基于紙板模具的新型單元排結構施工技術研究*

方佳敏，田 棟，唐亞俊，李 瑤，王忠岱，謝立全

(1.長江航道局，湖北 武漢 430014； 2.長航監理有限公司(武漢)，湖北 武漢 430013； 3.同濟大學交通運輸工程學院，上海 201804； 4.同濟大學土木工程學院，上海 200092)

0 引言

護灘工程分為水下、水上兩部分，充分利用枯水季節進行施工成為建設單位關注重點。土工織物軟體排因具有整體性強、柔韌性高、抗沖擊性能好、使用年限較長、可較好地緊貼河床等優點，在護灘工程中得到廣泛應用[1-9]。陸地施工不影響通航，無須使用大型船舶及水上設備，具有較大技術、經濟優勢，因此，需研究大面積臨水岸灘軟體排陸地施工技術。對于岸灘工程，陸地施工工程量越大，水上施工工程量越小。位于枯水位以上的岸灘可采用軟體排施工，即采用陸地施工技術。

工程界普遍認為，混凝土澆筑模具須采用剛度較大的鋼材、木材等[10-12]，但難以滿足大面積單元排混凝土施工需求，且存在多工序質量控制難度大、施工成本高等問題，引起了大量學者關注。需嚴格把控單元排混凝土脫模時間，利用起重機輔助脫模，但起重機吊運模具時常造成混凝土塊邊緣出現毛邊、四角開裂等。針對大面積單元排混凝土澆筑工藝復雜、脫模效率低等難題，研發新型模具，以提高澆筑質量、降低施工成本等。

1 傳統單元排結構

傳統單元排結構由排墊和壓載體組成，排墊透水且可阻擋泥沙，不僅能抵擋水流沖擊，避免岸灘被沖刷破壞，且能實現水土保持，防止岸灘泥沙被沖走，保護岸灘。排墊一般采用250g/m2聚丙烯編織布，縱向抗拉強度52kN/m2，橫向抗拉強度42kN/m2，等效孔徑0.12mm。壓載體一般采用混凝土塊，為提高壓載效果與整體性，需將相鄰混凝土塊連成整體，減少對排墊的撕扯破壞。對于干地岸灘，現場可直接澆筑混凝土，并將其鋪設在排墊上，無須轉移或吊運混凝土塊，可保證混凝土塊不被破壞。混凝土塊尺寸為48cm×48cm×10cm(長×寬×厚)，重約55kg，混凝土塊內部縱橫向交叉布置φ14mm丙綸繩，交叉點為混凝土塊質心，由80塊混凝土塊構成5m×4m(長×寬)排墊壓載單元，如圖1所示。排墊沿單元排寬度方向每隔50cm設有1根5cm寬縱向聚丙烯加筋條，并在加筋條上設置綁扎環，排墊壓載單元通過加筋條、綁扎環、丙綸繩連為整體。混凝土塊間設置2cm縫隙，因此，混凝土塊中心間距一般按50cm設計。由于混凝土塊尺寸較小，且丙綸繩較柔軟，對于長江岸灘發生的局部沉降、少量泥沙流失等變形工況，單元排具有較好的適應性。

圖1 單元排結構

單元排結構主要施工步驟如下：①整平鋪排區域，鋪設聚丙烯編織布，編織布接縫使用φ1.5mm尼龍線縫合；②按排墊壓載單元設計圖紙吊裝鋼模具，吊裝前對鋼模具進行清潔并涂刷脫模劑；③在混凝土塊中布設丙綸繩；④澆筑、振搗混凝土，需達到強度要求，根據實際情況確定脫模時間，避免發生混凝土塊掉角現象；⑤將相鄰排墊壓載單元綁扎成整體；⑥采用碎石填充相鄰排墊壓載單元縫隙。

傳統單元排結構施工存在以下缺點：①對于最低水位附近區域的岸灘，尤其是砂質岸灘，其坡度小，地下水位接近地面，地基承載力低，無法使用起重機等重型施工設備吊裝單元排，減小了可進行陸地施工的岸灘面積；②脫模難度大，混凝土塊易拉裂、破碎，在很大程度上降低了單元排結構施工質量與服役可靠性；③由于單元排混凝土一次澆筑成型，難以保證丙綸繩正確安裝，且丙綸繩包裹在混凝土中，使脫模難度進一步增大；④單元排自重大，吊裝要求較高；⑤不滿足受最低枯水位限制的大面積臨水岸灘軟體排施工搶修要求。

2 新型單元排結構

為解決傳統單元排結構存在的問題，提出基于紙板模具的新型單元排結構，應用蜂窩/瓦楞紙板代替鋼板，無須拆模、使用重型施工設備等，對地基承載力要求較低，在混凝土澆筑完成的同時單元排制作完成，大幅度縮短了大面積單元排制作時間，降低了施工成本，減小了混凝土澆筑難度，提高了單元排整體質量，適用于大面積臨水岸灘軟體排施工搶修，將其應用于長江干線武漢至安慶段6m水深航道整治工程中，以驗證其可靠性。在進一步細化施工參數的基礎上，可進一步將新型單元排結構推廣應用于陸地施工。傳統單元排結構施工速度受起重機、鋼模具數量等制約，而新型單元排結構則不同，不受施工設備的限制，提高了施工效率，不同單元排結構施工特征如表1所示。

表1 單元排結構施工特征

長江兩岸及江心洲岸線較長，水岸交界處形成陡坎，水流不斷沖刷岸灘。岸灘通常為平緩灘面，尤其是砂質岸灘，近水區域坡面坡度≤5°，在1年內完成大面積臨水岸灘軟體排施工搶修難度較大。因此，采用本研究提出的新型單元排結構。

新型單元排結構紙板模具并非剛性，具有一定柔度。試驗結果表明，紙板厚度為2cm時，50cm跨度下的強度遠大于所需承受的混凝土振搗施工荷載。因紙板具有低透水性與低吸水性，混凝土入倉1h內，紙板吸水后強度降低<30%，滿足短時強度需求；混凝土入倉1h后，紙板逐漸吸水飽和，強度降低，不僅有利于混凝土保水養護，且可對混凝土塊邊角進行保護。

紙板模具結構與尺寸基本與鋼模具相同，單元排混凝土塊間隙為2cm，因此將紙板厚度設計為2cm。紙板吸水后存在一定膨脹量(低應力條件下)，在混凝土澆筑過程中，紙板吸水軟化，振搗混凝土時將產生壓縮變形，可知將紙板厚度取為混凝土塊間隙是合理的。紙板經規范裁剪可實現批量化制作，依據設計圖紙加工安裝卡槽及丙綸繩預留孔，如圖2所示。縱橫向紙板上下扣緊后，將丙綸繩穿入預留孔，并在紙板四邊加裝組裝式矩形鋼框架，以固定丙綸繩。可通過機械方式預先施加丙綸繩拉力，拉緊丙綸繩，保證其在混凝土澆筑過程中不發生下撓。紙板模具拼裝簡單，質量易控，風大天氣施工時需避免紙板被風吹斷。

圖2 紙板模具結構

開展系列現場驗證研究，結果表明，混凝土振搗密實時產生的荷載不是最大施工荷載，模具內側紙板受雙側10cm高混凝土塊壓力作用，混凝土振搗荷載不足以引起紙板發生較大變形。現場施工過程中，施工人員可站在混凝土塊上進行振搗，不影響模具變形。單元排四周紙板由于緊貼外框架，可避免發生側向變形。需特別注意，設計尺寸合理的混凝土入倉多孔板較重要，由于多孔板暫時承受混凝土入倉時的主要壓力與沖擊力，使單元排可承受混凝土澆筑過程中產生的施工荷載。

經試驗研究與工程實踐驗證，單塊單元排混凝土可在入倉10min內充滿各澆筑框格，在入倉30min內完成振搗與整平處理。由于紙板浸水效應需較長時間，可忽略該效應的影響。紙板主要起隔板作用，兩側受力平衡，且側向壓力隨著混凝土初凝逐漸減小，很快降為零。

3 基于新型單元排結構的施工搶修工藝

在臨水位置軟土環境中可正常施工新型單元排結構，適應于大面積臨水岸灘軟體排施工搶修，主要工藝流程如下。

1)紙板模具制作

確定紙板厚度后，結合單元排設計圖紙，確定縱橫向紙板尺寸，在紙板裁剪加工廠制作。加工制作內容包括縱橫向紙板裁剪、卡槽安裝、丙綸繩預留孔裁剪，預留孔直徑應較丙綸繩直徑大3～5mm。紙板模具為一次性使用，無法循環利用。一般情況下，工程現場單元排長度、寬度均<5m，因此，紙板長度可與單元排長度相同，無須現場接長，現場接長的紙板易在混凝土澆筑時發生折損。

2)紙板模具外框架組裝

外框架為組裝式矩形鋼框架，用于固定丙綸繩，由4根輕質鋁合金型鋼組裝而成，可循環利用，用料較少，可根據混凝土澆筑強度確定使用數量。

3)紙板模具拼裝

僅將縱橫向紙板上下扣緊即可，卡槽深度為紙板寬度的1/2，紙板上下扣緊后的高度為紙板寬度，卡槽寬度可較紙板厚度小1mm，卡槽受擠壓而扣緊。丙綸繩穿孔后，施加一定拉力固定在模具外框架上。

4)混凝土入倉多孔板制作與鋪設

設置混凝土入倉多孔板的目的是暫時緩解混凝土入倉時的沖擊力，將多孔板鋪設在紙板模具上，每個孔對應4塊混凝土塊。

5)混凝土入倉與振搗

采用不同運輸方式時，盡可能利用多孔板緩沖混凝土入倉沖擊力，避免紙板模具折損。混凝土應振搗密實，保證質量。

6)混凝土養護與紙板清除

紙板吸水、保水性能較好，因此，在混凝土養護過程中可使紙板充分吸水飽和，達到長時間濕潤養護效果，可使混凝土塊邊角養護較好，避免出現掉角等現象。因紙板浸水軟化，混凝土養護完成后易清除干凈。

4 結語

1)護灘工程任務重、岸線長，進行大面積臨水岸灘軟體排施工搶修時，需改進傳統單元排結構及混凝土澆筑工藝，以克服臨水岸灘地基承載力較低的限制，實現更大范圍的陸地施工，提高施工效率與質量。

2)基于大面積臨水岸灘地基新型特性，結合單元排施工特點，研發基于紙板模具的新型單元排結構，并給出相應的工藝流程。基于紙板模具的新型單元排結構簡單易操作，且對施工人員無專業技術要求，在臨水位置軟土環境下可正常施工，適應于大面積臨水岸灘軟體排施工搶修。

3)結合室內試驗與工程實踐，給出基于紙板模具的新型單元排結構施工步驟，并對紙板模具材料要求進行總結。由于紙板浸水效應需較長時間，可忽略該效應的影響。