖3 “π”型提升架剖面示意圖

3 滑模提升架設置

提升架采用 48鋼管作為承力桿、QYD—60A型千斤頂,根據矩形豎井總周長,初步計算得出需提升架數量:周邊“F”型提升架18個,中間“π”型提升架3個;每個提升架布置1臺千斤頂,因此需千斤頂數量為21臺(圖4)。

圖4 豎井滑模提升系統布置平面圖

根據國家標準《液壓滑動模板施工技術規范》GB 113—87的設計規定,所需千斤頂的最小數量n由下式確定:n=N/P,式中N為總垂直荷載(包括模板系統及操作平臺系統的自重、操作平臺上的施工荷載和模板提升時與混凝土之間的摩阻力),P為千斤頂允許承載力。

3.1 滑升總荷載計算

3.1.1 模板摩擦阻力F

模板提升時,混凝土與模板之間的摩阻力系數為1.5～3.0kN/m2,取2.0kN/m2。

模板與結構接觸面積:S1=36×1.2= 43.2m2。

摩擦阻力:F=2.0kN/m2×S1=2.0kN/m2×43.2m2=86.4 kN,取87kN。

3.1.2 滑升裝置自重G1

“F”型提升架:18個× 40kg=720kg。

“π”型提升架:3個× 80kg=240kg。

圍圈:260m× 8.05kg/m=2093kg。

吊架:21付×16.00kg/付=336kg。

千斤頂油管:28kg×21臺=588kg。

平臺上防水作業平臺立柱(I16):20.513kg×(3m×6根)=369.3kg。

平臺上防水作業平臺連接桿(I16):20.513 kg×(3m+3m+9m+9m)=493kg。

平臺上防水作業平臺伸縮桿:總重350kg。

720kg+240kg+2093kg +336kg +588kg +369.3kg+493kg+350kg=5189.3kg。

共計5189.3kg×9.8N/kg=50.9kN。

2層平臺木板:2×7.6×4.4× 0.04× 700kg/m3=1873kg,1873kg×9.8N/kg=19kN。

模板:43.2m2× 37kg/ m2=1598kg,1598kg×9.8N/kg=15.7kN。

操作平臺上施工荷載:

①人員:20人×70kg/人=1400kg。

②液壓設備、油桶、工具等:700kg+100kg+400kg+250kg= 1450kg。

③材料:預估5200kg。

操作平臺共計:(1400+1450+5200)kg×9.8N/kg=78.9kN。

靜荷載系數取1.2,全部總重:

50.9kN+19kN+15.7kN+78.9kN=164.5 kN,164.5kN×1.2 =197kN。

3.1.3 施工荷載G2

電焊機動荷載:2臺×1.0kN/臺×1.1=2.2kN。

混凝土振搗器動荷載:

4臺×0.15kN/臺×1.3=0.78kN。

混凝土振搗棒動荷載:

4根×0.15kN/根× 1.3=0.78kN。

混凝土入模時,對模板沖擊力荷載:

取2.0kN。

考慮荷載的動靜系數:

活荷載取1.4。

施工荷載:

G2= (2.2kN+0.78kN+0.78kN+2.0kN) ×1.4=8kN。

人在平臺推混凝土活荷載:

(4×75+1000) ×9.8×1.4=18kN。

其他荷載:4kN。

共計:8kN +18kN+4kN =30kN。

3.1.4 滑升總荷載N

N=F+G1+G2=87kN+197kN+ 30kN=314kN。

3.2 千斤頂和支撐桿數量計算

千斤頂數量n=N/P,式中P取單臺千斤頂或支承桿的允許承載力,千斤頂的允許承載力為千斤頂額定提升能力的1/2, 支承桿的允許承載力按公式P=(a/K)×(99.6-0.22L)計算,兩者取其較小值。

現千斤頂設計為QYD—60A型滾珠式液壓式千斤頂,其單個千斤頂的計算承載力P1為30kN。

選用 48×3.5鋼管作為爬升支撐桿,使得提升力與整體剛度均得到提高,該支撐桿的允許承載力為:P= (a/K) × (99.6-0.22L)。

其中:P支撐桿的允許承載力;

a為工作條件系數,取0.2～1.0,視施工操作桿、滑模平臺結構情況確定,本設計取0.7;

K為安全系數,取值應>2.0;本設計取2.0;

L為支撐桿脫空長度,系從混凝土表面至千斤頂下卡頭距離(cm),本設計取82cm,故

P2= (0.7/2) ×(99.6-0.22 ×82) =28.546 (kN)

P取P1與P2的小值,P=28kN;

千斤頂數量n=N/P=314kN/28≈12臺。

考慮中間隔墻及轉角段模板滑升平穩,本次施工共計布置千斤頂21臺,大于按荷載計算的12臺,故滿足要求。

4 操作要點

4.1 矩形滑模系統組裝

豎井中部根據結構尺寸設置 1～2 道中隔墻,側墻襯砌結構厚 0.6m,隔墻襯砌結構厚 0.3m?；炷翝仓扇≌w連續分層澆筑(分層厚 30cm)。根據豎井結構形式,保障襯砌混凝土外觀質量減少模板接縫,模板根據結構斷面尺寸現場加工直面大鋼模、配套轉角整體模板及中部隔墻模板,模板高1.2m?；２捎萌簤合到y提升作業,用直徑 48×3.5mm 的無縫鋼管作為滑模爬升立桿,液壓千斤頂采用 QYD—60A 滾珠式楔塊千斤頂,通過液壓系統供油和停油來完成一次提升循環,從而帶動模板上升。

組裝過程中需注意:

(1)嚴格控制進場材料的驗收,避免滑模模板、提升架及爬桿運輸及裝卸途中受損影響施工質量;

(2)滑模系統(模板、提升架、爬桿)組裝完成后嚴格按照液壓滑動模板施工安全技術規程進行驗收,確保施工質量。

(3)滑模施工常因千斤頂滑升不同步、荷載不均勻以及外部等原因造成豎井體傾斜與扭轉,施工過程應時刻按照規范及方案做好防抗扭糾偏等相關措施。

(4)防水層鋼筋操作平臺各部位支架應連接牢固,立柱與滑模操作平臺應焊接牢固,不得漏焊。

4.2 矩形滑模提升系統的配置

(1)根據滑模體系提升系統的受力檢算,得出提升液壓系統(千斤頂)配置數量的同時,根據豎井結構周長平均分配提升系統設置位置,但考慮矩形豎井周邊及中部隔墻存在轉角,防止提升過程轉角模板偏壓,提升架位置嚴格按照各尺寸豎井滑模提升架受力檢算進行布設,并根據實際情況在轉角處增設提升架。

(2)為滿足豎井襯砌超前施作防水層及襯砌鋼筋,采取在豎井滑模平臺上增設鋼筋、防水層作業臺架,臺架為鋼結構,與底橫梁及“F”型提升架連接,長、寬、高結構尺寸以滿足施工需求。

4.3 防水層施工

矩形豎井初期支護面按設計要求處理完成后,在初期支護和二次襯砌混凝土之間鋪設防水層。防水材料鋪設采用井口吊車將材料吊入井內,放置在安裝在滑模操作平臺上的鋼筋、防水層作業臺架上,配置 4 名工人進行防水層鋪設固定。為滿足豎井防水層“零”漏水要求,在鋪設固定 EVA 防水板時對固定點采取填充黏結劑膠囊,土工布采用水泥射釘和鐵墊片通過膠囊墊片固定在初期支護面上,在膠囊墊片上設有填充黏結劑(丙烯酸聚合物30%～34%、水34%～38%、鈦白粉0 .1%～1%、二氧化硅0.5%～2%、硅微粉8%～10%、云母氧化鐵12%～16%和丁基氨基甲酸碘代丙炔酯4%～8%)的膠囊,用橡膠錘使膠囊破裂后放出黏結劑,按壓5秒鐘,以保證黏結劑形成黏結層,該方法的實施有效保證了防水體系完整性和結構防水質量。

防水層質量控制要點:

(1)進場材料應檢驗合格方可投入使用。防水材料應存放陰涼處,避免暴曬老化。

(2)防水層鋪設前應再次檢查初支表面是否有突起物,防止刺穿防水材料。

(3)防水材料鋪設應平順,避免褶皺,做到松弛有度,避免混凝土擠壓破損。

(4)防水材料固定應嚴格按照技術交底間距及固定方式進行固定作業,并按設計要求處理,杜絕固定點滲漏水。

4.4 鋼筋制安

豎井分段防水層鋪設完畢并驗收合格后,進行襯砌雙層鋼筋安裝施工,鋼筋連接處錯位長度滿足 35d 要求?？紤]施工便捷及避免材料浪費,豎向筋一般按 3m下料,一次安裝高度為3m,在模板滑升至規定高度后(30cm)及時安裝內層水平筋及拉結筋。

鋼筋制安質量控制要點:

(1)進場材料應檢驗合格方可投入使用,材料做好墊上蓋,防止銹蝕。

(2)豎井各部位鋼筋應嚴格按照設計交底要求進行加工安裝,嚴禁出現鋼筋混用代替現象。

(3)鋼筋定位應準確,按照設計要求設置保護層,避免露筋。

4.5 混凝土澆筑及養護

4.5.1 混凝土布料

矩形豎井襯砌混凝土由混凝土拌和站生產運輸至施工現場,混凝土澆筑時由豎井井口吊車將混凝土吊送至入模。四周及隔墻對稱均勻分層澆筑,為避免混凝土的自由傾落高度超過 2m,造成混凝土離析,同時為防止混凝土偏壓造成模板變形、偏位,在鋼筋、防水板操作臺架上設置接料斗及旋轉溜槽輸送混凝土入模,以達到快速均勻澆筑混凝土?；炷寥肽：蟛捎?0型插入式振搗器搗固密實。

滑模提升系統頂部的鋼筋綁扎安裝臺架,遮擋了泵車混凝土輸送管道下料位置,混凝土澆筑時易出現“冷縫”,以及一側混凝土澆筑時滑模模板受力不均勻導致模板系統發生局部位移等現象。為有效保證混凝土澆筑質量,研發用于矩形豎井襯砌混凝土澆筑布料的裝置及其安裝方法(圖5),鋼筋臺架上設置接料斗,接料斗的底部穿過鋼筋臺架有延長串桶,延長串桶底部旋轉連接有多個溜槽,溜槽設置有坡度且向遠離與延長串桶連接的一端水平降低,每個溜槽的自由端一側與鋼筋臺架掛接[10]。通過接料斗、旋轉溜槽移動布料,有效解決布料不均勻、混凝土出現“冷縫”及模板移位等問題[11]。

圖5數字序號含義:1—鋼筋臺架,2—接料斗,21—鋼架梁固定點,3—延長串桶,4—溜槽,41—吊裝孔,5—鋼絲繩,6—鋼絲繩固定連接孔,7—混凝土

4.5.2 混凝土澆筑質量控制

混凝土標號應嚴格按照設計要求拌制、運輸,澆筑質量應滿足規范及交底要求。每循環(30cm)混凝土澆筑完成后,在強度達到 0.3MPa后即可對滑模進行滑升。模板滑升速度依照氣溫、混凝土量等諸多因素而定,具體滑升時間根據第一組混凝土試驗確定。為避免底部混凝土初凝,造成卡?；蚰０逄嵘斐苫炷帘砻媛槊娴羝?每循環澆筑時間不宜超過 1 h。

混凝土澆筑滑升過程勤于檢查垂直度,每提升一循環(30cm)檢查一次,由專人進行垂直度、平整度的檢查,以保證滑模平臺在同一水平面上。中心控制采用 10～25kg 線錘進行吊中,每滑升 1m 采用水準儀檢查各提升架標高,確保提升系統頂部處于同一高程?；；骄囗敿s 1m 時,放慢滑升速度,進行準確的找平和糾正工作,保證頂部標高及位置的正確。

在滑模平臺底部設置混凝土養護平臺,平臺一般采用φ32 圓鋼加工,平臺周邊采用安全防護網防護,并在平臺上沿周邊布置一路養護噴霧水管,用于混凝土養護及處理混凝土表面局部缺陷。

5 施工效果

矩形豎井采用滑模施工,連續、快速,可充分發揮配套設備能力,提高施工效率,降低施工過程安全隱患及事故的發生概率,降低施工成本。施工進度快,根據不同結構斷面,日平均滑升進度 2.5～3.0m 左右,其他襯砌模板施工工藝施工,日平均澆筑進度在 1.0～1.5m,施工工期縮短 1～2 倍。

滑模正?；┕て陂g,節約分層施工縫設置及處理,提高混凝土整體澆筑質量,結構成型效果好。同時節約了設置施工縫所需用的止水鋼板及因施工縫處理不到位可能出現的滲漏水處理費用。

滑模系統為液壓系統自動滑升,無須其他起重設備配合,降低了起重設備配置及豎井井口外施工場地占用量。

滑模為一次組裝成型,循環定位施工,減少節約循環拼裝轉運模板、安裝、拆卸模板周期時間,同時減少井內搭設滿堂腳手架占用底部空間、影響井底工序施工。

6 結論

矩形滑模系統“F”型提升架和“π”型提升架的布置,根據矩形豎井總周長計算得出提升門架需要的千斤頂數量是21臺,根據滑升荷載計算出所需的千斤頂數量是12臺,考慮中間隔墻及轉角段模板滑升平穩,施工布置21臺千斤頂,滿足要求?；Ｏ到y組裝過程嚴格按照液壓滑動模板施工安全技術規程進行,并做好防抗扭糾偏等相關措施。

為滿足豎井防水層“零”漏水要求,在鋪設固定 EVA 防水板時對固定點采取填充黏結劑膠囊,有效保證了防水體系完整性和結構防水質量。

混凝土澆筑滑升過程勤于檢查垂直度,模板滑升速度依照氣溫、混凝土量等諸多因素而定,研發用于矩形豎井襯砌混凝土澆筑布料的裝置及其安裝方法,通過接料斗、旋轉溜槽移動布料,有效解決布料不均勻、混凝土出現“冷縫”及模板移位等問題。