港珠澳大橋島隧工程西人工島暗埋段隧道模板設(shè)計(jì)及施工技術(shù)

趙傳林，張怡戈，楊潤(rùn)來(lái)

（1.中交第一航局工程局有限公司，天津 300461；2.中交一航局第一工程有限公司，天津 300456）

1 工程概況

港珠澳大橋西人工島隧道暗埋段止推段分為CW1及CW2段，設(shè)2.98%縱向坡度。其中CW1節(jié)段長(zhǎng)23.7 m，為與首節(jié)沉管對(duì)接的現(xiàn)澆段，單箱雙室管廊箱型結(jié)構(gòu)，橫斷面寬度為37.95 m。隧道主體結(jié)構(gòu)高達(dá)11.2 m，頂板厚130 cm，底板及側(cè)墻厚150 cm，中墻厚80 cm；CW2節(jié)段長(zhǎng)28 m，為單箱四室管廊型結(jié)構(gòu)，橫斷面寬度由37.95 m漸變至 53.71 m，側(cè)墻厚度 130 cm，與 CW1段0 mm變形縫相接，共同組成止推結(jié)構(gòu)。止推段平面布置見(jiàn)圖1。

圖1 結(jié)構(gòu)分段示意圖

2 施工部署

2.1 結(jié)構(gòu)分層澆筑劃分

西人工島隧道暗埋段結(jié)構(gòu)復(fù)雜且尺寸龐大，施工作業(yè)空間十分有限，采用大型整體模板一次澆筑成型難以實(shí)施。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，配備2臺(tái)2 m3混凝土攪拌站，每臺(tái)攪拌站供灰效率為30 m3/h，混凝土初凝時(shí)間約為10 h。為避免澆筑時(shí)間過(guò)長(zhǎng)造成混凝土弊病及上下分層澆筑因強(qiáng)度不一致形成約束收縮裂縫，結(jié)構(gòu)分層澆筑次數(shù)控制需適中。

根據(jù)結(jié)構(gòu)段的特點(diǎn)，CW1澆筑分兩次進(jìn)行，第一次澆筑底板，如圖2中的①，澆筑方量約為1 580 m3；第二次澆筑側(cè)墻、中墻及頂板，澆筑方量約為2 058 m3，如圖2中的②。CW2澆筑分3次進(jìn)行，第一次澆筑底板，澆筑方量約為2 370 m3，如圖3中的①；第二次澆筑隧道內(nèi)隔墻及中墻，澆筑方量約為511 m3，如圖3中的②；第三次澆筑弧形側(cè)墻及頂板，澆筑方量約為2 430 m3，如圖3中的③。

圖2 CW1分層澆筑示意圖

圖3 CW2分層澆筑示意圖

2.2 島內(nèi)運(yùn)輸條件及模板選擇

西人工島小島基坑內(nèi)南北兩側(cè)各設(shè)置一臺(tái)塔吊，壁長(zhǎng)70 m，最大臂長(zhǎng)處吊重2.7 t，能夠?qū)崿F(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)模板安裝全覆蓋。

3 模板及支架設(shè)計(jì)及安裝

在暗埋段施工中，CW1第二層及CW2第三層澆筑時(shí)，墻厚為1.5 m（CW2側(cè)墻1.3 m），高度達(dá)9.1 m。受本工程現(xiàn)場(chǎng)施工場(chǎng)地狹小，起重能力等限制，采用鋼框木模作為面板，雙槽鋼作為龍骨，采用對(duì)拉陰螺桿保證模板剛度，與承插型盤(pán)扣式鋼管支架組成系統(tǒng)模板。

3.1 鋼框模板設(shè)計(jì)

本工程中墻身模板為整體鋼框木模，由單元模板逐塊拼裝而成。單元模板尺寸為2.4 m×1.2 m，分面板與鋼框兩部分。其中面板采用17 mm厚膠合板，與鋼框通過(guò)自攻螺絲固定形成整體；自攻螺絲由背面擰入，絲頭不露出板面，以保證面板的光潔度。鋼框邊框?yàn)椤?00 mm×63 mm×6 mm角鋼，邊框設(shè)置螺栓孔，相鄰單元模板通過(guò)螺絲連接，使該模板組拼不受限制；邊框內(nèi)側(cè)為加勁方格，由扁鋼彎折成∠100 mm×50 mm×3 mm及∠100 mm×63 mm×6 mm角鋼焊接而成，其中角鋼沿1.2 m方向按0.3 m間距布置。

3.2 單塊模板整體拼裝

單元模板在加工場(chǎng)地豎向組拼成單塊模板。組拼完成后，采用J型拉鉤固定模板鋼框與主龍骨豎向雙槽鋼，以提高豎向剛度。單塊模板2.4 m長(zhǎng)度方向按照30 cm、90 cm、90 cm、30 cm布置豎向雙槽鋼。模板拼縫間采用止?jié){膠條進(jìn)行密合。如圖4所示為J型拉鉤工作示意圖。

圖4 J型拉鉤固定雙槽鋼示意圖

吊裝前在豎向槽鋼外側(cè)通過(guò)螺栓組或焊接安裝橫向雙槽鋼的一支，以滿(mǎn)足高大模板在吊裝及施工過(guò)程中整體剛度要求。模板安裝到位并確定對(duì)拉螺栓位置后，鎖定橫向雙槽鋼另一支，并擰固對(duì)拉螺栓。圖5為單元鋼框模板現(xiàn)場(chǎng)組拼成單片模板實(shí)物圖。

為適應(yīng)模板在不同構(gòu)件或部位施工時(shí)的受力要求，提高模板的實(shí)用性及可延展性，在鋼框模板加勁肋上開(kāi)圓孔，主龍骨雙槽鋼腹板及翼板上設(shè)置橢圓形螺栓孔，施工現(xiàn)場(chǎng)可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整主龍骨安裝位置，以形成不同的組合。

3.3 墻身模板整體拼裝

本工程中墻身模板采用螺桿對(duì)拉兩側(cè)模板自鎖定固定工藝，對(duì)拉螺桿分為內(nèi)桿和外桿，通過(guò)圓臺(tái)螺母進(jìn)行連接，絲扣采用T型扣，增加可操作性及耐用性，迎水側(cè)墻身使用的內(nèi)拉桿上焊接有止水片。圓臺(tái)螺母置于模板內(nèi)側(cè)，通過(guò)與內(nèi)桿擰固形成整體，其組合尺寸與墻身尺寸相同，根據(jù)墻體厚度制作定尺內(nèi)桿，調(diào)整模板間距即可適應(yīng)不同墻身結(jié)構(gòu)要求。外拉桿穿過(guò)模板雙槽鋼及模板開(kāi)孔與圓臺(tái)螺母擰固后，通過(guò)外側(cè)的法蘭盤(pán)進(jìn)行擰固，形成穩(wěn)定對(duì)拉體系。拉桿根據(jù)受力需要確定間距及層距。圖6為墻身模板固定工藝示意圖。

圖6 墻身模板工作原理示意圖

進(jìn)行CW1及CW2第二層澆筑時(shí)，利用第一層澆筑時(shí)預(yù)留在混凝土內(nèi)的圓臺(tái)螺母安裝墻身側(cè)模底托，如圖7所示。該底托為上下可微調(diào)結(jié)構(gòu)，能夠校正模板安裝偏差，確保安裝精度及操作簡(jiǎn)易性。

圖7 墻體模板底部拖座示意圖

墻體模板安裝時(shí)，為便于調(diào)整其垂直度，在墻身內(nèi)側(cè)模板安裝水平撐。該水平撐與滿(mǎn)堂支架連結(jié)形成整體，通過(guò)調(diào)整絲杠外露長(zhǎng)度達(dá)到調(diào)整模板垂直度的目的。外側(cè)模板加裝斜撐，該斜撐與外側(cè)施工支架或直接與地面鉸接。上述撐桿具有拉桿及壓桿雙重性質(zhì)，但均不屬于主要承重構(gòu)件。

3.4 保護(hù)層控制工藝

本工程中對(duì)混凝土保護(hù)層厚度要求十分嚴(yán)格，其中背水側(cè)保護(hù)層厚度5 cm，迎水側(cè)保護(hù)層厚度7 cm。受模板安裝固定工藝限制，在模板內(nèi)側(cè)需安裝圓臺(tái)螺母，傳遞內(nèi)外對(duì)拉螺桿受力，形成整體對(duì)拉體系。為保證混凝土保護(hù)層厚度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，對(duì)不同保護(hù)層要求下的圓臺(tái)螺母及對(duì)拉螺桿區(qū)別設(shè)計(jì)。背水側(cè)圓臺(tái)螺母內(nèi)設(shè)置有擋片以限制內(nèi)外桿擰入螺母內(nèi)的長(zhǎng)度，外桿擰入螺母內(nèi)的長(zhǎng)度即保護(hù)層厚度，如圖8所示。迎水側(cè)對(duì)拉螺桿外桿穿過(guò)圓臺(tái)螺母，擰入焊接在內(nèi)桿上的螺母內(nèi)，形成整體，保護(hù)層厚度即圓臺(tái)螺母全長(zhǎng)，如圖9所示。

圖8 背水側(cè)圓臺(tái)螺母設(shè)計(jì)方案

圖9 迎水側(cè)圓臺(tái)螺母設(shè)計(jì)方案

拆除模板后，擰下圓臺(tái)螺母孔采用環(huán)氧砂漿對(duì)孔洞進(jìn)行修補(bǔ)。

3.5 弧形墻體模板

西人工島隧道暗埋段CW2段側(cè)墻為弧形墻體，由兩段圓弧組成。由于曲率半徑較大，模板采用2.4 m折線(xiàn)段對(duì)原弧形結(jié)構(gòu)線(xiàn)進(jìn)行擬合，偏差最大處僅3 cm，能較好地滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)尺寸需求。

為解決弧形側(cè)墻內(nèi)外側(cè)起弧點(diǎn)不一致，導(dǎo)致圓臺(tái)螺母與模板面不能垂直難題，將內(nèi)拉桿分為兩段，通過(guò)焊接角鋼形成組合對(duì)拉結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖10。

圖10 采用折線(xiàn)模板擬合后拼裝示意圖

3.6 頂模及支架系統(tǒng)

頂板采用1.2 m×2.4 m膠合板作為底模，模板拼縫利用玻璃膠密合。支架采用承插型盤(pán)扣式鋼管支架滿(mǎn)堂支撐。該支架正常間距為1.2 m×1.2 m，豎向步距1.5 m。各桿件通過(guò)立桿上按照50 cm間距焊接的八角盤(pán)扣進(jìn)行連接，使各桿件均為二力桿，軸心受拉或受壓。

立桿型號(hào)為A-LG-1000、A-LG-1500、ALG-2000，直徑為60.3 mm，壁厚3.2 mm，根據(jù)凈空配置長(zhǎng)度，有1.0 m、1.5 m、2.0 m三種；橫桿型號(hào)為HG-900、HG-1200、HG-1500，直徑為48.3 mm，壁厚為2.5 mm，長(zhǎng)度主要有1.2 m、0.9 m、1.5 m三種；斜桿型號(hào)為XG-900×1500、XG-1200×1500、XG-1500×1500、直徑為 34.5 mm，壁厚為2.3 mm。各桿件材質(zhì)均為Q345，表面進(jìn)行熱鍍鋅處理。支架上下采用可調(diào)托座，支架整體搭設(shè)完畢后如圖11所示。

圖11 CW1頂板模板安裝

3.7 管廊內(nèi)模板拆除

本工程模板拆除難點(diǎn)在于需在隧道管廊狹小空間內(nèi)進(jìn)行吊裝作業(yè)。為克服上述困難，利用支架系統(tǒng)作為依托，在靠近模板側(cè)支架頂部安裝滑模體系，分單元整體移模。如圖12所示，滑模體系為工字鋼滑輪組合，拆除對(duì)拉螺桿外螺桿及橫向雙槽鋼后，通過(guò)滑輪組上的倒鏈斜向上略微上提墻體模板，即可直接吊起單片模板，滑移至出口處。如圖13所示，為采用滑模體系拆除墻身模板實(shí)物圖。

圖12 滑模體系

圖13 中墻模板滑模操作實(shí)物圖

4 模板設(shè)計(jì)計(jì)算

4.1 模板側(cè)壓力計(jì)算

經(jīng)計(jì)算，考慮混凝土澆筑過(guò)程中混凝土沖擊模板及振搗棒的振動(dòng)等活載影響（取2 kN/m2），最不利模板側(cè)壓力計(jì)算值為59.75 kN/m2。側(cè)壓力設(shè)計(jì)值=1.2×側(cè)壓力標(biāo)準(zhǔn)值+1.4×活載=74.5 kN/m2。

4.2 主次龍骨承載力計(jì)算

次龍骨為鋼框模板勁性框架∠100 mm×63 mm×6 mm角鋼，其布置間距依膠合板應(yīng)力分析按照三跨連續(xù)梁進(jìn)行抗彎、抗剪及撓度承載反驗(yàn)算取最小值做為布置間距的上限值。該計(jì)算模型假定次龍骨為三跨連續(xù)梁支點(diǎn)。根據(jù)計(jì)算，次龍骨最小布置間距需為317 mm。最終次龍骨布置間距取300 mm，能夠滿(mǎn)足膠合板受力要求。

主龍骨選用10號(hào)雙槽鋼，單塊模板2.4 m范圍內(nèi)共計(jì)布置三道，布置間距為0.9 m。對(duì)拉螺桿橫豎向布置最大間距均為0.9 m。驗(yàn)算次龍骨承載時(shí)，支點(diǎn)為主龍骨，驗(yàn)算主龍骨承載時(shí)，支點(diǎn)為對(duì)拉螺桿。主次龍骨均按照兩跨懸挑梁進(jìn)行抗彎、抗剪強(qiáng)度、剛度驗(yàn)算。根據(jù)計(jì)算，結(jié)果均能滿(mǎn)足受力及變形要求。

4.3 對(duì)拉螺桿受力計(jì)算

本工程中使用直徑17 mm高強(qiáng)度T形扣對(duì)拉螺桿。其抗拉強(qiáng)度驗(yàn)算按照下式計(jì)算：

式中：f為對(duì)拉螺桿承受的拉應(yīng)力；N為對(duì)拉螺桿承受的荷載，本工程中螺桿承受的拉力為對(duì)拉螺桿作用區(qū)域面荷載等效的集中荷載；An為對(duì)拉螺桿凈截面積，本工程中為226.98 mm2；fbt為螺桿抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，280 N/mm2。

取最不利分層CW1第二層混凝土澆筑分析，根據(jù)豎向槽鋼的位置，假定螺桿左右布置間距為0.9 m、0.6 m，上下布置間距根據(jù)側(cè)壓力進(jìn)行計(jì)算，按照0.9 m布置能夠滿(mǎn)足使用要求。

由于本工程中混凝土初凝時(shí)間達(dá)到10 h，出于保守考慮，在模板底部?jī)蓪訉?duì)拉螺桿按照0.6 m層距進(jìn)行布置，以保證底部模板安全，確保無(wú)跑模、爆?，F(xiàn)象發(fā)生。

4.4 支架承載力驗(yàn)算

因本工程施工場(chǎng)地為外海深基坑作業(yè)，可以不考慮風(fēng)荷載影響。根據(jù)JGJ 231—2010《建筑施工承插型盤(pán)扣式鋼管支架安全技術(shù)規(guī)程》相關(guān)規(guī)定驗(yàn)證支架承載力，主要從長(zhǎng)細(xì)比及承載力分別進(jìn)行驗(yàn)算。立桿軸向力設(shè)計(jì)值按照下式計(jì)算：

式中：NG1k為腳手架結(jié)構(gòu)自重標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的軸力；NG2k為構(gòu)配件自重標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的軸力；∑NQk為施工荷載標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的軸向力總和，內(nèi)外立桿可按一縱距內(nèi)施工荷載總和的1/2取值。

按照上式計(jì)算得單支立桿所受最大荷載N=87.79 kN。其中該規(guī)范規(guī)定腳手架立桿長(zhǎng)細(xì)比不得大于210。

立桿長(zhǎng)度可按照如下公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：η為模板支撐架立桿計(jì)算長(zhǎng)度修正系數(shù)，水平步距為1.5 m時(shí)，取值1.20；h為模板支撐架中間層最大步距；h′為支架立桿頂層水平桿步距，宜比最大步距減少一個(gè)盤(pán)扣的距離；k為懸臂端計(jì)算長(zhǎng)度折減系數(shù)，取為0.7；a為支架可調(diào)托座支撐點(diǎn)至頂層水平桿中心線(xiàn)的距離。

根據(jù)本工程應(yīng)用實(shí)際情況，選用的立桿截面特性如表1，按照式（1）及式（2）計(jì)算的數(shù)據(jù)分別為1.8 m及1.27 m，取兩者計(jì)算值中的較大值，即l0=1.8 m。

彈性模量E=206 000 N/mm2。長(zhǎng)細(xì)比λ=l0/i=89.0≤ [λ]=210，故滿(mǎn)足規(guī)范要求。

不組合風(fēng)荷載時(shí)，立桿穩(wěn)定性按照下列公式計(jì)算：

表1 支架立桿截面特性

式中：f為鋼材的抗拉、抗壓和抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；φ為軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)，應(yīng)根據(jù)立桿長(zhǎng)細(xì)比按照J(rèn)GJ 231—2010《建筑施工承插型盤(pán)扣式鋼管支架安全技術(shù)規(guī)程》查表取值，本工程查表取0.558；A為立桿的截面積。

單支立桿允許承載力設(shè)計(jì)值Nmax≤ [σ]φA=96.09 kN，大于實(shí)際承載值，故滿(mǎn)足要求。

5 模板及支架位移監(jiān)測(cè)

5.1 模板位移監(jiān)測(cè)

在進(jìn)行每次混凝土澆筑時(shí)，對(duì)外側(cè)模板位移進(jìn)行全過(guò)程監(jiān)測(cè)，未發(fā)生跑模現(xiàn)象。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表2所示，模板各區(qū)域變形較小，均在合理可控范圍內(nèi)，較好地保證了結(jié)構(gòu)尺寸。

表2 最不利澆筑分層模板變形量表

5.2 模板支架壓縮位移監(jiān)測(cè)

支架在施工前，通過(guò)1.2倍施工荷載，同工況進(jìn)行預(yù)壓試驗(yàn)，測(cè)得壓縮量約為10 mm，以此作為預(yù)留壓縮量。CW1與CW2主體結(jié)構(gòu)頂板澆筑時(shí)，在模板支架上均設(shè)置了監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并在頂板模板次梁（14號(hào)工字鋼）上設(shè)置了沉降位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)。其中CW1段設(shè)置了7個(gè)支架傾斜位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)與4個(gè)沉降位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，CW2段設(shè)置了4個(gè)沉降位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)。平均水平位移最大為6.0 mm，沉降最大值為7.0 mm，實(shí)際沉降值小于預(yù)留沉降值，保證了結(jié)構(gòu)的凈空尺寸。支撐實(shí)測(cè)沉降位移統(tǒng)計(jì)表如表3所示。

表3 模板支撐架沉降位移統(tǒng)計(jì)表

6 結(jié)語(yǔ)

該工程結(jié)構(gòu)是國(guó)內(nèi)第一次在外海施工的現(xiàn)澆隧道結(jié)構(gòu)，其中第二次澆筑的CW1頂板局部厚度達(dá)到了1.7 m，墻身澆筑高度達(dá)9.1 m，墻厚1.5 m，一次澆筑混凝土2 058 m3。通過(guò)模板與支架的合理組合，實(shí)現(xiàn)了墻身和頂板的一次澆筑成型，澆筑質(zhì)量滿(mǎn)足現(xiàn)行規(guī)范及設(shè)計(jì)要求。裝配式支架及模板滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)使用要求，為現(xiàn)澆隧道結(jié)構(gòu)施工提供了較好的解決方案。

[1]JGJ 231—2010，建筑施工承插型盤(pán)扣式鋼管支架安全技術(shù)規(guī)程[S].

[2]江正榮.建筑施工計(jì)算手冊(cè)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007.

[3]建筑施工手冊(cè)編委會(huì).建筑施工手冊(cè).5版[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012.