棚洞施工用的移動鋼模架設計及施工創(chuàng)新技術

韋權 何磊祖

摘要：文章針對傳統(tǒng)滿堂支架施工存在的問題，結合陽朔至鹿寨高速公路土建工程№1標現(xiàn)澆棚洞施工實例，通過分析半拱棚洞結構特點，創(chuàng)新設計出一種整體剛度大、結構安全性高，能夠抵抗較大豎向力和水平推力的非對稱式移動鋼模架，并分析了該移動鋼模架施工工藝與效益。

關鍵詞：棚洞施工;滿堂支架;移動鋼模架

0 引言

棚洞是指明挖路塹后，構筑簡支的頂棚架，并回填而成的洞身，屬于明洞范疇的隧道，主要作用是防止滑坡和防止道路受到滑坡的影響，是保障行車安全的一個重要建筑物。國內棚洞頂板一般為水平式或曲墻式，水平式頂板和曲墻組合的棚洞相對較少，此類棚洞被稱為半拱棚洞，半拱棚洞的受力情況為非對稱式。一般水平式頂板棚洞采用滿堂支架施工，曲墻式棚洞采用隧道二襯臺車施工。對于包含水平段頂板和圓弧段頂板的半拱棚洞，難以采用滿堂支架及隧道二襯臺車配合施工，隧道二襯臺車為左右對稱結構，使用隧道二襯臺車會侵占到水平段滿堂支架的搭設，必須對隧道二襯臺車進行改裝，但臺車結構遭受破壞難以周轉使用。傳統(tǒng)做法一般是全部采用滿堂支架施工，由于半拱棚洞自身的結構特點會對滿堂支架產生巨大的大偏壓作用，滿堂支架抵抗水平推力能力較弱，圓弧段混凝土不能一次與一體回填混凝土同時澆筑，還需安裝圓弧段外側模板，為抵抗混凝土側壓力還需安裝模板拉桿，拉桿孔封堵不嚴密容易出現(xiàn)滲水情況。滿堂支架模板在圓弧段的坐標定位、安裝質量、結構安全性、混凝土澆筑質量和施工進度難以保證，而且需要大量人工。查閱相關資料暫無很好的實施案例，為此，通過分析半拱棚洞結構特點，創(chuàng)新設計出一種整體剛度大、結構安全性高，能夠抵抗較大豎向力和水平推力的非對稱式鋼模架。本鋼模架能夠整體移動，定位準確，采用裝配式結構，易于安裝拆除，作業(yè)效率高。圓弧段混凝土和回填混凝土可同時進行澆筑，且圓弧段模板無須穿設對拉螺桿，棚洞成品內實外美。

1 工程概況

陽朔至鹿寨高速公路土建工程№1合同段K0+969～K1+168棚洞建筑界限尺寸為11.50（寬）×5.0m（高），全長為199m。棚洞采用條形基礎，頂板厚[JP+1]度為0.8m，頂板由水平段和圓弧段組成，圓弧段頂部設計一體回填C30混凝土至頂板標高，施工采取頂板和回填混凝土同時進行澆筑。水平段頂板通過搭設碗扣式支架施工，圓弧段頂板采用移動鋼模架進行施工。圖1為棚洞立面圖。

2 移動鋼模架結構設計

2.1 總體設計思路

該棚洞圓弧段頂板及一體回填混凝土在澆筑過程中處于流塑狀態(tài)，荷載由直板段向圓弧段逐漸增大，對內模支架體系形成大偏壓作用。圓弧段支架體系需克服流塑狀態(tài)混凝土作用下產生的豎向分力及水平分力。普通支架抵抗水平推力的能力較弱，本鋼模架結構設計主體采用桁架結構，內部桿件連接為三角形形狀，整體由多個三角形組成，使鋼模架整體剛度較大，桿件主要受拉力與壓力作用，有效提高鋼材利用率，充分發(fā)揮鋼材優(yōu)點。鋼模板焊接背肋，相當于增加了截面高度，極大地提高了其抗彎承載力。在鋼模架底部安裝滑輪，可以使鋼模架在鋼板上進行移動。將升降支座放置在鋼模架主梁底部進行支撐，保證鋼模架擁有足夠的豎向支撐力。為了不侵占水平段支架的搭設，鋼模架橫斷面設計為非對稱的扇形結構，而隧道二襯臺車為對稱結構，左右水平分力互相平衡。本鋼模架采取了直墻段澆筑時預埋套筒，將螺桿伸進套筒擰緊，再將套筒另一端焊接至鋼架底部，使鋼模架擁有足夠的水平抗力以抵抗混凝土作用于模板體系的水平分力。

2.2 移動鋼模架結構

移動鋼模架主要由底模板和支架組成。底模板面板為8mm厚鋼板，水平橫肋采用8號槽鋼，環(huán)向加勁肋采用12mm厚200mm寬鋼板，模板間法蘭連接鋼板采用12mm厚100mm寬鋼板;支架片采用10#槽鋼，與環(huán)向加勁肋焊接為整體，支架片縱向焊接8#槽鋼水平剪刀撐;支架底部采用Ⅰ25#a工字鋼作為橫梁，Ⅰ25#a工字鋼搭設于主梁上焊接牢固。主梁采用雙拼Ⅰ40#a工字鋼，在主梁上設置行走輪，方便拱形支架的整體移動。澆筑混凝土過程中為抵抗混凝土的水平推力采用連接混凝土直墻預埋的螺紋鋼的方式。移動鋼模架整體采用裝配式結構，在工廠分塊預制加工，運輸至現(xiàn)場組裝即可施工。移動鋼模架結構如圖2、圖3所示。

2.3 有限元分析驗算

采用MidasCivil2019版對移動鋼模架進行有限元分析驗算。模板面板及模板豎向加勁肋采用板單元模擬，模板橫肋、支架片、橫梁、縱梁和牛腿采用梁單元模擬，剪刀撐及拉桿采用桁架單元模擬。支架與模板豎向加勁肋采用一般彈性連接，縱梁和橫梁采用一般彈性連接，縱梁支墊處采用一般支承邊界條件約束。有限元模型如圖4所示。

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，移動鋼模架工作期間受到的荷載有：結構本身的自重、流塑狀態(tài)的混凝土濕重、新澆混凝土對模板的側壓力、振搗混凝土時產生的振動荷載、施工人員及機具荷載等。

計算3種施工工況的結構安全性，分別有3種荷載組合：

（1）移動鋼模架升降工況，荷載組合為1：1.2支架自重。

（2）移動鋼模架澆筑混凝土工況，荷載組合為2：1.2支架自重+1.2混凝土自重+1.2混凝土側壓力+1.4施工機具人員荷載+1.4振搗混凝土荷載。

（3）移動鋼模架整體行走工況，荷載組合為3：1.2支架自重。

對模型施加荷載進行分析，提取澆筑混凝土最不利工況結果如表1所示。圖5為澆筑混凝土工況有限元模型。

對移動鋼模架澆筑混凝土工況進行屈曲分析。屈曲分析荷載組合：不變荷載（1.2支架自重+1.2混凝土自重+1.2混凝土側壓力）+可變荷載（1.4施工機具人員荷載+1.4振搗混凝土荷載），運行分析得到模態(tài)1特征值為9.37，大于經驗值4，結構最不利工況的穩(wěn)定性滿足要求。表2為屈曲分析結果匯總表，圖6為屈曲模態(tài)1有限元模型。

3 移動鋼模架施工工藝

3.1 施工工藝流程

施工工藝流程如下頁圖7所示。

3.2 施工操作要點

3.2.1 路面防污染處理

因本工程為搶險復工工程，在完成瀝青面層鋪筑后才施工棚洞。為了防止路面污染，在施工區(qū)域依次鋪墊彩條布、土工布，保證施工完成后路面的整潔。

3.2.2 鋪設鋼板

在土工布上鋪設鋼板。

3.2.3 安裝移動鋼模架

（1）每片支撐架在工廠預制后拉運到現(xiàn)場進行組裝。先臨時固定兩片支撐架，在兩片支撐架之間采用槽鋼進行連接，再吊裝鋼模板跟支撐架進行焊接，焊接點為支撐架的角鋼與預制鋼模板上的加勁肋。

（2）在兩片支撐架底部焊接橫梁。兩片支撐架加兩根橫梁加對應的模板為一榀鋼模架。

（3）將每榀鋼模架按順序吊裝至對應位置后焊接在縱梁上，并采用高強度螺栓將每塊鋼模板進行連接。

（4）安裝支撐架縱向水平連接、豎直方向剪刀撐和水平方向剪刀撐。

（5）對移動鋼模架安裝后進行調試。主要調試內容包括行走、制動、側墻伸縮、起降以及整體穩(wěn)定性等。

3.2.4 鋼模架整體移動到位

借助鏟車利用繩索拖動單節(jié)鋼模架往前移，直到前移至提前標識好的位置。在鋼模架移動過程中，應平穩(wěn)推進，注意鋼模架的穩(wěn)定性。除了行走輪防止有其他結構受外力作用。

3.2.5 安裝千斤頂

在最側邊的橫梁上共設置4個頂升點，需用4個千斤頂共同作用同步頂升。桁架移動到位后，在每個頂升支腿下面安裝千斤頂。千斤頂?shù)撞繎|鋼板確保平整，避免出現(xiàn)千斤頂傾斜的情況。

3.2.6 頂升支架模板到位

千斤頂安裝完畢并檢查無任何問題后開始往上頂升。4個千斤頂?shù)捻斏俣葢剑鶕?jù)提前計算好的頂升高度緩慢進行。桁架兩端高度可進行微調，直到達到設計高度。

3.2.7 各支點固定

根據(jù)設計要求，每節(jié)桁架支墊應按一定縱向間距布置在縱梁底下，每節(jié)桁架共設14個支點。在支墊下方安放方凳，用楔形塊塞緊方凳與縱梁之間的間隙。

3.2.8 支撐架加固

為防止?jié)仓炷吝^程中鋼模架橫移，采取以下措施：

（1）在右側直墻段預埋螺母和拉桿洞。拉桿洞縱向間距與鋼模架橫梁間距一致，螺母在混凝土中的固定方式為將螺母與螺桿連接后在連接口進行焊接防止相對移動，然后將螺桿彎折，將成為一個整體的螺母和彎折螺桿預埋進混凝土里，在固定鋼模板的時候通過將螺紋拉桿伸入拉桿洞中與螺母擰緊則可將其一端固定在直墻內，另一端則與橫梁進行焊接連接。

（2）在澆筑基礎時預埋螺紋鋼，間距與模板橫梁間距對應，模板安裝完成后預埋件與模板橫梁間采用螺紋鋼焊接連接。圖8為移動鋼模架安裝成型現(xiàn)場圖。

3.2.9 安裝鋼筋

鋼筋安裝的過程中嚴格按照設計和規(guī)范要求進行焊接、搭接和綁扎，安裝要牢固，位置要準確。

3.2.10 澆筑混凝土

現(xiàn)澆棚洞頂板、托梁、圓弧墻混凝土體積龐大，需分批澆筑。每次間隔澆筑同等移動鋼模架長度，澆筑順序為先澆筑圓弧鋼模板部分，再澆筑滿堂支架部分混凝土。為預防冷縫形成，兩部分的澆筑均使用兩臺天泵，采用分層澆筑方式從一端往另一端連續(xù)澆筑，每層澆筑40cm。澆筑時應從低側往高側進行，嚴禁從高往低澆筑。

3.2.11 養(yǎng)護

為保證混凝土澆筑之后的質量，需要對其進行養(yǎng)護。在進行養(yǎng)護的同時，安裝下一節(jié)段的碗扣式滿堂支架模板和外模。

3.2.12 支架與模板拆除

在混凝土達到80%強度后，對圓弧模部分進行拆除。拆除支架模板應按每節(jié)進行。先拆除楔形塊及方凳，松開裝有門軸的短段圓弧模，然后支撐在縱梁上的升降支座同步縮回整體下降支架模板，待鋼模板完全脫離混凝土面，升起千斤頂接觸到最兩側的橫梁，縮回升降支座高度后拆除縱梁梁底短桿和升降支座，千斤頂縮回直到移動鋼模架接地，鋼模架往前移動進行下一輪工序的施工。圖9為移動鋼模架脫?，F(xiàn)場圖，圖10為棚洞成品現(xiàn)場圖。

4 效益分析

由表3對比可知移動鋼模架用于棚洞圓弧部分的施工所需的成本是適中的，工期跟采用隧道二襯臺車是一樣的，都比采用傳統(tǒng)滿堂支架施工速度快，所以采用移動鋼模架用于棚洞圓弧部分的施工其經濟效益是可觀的。

5 結語

通過科學分析設計適用于棚洞施工的移動鋼模架，解決了棚洞施工階段對支架體系產生的大偏壓作用和水平分力作用，克服了傳統(tǒng)滿堂支架的一些缺陷，結合了隧道二襯臺車可整體移動的優(yōu)點，整體結構采用裝配式，分塊在工廠預制，運輸至現(xiàn)場可快速進行安裝作業(yè)，為同類型棚洞施工或存在大偏壓及水平分力作用結構物施工提供參考。

半拱棚洞的水平段仍然采用常規(guī)的滿堂支架施工，需要搭設較大規(guī)模的滿堂支架，可以考慮設計適用于水平段棚洞施工的移動臺車。該移動鋼模架還存在著裝配式設計不徹底的問題，現(xiàn)場安裝局部存在焊接連接，可進行結構深入設計，采取螺栓連接等非焊接的連接形式，保證安裝質量更可靠安拆更高效。移動鋼模架的側模伸縮、頂升和整體移動可進一步向電氣化、自動化方向發(fā)展。

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