雙線海底隧道T-I型中隔墻模板臺車設計與應用

張富強，孫 振

(1.中鐵三局集團有限公司，山西 太原 030000；2.山東科技大學 土木建筑學院，山東 青島 266510)

在單洞雙線海底隧道施工中，為避免左右線軌道列車行駛的干擾以及防火分區(qū)的要求，需要在隧道中部設置中隔墻將其分開[1]。中隔墻傳統(tǒng)澆筑方式存在施工進度緩慢、影響隧道掘進方向的車輛通行、混凝土外觀質量差、施工成本高等缺點[2-3]。通過對中隔墻模板臺車深入地調研和查閱大量工程實例資料，結合青島地鐵1號線瓦屋莊站—貴州路站區(qū)間(以下簡稱瓦貴區(qū)間)海底隧道現場情況，設計了大斷面海底隧道用T-I型中隔墻模板臺車。本文對其結構設計和應用技術進行探討，以期為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

青島地鐵1號線瓦貴區(qū)間起自黃島區(qū)瓦屋莊站，沿既有膠州灣隧道東側向北下穿膠州灣灣口后，接入青島主城區(qū)貴州路站，線路全長約8.07 km。其中01標段長4.76 km，采用礦山法開挖，襯砌為復合式襯砌結構，襯砌混凝土強度等級為C50，防水抗?jié)B等級為P12，區(qū)間隧道斷面內凈空尺寸為10.1 m(寬)×7.01 m(高)。雙線隧道中隔墻長 3 886 m(如圖1所示)，中隔墻混凝土厚400 mm，混凝土強度等級為C35，中隔墻距水溝內側3.9 m。I型中隔墻長 2 365 m，高7.01 m(其中加寬JK1橫斷面長51 m，高7.96 m；加寬JK2橫斷面長107 m，高7.31 m)；T型中隔墻長 1 521 m，高5.09 m，板厚200 mm。

圖1 瓦貴區(qū)間海底隧道01標段中隔墻平面

2 T-I型中隔墻模板臺車設計

瓦貴區(qū)間海底隧道海域段與陸域段分別采用 T型和I型中隔墻(如圖2所示)，I型中隔墻分為居中I型與加寬I型。兩者中隔墻模板臺車設計位置、高度不同。如何設計臺車在不同結構形式的中隔墻模板中通用，同時保證其外輪廓尺寸、車輛正常通行、安全質量等，使得中隔墻模板臺車的設計難度加大[4-6]。

中隔墻模板臺車設計中必須滿足以下條件：

1)模板及支架應具有足夠的強度、剛度、穩(wěn)定性和抗上浮能力，能安全承受所澆筑混凝土的重力、側壓力以及在施工中可能產生的各種荷載，并且模板不凹凸、支架不偏移、不扭曲，多次重復使用不變形。為滿足模板臺車的剛度要求，模板接縫要嚴密不漏漿，表面平整度不大于3 mm，接縫錯臺不大于2 mm,臺車前后端輪廓相差不大于3 mm，模板間隙不大于1.5 mm。

2)中隔墻模板臺車左右側門架下必須保證掌子面開挖時大型車輛順利通行，滿足裝載機左右兩側外輪距3 m和混凝土罐車高度4.2 m的要求，其中水溝距中隔墻的凈寬為3.9 m。

圖2 中隔墻模板結構示意(單位：mm)

3)由于單洞雙線隧道在不同位置凈寬也不相同，如正常凈寬為10.1 m，而隧道交匯處最大凈寬為11.97 m。因采用了I型與T型中隔墻，故要確保中隔墻模板臺車滿足居中I型、加寬I型、T型中隔墻共用。在隧道高度變化、中隔墻結構形式變化時需要增加調整塊及將模板分節(jié)。

2.1 支架結構設計

中隔墻模板臺車由左右側對稱的構造體系組成，有效長度為9.06 m，質量為52 t。單側由獨立的門架、模板體系、橫縱向調整油缸系統(tǒng)、絲杠以及走行系統(tǒng)組成。門架一側放置在水溝平臺上，另一側放置在仰拱面上，便于加大門架下凈寬滿足車輛通行。門架一側連接模板體系，為避免臺車失去平衡，另一側在水溝側門架上增加80 kN配重。模板體系通過門架上液壓油缸調整就位，就位后通過對拉絲桿連接緊固。

在施作隧道二次襯砌時內凈空擴大50 mm，由于存在施工誤差，中隔墻模板臺車T型板寬度按照二次襯砌內輪廓線擴大30 mm設計。中隔墻下部先施工260 mm 墻體作為搭接段，搭接長度7.7 cm，便于中隔墻模板臺車豎向移動脫模，在門架頂梁設置支撐扁擔向左右滑移即可豎向脫模。

2.2 臺車門架設計

中隔墻模板臺車的單側由4套門架組成。門架的立柱和橫梁分別采用300H型鋼和400H型鋼，門架下凈寬3.135 m，凈高4.228 m，可滿足隧道開挖支護、襯砌作業(yè)的機械設備順利通行。

2.3 臺車模板體系設計

模板體系縱向由4塊模板拼裝而成。每塊模板縱向長2.25 m，模板面板為Q235鋼板，面板厚8 mm。每塊模板主楞由2組雙[20槽鋼背靠背焊接而成，間距1.25 m，次龍骨為[10槽鋼，間距0.4 m。

通過拆除支撐扁擔、水平油缸及斜向絲杠撐，旋轉I型中隔墻頂部模板作為T型中隔墻模板底板，將T型中隔墻模板底板轉換成I型中隔墻頂部模板，增加調整塊，在門架上設計T型橫向移動滾輪，實現I型中隔墻與T型中隔墻澆筑模板系統(tǒng)共用。

2.4 臺車液壓油缸系統(tǒng)設計

T型中隔墻模板臺車單側共有液壓油缸10個(油缸主要技術參數見表1)，油缸分別為門架升降4個，旋轉2個，模板橫向移動2個，模板伸縮2個。I型中隔墻模板臺車單側共有液壓油缸8個，油缸分別為門架升降4個，模板橫向移動1個，模板伸縮1個，支撐扁擔移動伸縮2個。模板定位后門架頂部中隔墻懸臂長度為2.385 m。為避免模板橫向傾倒，設置直徑為70 mm的絲杠，間距1.5 m。

表1 油缸的主要技術參數 mm

在模板脫模時，模板水平脫模及豎向調整由液壓系統(tǒng)完成，在模板定位及脫模時油缸采用同步裝置，液壓電機功率5.5 kW，工作壓力16 MPa，避免同向升縮進程不同，從而引起模板體系變形。在模板與原二次襯砌接觸部位，采用旋轉油缸調節(jié)，避免模板與隧道的二次襯砌碰撞，便于臺車脫模拆除。模板橫向平整度由背楞保證，縱向剛度由門架保證。豎向脫模量150 mm，水平脫模量200 mm，確保脫模不影響已澆筑混凝土的質量。

2.5 臺車行進系統(tǒng)設計

臺車行進系統(tǒng)由主動行走機構組成，行走電機帶動主動輪在鋼軌上行走，鋼軌質量為43 kg/m，軌距為3.95 m，臺車單側有4個驅動電機，功率1.25 kW。

2.6 臺車橫向絲杠及投料口設計

中隔墻模板臺車由液壓系統(tǒng)定位完成后，安裝對拉絲杠，對拉絲杠采用φ20 mm精軋螺紋鋼筋，縱向間距1.25 m，橫向間距1.5 m。

混凝土澆筑采用地泵逐層同步澆筑。為保證中隔墻混凝土外觀質量，在臺車一側設計投料口，縱向設計4個，尺寸450 mm×450 mm，投料口設置在臺車模板的中部，滿足混凝土自由落體高度?？v向4個窗口連接溜槽，達到分層同步澆筑的要求。通過窗口進行混凝土投料及插入式振搗。在臺車豎向模板上安裝附著式振搗器，縱向一側4個，兩側共8個，與插入式振搗器同步作業(yè)。

3 中隔墻模板臺車數值模擬

3.1 模板受力狀態(tài)

分以下2種狀態(tài)進行分析：

1)模板澆筑混凝土時，此時模板主要承受混凝土側壓力、自重、混凝土沖擊力等，模板依靠內部拉桿進行受力，模板臺架不受力。

2)臺車走行時，臺車門架主要承受自身重量及模板自重。

中隔墻模板臺車所受荷載取值：混凝土側壓力50 kN/m2，傾倒混凝土時產生的豎向荷載取2 kN/m2，振搗混凝土對水平模板產生的荷載標準值取2 kN/m2。

3.2 材料主要參數

Q235鋼彈性模量E=2.1×1011Pa，剪切模量G=0.81×105MPa，密度ρ=7 850 kg/m3；Q235鋼軸向容許應力[σa]=140 MPa，彎曲容許應力[σw]=145 MPa，剪切容許應力[στ]=85 MPa，組合容許應力[σ組合]=160 MPa；容許撓度[f]=L/400=5 mm(L為計算跨徑)[7]。

3.3 模型與結果分析

3.3.1 狀態(tài)1

根據模板結構，采用MIDAS2015結構有限元計算軟件，建立結構計算模型(見圖3)進行分析。取其中一塊模板建模進行分析[8]。

圖3 結構計算模型(狀態(tài)1)

橫肋采用[10槽鋼，其受力情況見圖4。可見：橫肋最大組合應力為85.6 MPa，小于組合容許應力160 MPa。

圖4 橫肋組合應力(單位：MPa)

模板結構的整體位移見圖5?？梢姡鹤畲笳w位移3.1 mm，小于容許撓度5 mm，滿足要求。

圖5 模板結構整體位移(單位：mm)

3.3.2 狀態(tài)2

對臺車整體建模(見圖6)分析，不再逐一對桿件進行分析。

圖6 結構計算模型(狀態(tài)2)

臺車整體桿件組合應力見圖7?？梢姡涸谧畈焕M合荷載作用下臺車整體桿件最大組合應力為26.4 MPa，小于組合容許應力160 MPa，滿足要求。

圖7 臺車整體桿件組合應力(單位：MPa)

臺車整體桿件彎曲應力見圖8。可見：在最不利組合荷載作用下臺車整體桿件最大彎曲應力為14.4 MPa，小于彎曲容許應力145 MPa，滿足要求。

圖8 臺車整體桿件彎曲應力(單位：MPa)

4 中隔墻模板臺車在工程中的應用及驗證

海底隧道用中隔墻模板臺車安裝施工流程如圖9所示[9]。

圖9 中隔墻模板臺車安裝施工流程

4.1 居中I型中隔墻模板臺車關鍵施工技術

1)測量確定鋼軌中心位置，擺放枕木鋪設鋼軌。

2)安裝相應門架、豎向模板、液壓千斤頂、絲桿等支撐系統(tǒng)。

3)在中隔墻模板上刷涂脫模劑(濃縮型乳白色脫模劑(SH-96B))，通過調節(jié)水平液壓系統(tǒng)，使得中隔墻模板就位于設計位置，通過投料窗口澆筑混凝土，中隔墻模板之間通過絲杠緊固，澆筑混凝土。

澆筑順序采用地泵逐層逐窗澆筑，下一環(huán)澆筑前先將臺車固定端頂緊已完成襯砌，每環(huán)搭接長度5～7 cm，搭接處粘貼雙面膠條，搭接過長或不粘貼膠條會造成環(huán)形施工縫處漏漿和出現錯臺現象，搭接過短會造成臺車對已澆筑混凝土產生壓力，出現裂縫等現象[10]。

4)每環(huán)澆筑完畢后臺車推往未綁扎鋼筋地段，對模板臺架進行打磨作業(yè)，并涂刷脫模劑，確保臺車模板面板光亮。

4.2 加寬I型中隔墻模板臺車關鍵施工技術

1)通過測量，確定臺車中心位置、高程等信息，與居中I型中隔墻模板臺車不同之處在于隧道斷面加寬，門架一側不能放置在水溝平臺上，在該側添加調整塊加高門架，使門架的兩側同時放置在底板上。

2)將居中I型中隔墻模板臺車頂部調整塊卸下，安裝新的加長調整塊，滿足澆筑高度的要求。

4.3 T型中隔墻模板臺車關鍵施工要點

1)測量放線，鋪設鋼軌。澆筑方法同上。

2)拆除支撐扁擔、水平千斤頂及斜向絲杠撐，旋轉I型中隔墻頂部模板作為T型中隔墻模板底板，在頂板的最外側設置調節(jié)塊，鋪設小木方塊與隧道二次襯砌密貼。臺車模板利用液壓油缸和臺車下部滾輪橫向移動，整體門架豎向移動脫模。

5 采用T-I型中隔墻模板臺車的效益分析

以瓦貴區(qū)間海底隧道為例，進行經濟效益測算。投入2臺9 m中隔墻模板臺車施工3.886 km中隔墻，二次襯砌施工完成1個月后中隔墻全部完成。將傳統(tǒng)方法(小模板拼裝搭設腳手架)和新工法(采用T-I型中隔墻模板臺車)的費用和工期對比，見表2和表3。

表2 小模板拼裝搭設腳手架費用及工期

表3 T-I型中隔墻模板臺車費用及工期

對比表2和表3可以得出：在不考慮該工法工期提前減少相關費用的情況下，比傳統(tǒng)方法節(jié)省費用135.02萬元。

6 結論

針對大斷面海底隧道用中隔墻模板臺車的設計，采用MIDAS軟件，對中隔墻模板臺車的2種受力狀態(tài)進行了數值模擬分析，驗算了結構設計的合理性，并在青島地鐵1號線瓦貴區(qū)間海底隧道中應用，取得較好效果。得出結論如下：

1)瓦貴區(qū)間海底隧道中隔墻施工中，中隔墻模板臺車施工1環(huán)9 m，24 h可循環(huán)1次。而傳統(tǒng)的腳手架簡易模板則需要96 h，大大加快了中隔墻的施工進度。從拆模效果來看，采用中隔墻模板臺車施工襯砌表面平整光潔，達到了混凝土施工內實外美的效果。同時也節(jié)約了成本，保證了施工安全。

2)T-Ⅰ型中隔墻模板臺車可完成居中Ⅰ型、加寬Ⅰ型、T型中隔墻的施工，其關鍵技術可靠、經濟環(huán)保、工藝成熟。

3)采用中隔墻模板臺車施工極大減少了人工、材料的支出，為項目節(jié)省了成本，保證了工期，并且提高了工程施工效率，具有環(huán)保、經濟、高效、快速施工的優(yōu)勢，有著廣闊的發(fā)展前景。