秦嶺隧洞工程閘前漸變段小模板襯砌施工

宋健健，李永富，孟洋洋，李治洪

（陜西省引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司,陜西 西安 710100）

1 工程概況

引漢濟(jì)渭工程秦嶺隧洞控制閘分別為黃三隧洞控制閘、越嶺段控制閘和三河口連接洞控制閘，分別位于秦嶺隧洞黃三段、秦嶺隧洞越嶺段和三河口連接洞的末端。每一個(gè)控制閘有一個(gè)漸變段，分別是黃三段、秦嶺隧洞越嶺段和三河口段閘前漸變段。漸變段體型為馬蹄型斷面過渡到矩形斷面，馬蹄型斷面的尺寸為頂拱半徑R1=3.38 m，側(cè)墻及底板半徑R2=3R1=10.14 m，底板高程為542.65 m。矩形斷面的尺寸為7.0 m×6.9 m（寬×高），底板高程為542.65 m。漸變段長(zhǎng)度按均勻洞徑的1.5 倍～2.5 倍計(jì)以保證水流平順過渡，取為12.0 m，襯砌厚度0.5 m。（見圖1～圖4，圖中尺寸除注明外均以m計(jì)。）

2 閘前漸變段襯砌小模板及拱架設(shè)計(jì)

2.1 拱架設(shè)計(jì)

按照《秦嶺隧洞黃三段Ⅱ標(biāo)段控制閘閘前漸變段設(shè)計(jì)施工圖》圖號(hào)YHJW-HSD-Ⅱ-KZZ-13、14設(shè)計(jì)圖紙，將長(zhǎng)度12.0 m的閘前漸變段縱向按照間距0.5 m切割成25 個(gè)斷面，按照每個(gè)斷面的尺寸做好施工圖紙，按照?qǐng)D紙用材料工16 工字鋼制作25 個(gè)對(duì)應(yīng)斷面的拱架，見圖5。

圖1 閘前漸變段三維效果圖

圖2 馬蹄形斷面

圖3 過渡段斷面

圖4 矩形斷面

圖5 拱架加工斷面圖

2.2 模板材料及支撐體系

控制閘閘前漸變段襯砌施工采用模板拱架及滿堂式鋼管架支撐組合作業(yè)。經(jīng)提前備料、測(cè)得含水率為20%，滿足《水工混凝土施工規(guī)范》（SL 677-2014）要求。模板采用復(fù)合模板，即在2 cm厚木模面板上敷設(shè)竹膠板。板面長(zhǎng)2.0 m，寬度根據(jù)漸變段縮變，分平面板和圓錐角板。支撐體系采用滿堂式鋼管架支撐，鋼管架采用φ48×3.5鋼管，每米自重38.4 N，直角扣件每個(gè)自重13.2 N，旋轉(zhuǎn)扣件每個(gè)自重14.6 N，對(duì)接扣件每個(gè)自重18.4N。腳手架搭設(shè)時(shí)縱橫向間距0.9 m，步距2 m（上下兩層橫桿之間的距離）。

2.3 腳手架受力計(jì)算

已知條件：材料為Q235鋼，E=200 GPa，鋼材軸向容許應(yīng)力[σ]=140 MPa腳手架管外徑48 mm，壁厚3.5 mm。

2.3.1 荷載計(jì)算

①鋼筋砼重量：1 m×25 kN/m2=25 kN/m2（由設(shè)計(jì)厚度計(jì)算）。

②模板荷載計(jì)算：0.3 kN/m2（經(jīng)驗(yàn)值）。

恒載：q1=25+0.3=25.3 kN/m2。

③人員及施工機(jī)具：2.5 kN/m2（經(jīng)驗(yàn)值）。

活荷載：q2=2.5 kN/m2。

荷載系數(shù)分布：恒載×1.2+活荷載×1.4。

因此，q=25×1.2+2.5×1.4=33.5 kN/m2。

2.3.2 壓應(yīng)力計(jì)算

將整個(gè)面板總量分?jǐn)傊羻胃摴苌线M(jìn)行驗(yàn)算，縱橫間距為0.9 m，單根鋼管承受的范圍為0.81 m2，所以單根鋼管承受的荷載為33.5×0.81=27.135 kN。

鋼管的截面積A=（π×482-π×412）/4=489.055 mm2。

壓應(yīng)力σ=F/A=27.135×1000/489.055=55.48 MPa<[σ]=140 MPa，滿足要求。

2.3.3 壓桿穩(wěn)定計(jì)算

壓桿穩(wěn)定計(jì)算是為了驗(yàn)證在該作用力的作用下，受壓桿件會(huì)不會(huì)出現(xiàn)側(cè)向彎曲。首先要計(jì)算壓桿的柔度，以判斷壓桿是否是細(xì)長(zhǎng)桿，根據(jù)壓桿屬于短桿、中長(zhǎng)桿或者細(xì)長(zhǎng)桿來(lái)選定計(jì)算公式，計(jì)算其臨界應(yīng)力。而臨界應(yīng)力就是在搭設(shè)腳手架所選定的各尺寸下壓桿能承受的極限應(yīng)力，只要計(jì)算出來(lái)的臨界應(yīng)力大于壓桿所受的壓應(yīng)力則結(jié)構(gòu)安全。

首先計(jì)算桿件的慣性半徑：

如計(jì)算出來(lái) 61.6<λ<100,σcr=a-bλ，a、b查表；如λ<61.6,則桿件為短桿，不需進(jìn)行壓桿穩(wěn)定性驗(yàn)算。

σcr=π2E/λ2=3.142×200×109/126.62=123×106 Pa=123 MPa

σ=55.48MPa<σcr，則結(jié)構(gòu)安全。

根據(jù)上述兩方面的驗(yàn)算結(jié)果得知，鋼管架結(jié)構(gòu)支撐結(jié)構(gòu)安全，故所選材料滿足要求。

圖6 鋼拱架安裝、小模板安裝及鋼管架支撐斷面圖

2.4 入倉(cāng)混凝土高度計(jì)算

新澆筑混凝土對(duì)模板側(cè)壓力按照下式計(jì)算（按混凝土施工時(shí)最不利情況考慮）：

混凝土的有效壓頭高度h按下式計(jì)算：

式中：F為新澆混凝土對(duì)模板的最大側(cè)壓力，kN/m2；γc為新澆混凝土的重力密度，kN/m2，取值25 kN/m2；t0為新澆混凝土的初凝時(shí)間，h，可按實(shí)測(cè)確定，當(dāng)缺乏試驗(yàn)資料時(shí)，可采用to=200/（T+15）計(jì)算，T氣溫混凝土的溫度，℃，取20℃，一般計(jì)算取值5 h；H為混凝土側(cè)壓力計(jì)算位置至新澆混凝土頂面時(shí)的高度，m，取4.0 m；β1為外加劑影響修正系數(shù)，不摻外加劑時(shí)取1.0，摻加外加劑時(shí)，取1.2；β2為混凝土坍落度影響修正系數(shù)，坍落度小于30 mm，取0.85；50 mm～90 mm，取1.0；110 mm～150 mm，取1.15；V為混凝土的澆筑速度，取2 m/h。

經(jīng) 計(jì) 算，F(xiàn)=0.22γct0β1β2V1/2=53.66 kN/m2，F(xiàn)=γcH=100 kN/m2，按取最小值，故最大側(cè)壓力為F=53.66kN/m2；載荷設(shè)計(jì)值為F1=53.66×1.2=64.39 kN/m2，則有效壓頭高度h=2.576 m。

3 拱架及模板安裝

將現(xiàn)場(chǎng)加工好的拱架運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)，按照拱架編號(hào)進(jìn)行支立拱架，間距0.5 m設(shè)立拱架，共25 榀拱架，支立好的拱架用Φ22 的螺紋鋼進(jìn)行縱向加固。拱架及模板安裝前，嚴(yán)格按設(shè)計(jì)圖紙測(cè)量放樣，并在平面模板與錐形模板的切線方向加密控制，便于校正；安裝過程中，保持足夠的臨時(shí)固定設(shè)施，以防顛覆。模板與混凝土的接觸面，以及各模板接縫處，確保平整、密合，以保證混凝土表面的平整度和混凝土的密實(shí)性；模板的面板涂脫模劑，避免脫模劑污染或侵蝕鋼筋和混凝土，涂刷要均勻，脫模劑涂刷過厚的地方應(yīng)用面紗趕勻。模板安裝的允許偏差，按照規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢查，并考慮結(jié)構(gòu)物的安全、運(yùn)行條件、經(jīng)濟(jì)和美觀等因素。保持模板本身整潔及配套設(shè)備零件的齊全，安裝運(yùn)輸應(yīng)防止因隧洞內(nèi)施工場(chǎng)地限制產(chǎn)生碰撞損壞，模板堆放高度合理，并要防止浸水，盡量避免面板和拱架變形。

4 控制閘閘前漸變段襯砌效果分析

4.1 加快施工進(jìn)度

2018年6月2日完成控制閘越嶺段閘前漸變段襯砌混凝土施工，7月8日完成黃三段控制閘閘前漸變段襯砌混凝土施工，8月21日完成三河口段控制閘閘前漸變段襯砌混凝土施工。陜西省引漢濟(jì)渭工程秦嶺輸水隧洞控制閘襯砌混凝土附屬工程，是2018 年重難點(diǎn)工程，能在較短的時(shí)間內(nèi)完成這項(xiàng)難點(diǎn)工程，為年度進(jìn)度目標(biāo)節(jié)省了時(shí)間，保證了項(xiàng)目年度進(jìn)度目標(biāo)的順利完成。

4.2 改進(jìn)質(zhì)量

在引水隧洞閘前漸變段小模板襯砌質(zhì)量控制過程中，成功的攻克了閘前漸變段混凝土幾何尺寸符合設(shè)計(jì)要求和提高閘前漸變段襯砌施工安全系數(shù)這兩個(gè)難點(diǎn)問題。控制閘閘前漸變段馬蹄型斷面過渡到矩形斷面拆模之后，混凝土幾何尺寸符合設(shè)計(jì)要求，大大提高了在水利工程施工，尤其是襯砌混凝土施工的水平，對(duì)后期水利工程類似工程施工提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

表1 閘前漸變段襯砌施工方案對(duì)比分析表

4.3 經(jīng)濟(jì)效益

按照設(shè)計(jì)圖紙漸變段體型為馬蹄型斷面過渡到矩形斷面，即由圓形變矩形，閘前漸變段外形尺寸屬異形斷面，施工可選擇兩個(gè)方案：方案一是直接按照斷面尺寸定制定型鋼模板，用定制好的定型鋼模板拼裝成型，進(jìn)行混凝土施工；方案二是復(fù)合模板、鋼拱架及滿堂式鋼管架支撐組合施工，按照測(cè)量定位拼裝好鋼拱架，安裝復(fù)合模板，對(duì)復(fù)合模板進(jìn)行加固，對(duì)作為骨架的鋼拱架進(jìn)行用滿堂式鋼管架支撐。通過施工情況對(duì)兩種方案進(jìn)行兩種方案進(jìn)行了成本預(yù)算、外觀尺寸控制和安全系數(shù)統(tǒng)計(jì)分析，具體分析見表1。

在要求的工期內(nèi)和現(xiàn)有的人工、材料和機(jī)械條件下，通過項(xiàng)目費(fèi)用測(cè)算，如果選用復(fù)合模板襯砌方案，人工、材料和機(jī)械消耗費(fèi)用共計(jì)296965.84元；而如果選用定型鋼模板襯砌方案，將必須額外租賃一臺(tái)汽車吊，將會(huì)消耗費(fèi)用682370元。通過對(duì)比，選用復(fù)合模板襯砌方案節(jié)省385404.16元，為項(xiàng)目創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

異形鋼模板在廠家加工時(shí)間長(zhǎng)，單個(gè)鋼模板重量太大，不容易操作，安全系數(shù)低，且僅能用作本工程一次性使用，投入成本較大；而復(fù)合模板、鋼拱架及滿堂式鋼管架支撐組合施工取材方便，可操作性強(qiáng)，施工便捷，安全系數(shù)高，同時(shí)能降低消耗，節(jié)約施工成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)比之下，復(fù)合模板、鋼拱架及滿堂式鋼管架支撐施工更優(yōu)。

5 結(jié)語(yǔ)

雖然通過引水隧洞閘前漸變段小模板襯砌質(zhì)量控制方案施工，為黃三水利項(xiàng)目加快了施工進(jìn)度，同時(shí)創(chuàng)造了理想的經(jīng)濟(jì)效益；但是，在混凝土外觀質(zhì)量控制方面還有待提高。下一步，應(yīng)繼續(xù)努力，總結(jié)施工經(jīng)驗(yàn)，研究如何提高混凝土外觀質(zhì)量這一難點(diǎn)。