共架模板臺(tái)車在隧道薄壁中隔墻施工中的應(yīng)用

陳崟濤,劉錄剛,鄒 皓,楊建輝

(1.浙江科技學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院,杭州 310023;2.浙江交工集團(tuán)股份有限公司,杭州 310051)

市域軌道交通工程中,常采用在大斷面隧道中設(shè)置中隔墻形成兩個(gè)獨(dú)立隧道的方法,來(lái)滿足布置雙線交通的需要,其施工質(zhì)量與隧道后期運(yùn)營(yíng)的安全性密切相關(guān)。中隔墻多為薄壁鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)[1],高厚比較大,且不同隧道斷面內(nèi)中隔墻高度不同,導(dǎo)致同一模板臺(tái)車不能滿足全線中隔墻施工需求,為中隔墻施工帶來(lái)一定的難度[2-4]。

國(guó)內(nèi)眾多研究者根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工狀況對(duì)中隔墻施工技術(shù)進(jìn)行了探討,周彪[5]依托雅瀘高速公路大相嶺隧道對(duì)陡坡斜井中隔墻快速施工技術(shù)進(jìn)行了研究,從移動(dòng)方式及混凝土運(yùn)輸兩方面對(duì)模板臺(tái)車進(jìn)行優(yōu)化,從而解決了長(zhǎng)大陡坡斜井中隔墻施工的問(wèn)題。張富強(qiáng)等[6]結(jié)合大斷面海底隧道的施工狀況,提出了T-I形中隔墻模板臺(tái)車來(lái)實(shí)現(xiàn)居中I形、加寬I形、T形中隔墻的施工。也有研究者通過(guò)對(duì)臺(tái)車進(jìn)行受力分析及對(duì)比來(lái)總結(jié)其安全性與優(yōu)缺點(diǎn),王濤[7]結(jié)合丹海高速公路喬家連拱隧道工程,對(duì)中隔墻液壓臺(tái)車的模板和門架結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析與計(jì)算,證明該臺(tái)車安全可靠。祁世亮[8]通過(guò)對(duì)深圳地鐵4號(hào)線Ⅱ期工程中隔墻部分的施工研究,總結(jié)了中隔墻臺(tái)車在隧道施工中的優(yōu)缺點(diǎn)。隨著有限元軟件的使用越來(lái)越廣泛,越來(lái)越多的研究者選擇對(duì)臺(tái)車結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值分析,然后對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,羅崇亮等[9]以某引水隧道為研究對(duì)象,選擇典型的斷面進(jìn)行ANSYS有限元分析,通過(guò)分析其變形云圖與應(yīng)力分布云圖,得出可采取固結(jié)灌漿措施及加大側(cè)墻底板連接處的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度來(lái)進(jìn)行臺(tái)車的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

從已有文獻(xiàn)可見(jiàn),中隔墻施工大都采用模板臺(tái)車進(jìn)行混凝土澆筑,臺(tái)車由左右兩部分拼裝而成,較少涉及同一隧道變斷面中隔墻施工的情況。因此本文依托東陽(yáng)橫店高鐵站至明清宮站區(qū)間中隔墻施工隧道工程,對(duì)隧道存在3種輪廓凈空斷面的問(wèn)題,開(kāi)展共架裝配式中隔墻模板臺(tái)車的研究,并通過(guò)ANSYS有限元軟件對(duì)典型斷面模板臺(tái)車結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力與位移分析,以為其使用提供依據(jù)。

1 模板臺(tái)車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)力位移分析

1.1 工程概況

東陽(yáng)橫店高鐵站至明清宮站山嶺隧道,小里程端與明挖暗埋區(qū)間連接,大里程端與高架區(qū)間連接。隧道長(zhǎng)度為638 m,共有3種隧道輪廓凈空斷面交替出現(xiàn),中隔墻需進(jìn)行5次高度轉(zhuǎn)換。隧道設(shè)置厚度為350 mm的C30混凝土中隔墻,中隔墻與仰拱鋼筋的連接采用植筋的方式,中隔墻采用移動(dòng)式模板臺(tái)車澆筑。

1.2 模板臺(tái)車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隧道有3種不同的斷面,其面積為72、87、120 m2,對(duì)應(yīng)的中隔墻高度為8.2、8.81、10.47 m,高厚比分別為23.42、25.17、29.91,都屬于薄壁結(jié)構(gòu),圖1為隧道斷面87 m2和120 m2的交界處。為了解決變斷面隧道中隔墻澆筑的問(wèn)題,工程中設(shè)計(jì)了如圖2所示的3種隧道斷面模板臺(tái)車結(jié)構(gòu)圖,分別適用于72、87、120 m2的斷面。

圖1 隧道斷面87 m2和120 m2的交界處Fig.1 Junction of 87 m2 and 120 m2 of tunnel section

模板臺(tái)車均由左右對(duì)稱的兩部分組成,兩者之間用拉桿連接。每側(cè)的模板臺(tái)車由共用基礎(chǔ)門架、上部附加結(jié)構(gòu)、水平支撐桿、行走機(jī)構(gòu)及模板等五部分組成,門架與模板之間通過(guò)油缸相連接,構(gòu)成一個(gè)整體。

門架對(duì)模板起到支撐的作用,承擔(dān)混凝土澆筑時(shí)的載荷,因此門架應(yīng)滿足應(yīng)力、剛度和穩(wěn)定性的要求。本工程以72 m2的隧道斷面門架為基礎(chǔ)門架,先在其上部焊接不同尺寸的附加結(jié)構(gòu),形成適用于87 m2和120 m2斷面的模板臺(tái)車。再通過(guò)左右側(cè)水平支撐桿的伸縮,適用于不同的斷面寬度。

模板臺(tái)車中,水平支撐桿與對(duì)拉桿對(duì)門架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性起到至關(guān)重要的作用。水平支撐桿一端焊接于門架橫梁處,另一端通過(guò)油缸的伸縮與隧道二襯表面相接觸,可以將混凝土澆筑時(shí)的部分水平荷載傳遞到襯砌,有效降低門架應(yīng)力和變形,提高模板臺(tái)車的穩(wěn)定性。對(duì)拉桿將左右兩側(cè)模板連接起來(lái),在兩側(cè)模板上提供了支點(diǎn),限制模板變形,提高了模板抵抗變形的能力。

左右門架的下部有足夠的空間,便于車輛通行,減少了中隔墻施工時(shí)對(duì)其他工序的干擾。升降裝置與模板臺(tái)車行走機(jī)構(gòu)連接為一體,升降裝置可使模板臺(tái)車進(jìn)行上下移動(dòng),行走機(jī)構(gòu)可使臺(tái)車沿軌道移動(dòng)。

1.3 模板臺(tái)車有限元模型

由于120 m2斷面的薄壁中隔墻模板臺(tái)車所受應(yīng)力與變形最大,通過(guò)ANSYS有限元軟件對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力、位移分析,保證其結(jié)構(gòu)的安全性。經(jīng)過(guò)分析混凝土由上至下多種澆筑工況得出,當(dāng)混凝土澆筑至頂部時(shí),模板所受的混凝土側(cè)壓力最大,發(fā)生的位移變化也最大,因此只針對(duì)混凝土澆筑至頂部時(shí)進(jìn)行分析。

1.3.1 模板荷載計(jì)算

模板承受的最大側(cè)壓力[10]計(jì)算如下:

(1)

式(1)中:Pmax為新澆筑混凝土對(duì)模板產(chǎn)生的最大側(cè)壓力,kPa;γ為混凝土的重度,一般取γ=25 kN/m3;t0為新澆筑混凝土初凝時(shí)間,取t0=8 h;β1為外加劑塌落度修正系數(shù),取β1=1.00;β2為混凝土塌落度修正系數(shù),取β2=1.15;V為混凝土澆筑速度,取V=1 m/h;K為外加劑影響修正系數(shù),取K=1;H為混凝土側(cè)壓力計(jì)算位置處至新澆筑混凝土頂面的總高度,取H=2 m。

按照式(1)結(jié)合振搗和傾倒混凝土產(chǎn)生的荷載得出兩個(gè)側(cè)壓力值分別為56.60、56.12 kPa,根據(jù)JGJ 162—2008《建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范》[11]取兩者中的較小值,故最大側(cè)壓力Pmax為56.12 kPa。

1.3.2 側(cè)壓力分布

根據(jù)文獻(xiàn)[12],可將澆筑總高度H0分為自立高度h1與作用高度h2,計(jì)算如下:

(2)

式(2)中:H0取最高的中隔墻高度10.47 m。由式(2)計(jì)算可得,h1=8.23 m,h2=2.24 m。側(cè)壓力分布如圖3所示。

圖3 側(cè)壓力分布Fig.3 Side pressure distribution

1.4 模板臺(tái)車應(yīng)力與位移分析

以圖2(c)斷面(面積120 m2)為研究對(duì)象建立ANSYS模型,經(jīng)過(guò)分析得到應(yīng)力云圖和變形云圖,分別如圖4、圖5所示。

圖4 模板臺(tái)車應(yīng)力云圖Fig.4 Cloud diagram of formwork trolley stress

圖5 模板臺(tái)車位移云圖Fig.5 Cloud diagram of formwork trolley displacement

由圖4可知,應(yīng)力分布整體為左右對(duì)稱,這與模板臺(tái)車左右對(duì)稱一致。最大應(yīng)力分布處為內(nèi)側(cè)立柱與橫梁處,最大有效應(yīng)力為38.631 5 MPa,小于Q235鋼的許用應(yīng)力(158 MPa),因此模型所受的有效應(yīng)力滿足要求。

由圖5可知,位移變形分布與應(yīng)力分布相類似,也為左右對(duì)稱分布,與門架結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱一致;最大位移變形處為頂部結(jié)構(gòu),分析原因?yàn)樵擁敳拷Y(jié)構(gòu)位于懸臂結(jié)構(gòu)尾端,所受力矩較大;最大水平位移為0.328 73 mm,滿足設(shè)計(jì)要求的小于5 mm的施工質(zhì)量要求。因此,模型變形程度滿足設(shè)計(jì)要求。

2 模板臺(tái)車應(yīng)用情況

2.1 隧道斷面間的轉(zhuǎn)換

在東陽(yáng)橫店高鐵站至明清宮站區(qū)間隧道首先進(jìn)行72 m2斷面中隔墻澆筑,然后改變模板臺(tái)車的上部結(jié)構(gòu),進(jìn)行87 m2和120 m2斷面中隔墻澆筑,模板臺(tái)車結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行2次轉(zhuǎn)換。本文以87 m2至120 m2斷面轉(zhuǎn)換為例進(jìn)行說(shuō)明,在87 m2隧道斷面中隔墻施工完畢后進(jìn)行120 m2斷面中隔墻施工。施工步驟如下:1)通過(guò)水平支撐桿油缸的伸縮及模板與門架間油缸的伸縮,實(shí)現(xiàn)模板臺(tái)車的分離;2)通過(guò)行走機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)模板臺(tái)車從87 m2斷面轉(zhuǎn)換至120 m2斷面;3)切除87 m2模板臺(tái)車的附加結(jié)構(gòu),使門架還原為基礎(chǔ)門架;4)通過(guò)在基礎(chǔ)門架上部焊接附加結(jié)構(gòu)及更換模板,形成適用于120 m2斷面的模板臺(tái)車;5)通過(guò)水平支撐桿油缸的伸縮及模板與門架間油缸的伸縮,實(shí)現(xiàn)120 m2斷面混凝土中隔墻的澆筑。87 m2轉(zhuǎn)換至120 m2變斷面的施工圖如圖6所示。

圖6 87 m2轉(zhuǎn)換至120 m2變斷面的施工圖Fig.6 Construction drawing of variable cross-section from 87 m2 to 120 m2

2.2 薄壁中隔墻質(zhì)量控制措施

如1.2節(jié)所述,中隔墻最大高厚比為29.91,最高為10.47 m,屬薄壁結(jié)構(gòu),施工難度大,混凝土澆筑過(guò)程中會(huì)存在混凝土不易振搗或振搗不完全的情況,會(huì)出現(xiàn)由于混凝土水平側(cè)壓力過(guò)大而導(dǎo)致模板錯(cuò)位的現(xiàn)象。此類現(xiàn)象的出現(xiàn)會(huì)嚴(yán)重影響中隔墻的安全性,為了杜絕此類現(xiàn)象的產(chǎn)生,要嚴(yán)格控制施工質(zhì)量,從模板臺(tái)車拼裝質(zhì)量控制和混凝土澆筑質(zhì)量控制兩方面進(jìn)行。

2.2.1 模板臺(tái)車拼裝質(zhì)量控制

模板臺(tái)車的模板質(zhì)量與臺(tái)車質(zhì)量直接影響中隔墻的成墻質(zhì)量,在施工過(guò)程中需對(duì)臺(tái)車的拼接及模板表面質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格把控,做到如下幾點(diǎn):

1)模板連接處的定位銷、窗口處的鉸銷和定位銷必須全部齊全,以防止在使用中產(chǎn)生錯(cuò)臺(tái);

2)在安裝油缸時(shí),要保證縱向同一排油缸轉(zhuǎn)向一致,以免操作時(shí)出現(xiàn)互銷現(xiàn)象;

3)模板表面須平整光滑、弧形圓順、無(wú)銹蝕,相鄰兩塊模板接縫無(wú)錯(cuò)臺(tái),否則進(jìn)行整修或更換;

4)中隔墻混凝土澆筑前需對(duì)模板進(jìn)行全面檢查,保證模板支撐牢固、穩(wěn)定、無(wú)松動(dòng),接縫無(wú)錯(cuò)臺(tái)。

2.2.2 混凝土澆筑質(zhì)量控制

混凝土的配比與澆筑過(guò)程直接影響中隔墻的后期強(qiáng)度,因此要嚴(yán)控混凝土配比,并加強(qiáng)對(duì)澆筑過(guò)程的管理,在施工過(guò)程中做到以下幾點(diǎn):

1)混凝土在卸料前無(wú)離析和初凝現(xiàn)象;

2)對(duì)混凝土的泵送速度要進(jìn)行合理控制,開(kāi)始泵送時(shí)速度須慢,再逐漸升至正常速度,當(dāng)出現(xiàn)混凝土供應(yīng)不足的情況時(shí),應(yīng)適當(dāng)降低泵送速度,但攪拌不停止;

3)對(duì)中隔墻范圍內(nèi)回填層混凝土進(jìn)行鑿毛的過(guò)程中,須保證鑿毛部位無(wú)虛渣和雜質(zhì),鑿毛后用清水清洗鑿毛部位。

2.3 中隔墻施工質(zhì)量檢測(cè)情況

首先完成了100 m的薄壁混凝土中隔墻試澆施工,澆筑完成的中隔墻如圖7所示,然后對(duì)試澆段進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè),結(jié)果表明中隔墻施工質(zhì)量合格,達(dá)到設(shè)計(jì)要求,檢測(cè)結(jié)果如下:

圖7 澆筑完成的中隔墻Fig.7 Mid-partition wall after pouring

1)由于模板拼接縫較嚴(yán)密,因此混凝土在澆筑過(guò)程中無(wú)跑漿現(xiàn)象,混凝土表面無(wú)蜂窩及麻面的情況;

2)相鄰2塊模板表面的誤差為0.89 mm,符合中隔墻驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn);

3)中隔墻基礎(chǔ)部分與澆筑混凝土部分有4 mm左右的錯(cuò)臺(tái),其原因是混凝土自重過(guò)大所導(dǎo)致的體積膨脹,但這小于設(shè)計(jì)對(duì)錯(cuò)臺(tái)的要求(5 mm);

4)混凝土7 d臨期的抗壓強(qiáng)度為22.7 MPa,達(dá)到C30混凝土強(qiáng)度的75.6%,28 d臨期抗壓強(qiáng)度為31.5 MPa,超過(guò)C30混凝土的強(qiáng)度要求,因此符合混凝土施工強(qiáng)度要求。

2.4 施工效益分析

與常規(guī)中隔墻臺(tái)車相比較,本文采用共架裝配式臺(tái)車進(jìn)行變斷面薄壁中隔墻施工,可實(shí)現(xiàn)不同斷面同一基礎(chǔ)門架施工,操作輕巧靈活、施工速度快,大大減少了工期和造價(jià)。采用該臺(tái)車施工,可節(jié)約成本近55.6%,共計(jì)278 000元。詳細(xì)經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比Table 1 Comparison of economic benefits

3 結(jié) 論

本文基于東陽(yáng)橫店高鐵站至明清宮站區(qū)間隧道工程,通過(guò)更換門架的上部附加結(jié)構(gòu),組成3種規(guī)格的模板臺(tái)車,實(shí)現(xiàn)了3種隧道斷面薄壁中隔墻混凝土的澆筑施工。通過(guò)ANSYS有限元軟件,分析了該模板臺(tái)車應(yīng)力與變形狀況,并與設(shè)計(jì)要求相比較,得到以下結(jié)論。

1)將72 m2隧道斷面的門架作為基礎(chǔ)門架,通過(guò)在其上部焊接不同尺寸的附加結(jié)構(gòu),可解決87 m2與120 m2不同斷面薄壁中隔墻的澆筑問(wèn)題。

2)模板臺(tái)車的最大有效應(yīng)力為38.6 MPa,小于Q235鋼材料的許用應(yīng)力;模板臺(tái)車的最大位移為0.32 mm,滿足施工設(shè)計(jì)中臺(tái)車位移不超過(guò)5 mm的要求。

3)現(xiàn)場(chǎng)中隔墻試澆施工的結(jié)果表明,在嚴(yán)格控制施工質(zhì)量的情況下,由該模板臺(tái)車澆筑的薄壁混凝土中隔墻達(dá)到設(shè)計(jì)要求。