小直徑隧道二次襯砌仰拱模板體系的設計與長距離倒運

余南山 許劍波 劉開揚 彭文韜

中建三局基礎設施建設投資有限公司 湖北 武漢 430073

隧道二次襯砌仰拱施工的質量和效率主要受模板的設計、安拆及轉運的影響[1-2]，傳統二次襯砌施工方法是采用木模板加鋼管支撐的方式，但是在狹小的操作空間內，難以實現大規模機械化施工，施工效率低下，且施工質量難以保證，所以模板體系的選擇顯得尤為關鍵。本文重點研究了二次襯砌仰拱施工中模板體系的設計及施工工序的組織安排，總結了二次襯砌仰拱施工的關鍵技術。

1 工程概況

武漢大東湖核心區污水傳輸系統工程主隧全長17.5 km，包含9個盾構區間，最長區間3.6 km。隧道斷面設計為厚25 cm預制管片＋厚20 cm的C40P12現澆鋼筋混凝土二次襯砌的疊合式襯砌，成形內徑為3.0、3.2、3.4 m。二次襯砌先施工底部120°仰拱，再施工上部240°拱墻，如圖1所示。

圖1 二次襯砌斷面

2 仰拱模板體系設計

下面以隧道成形內徑為3.0 m的二次襯砌仰拱施工為例進行說明。按照傳統模板體系進行設計，需采用弧形木模板＋方木次楞＋弧形雙鋼管主楞＋拉桿的結構形式，布置如圖2所示。經過計算，一次澆筑120 m仰拱需要的主要材料如表1所示。

圖2 傳統模板體系

由表1可見，一次澆筑120 m的仰拱，在狹小洞內需要進行大量模板、方木及鋼管等材料的轉運，難以實現大規模機械化施工，勞動力投入多，勞動強度大，效率低下。

表1 傳統模板主要材料配置

為了提高施工效率，降低勞動強度，項目設計了一套仰拱模板體系。仰拱模板體系主要由面板、法蘭盤、環向次楞、縱向主楞、縱向軌道、斜向支撐系統及蓋板組成。其中面板厚度6 mm，對應圓心角126°；供小門吊和電動平板車行走的軌道集成在模板上，采用P15鋼軌；斜向撐桿系統包括有銷筒、撐桿及限位銷軸，銷筒上設置有1個定位孔，撐桿上設置有2個限位孔，設計如圖3所示。

圖3 仰拱模板平面示意

模板安裝利用小門吊輔助進行，通過小門吊葫蘆移動定位模板平面位置。為保證仰拱澆筑厚度，調整銷筒外露端長度，同時將斜向撐桿插入銷筒，并利用限位銷軸與銷筒鎖死。平面位置及標高均確定后立即將后裝模板法蘭盤與先裝模板法蘭盤通過螺栓連接牢固。

模板安裝完成后，立即采用鋼管支撐＋花籃螺栓進行模板加固。鋼管支撐設置在縱向主楞或縱向軌道與初次襯砌之間，用于支撐豎向浮力；花籃螺栓設置在模板兩側與預留鋼筋之間，用于抵抗不對稱澆筑時的水平荷載。

通過對仰拱模板進行有限元分析計算，仰拱模板變形主要為整體拱起變形，最大豎向位移出現在跨中，變形及應力均滿足要求。根據計算可知，壓桿的軸向壓力小于容許軸向壓力，符合要求。

采用定制鋼模進行施工，一次澆筑120 m的仰拱只需使用寬1 200 mm、弧長3 299 mm的DN3 000鋼模100塊，每塊鋼模的質量為619.5 kg。

3 仰拱模板倒運技術

單塊鋼模質量大，需采用機械配合進行倒運。考慮到單次仰拱施工距離長，單次倒運模板多達100塊，故采用一首一尾2臺小門吊負責安拆，中間平板車用于倒運，小門吊及電動平板設計如圖4、圖5所示。

圖4 仰拱模板吊裝小門吊

圖5 仰拱模板轉運小車

本工程仰拱模板體系支模及倒運施工流程如下：

1）洞口二次襯砌第一模（長120 m）鋼筋綁扎完成后，在井下鋪設軌道安裝第1臺小門吊，通過小門吊將模板吊至洞口進行安裝。待小門吊隨仰拱模板安裝完全進入洞內后，再將電動平板車吊裝下井進行模板轉運，首臺小門吊僅負責洞內安裝。待首模仰拱模板安裝完成并澆筑混凝土后，再安裝第2臺小門吊進行模板拆除轉運。

2）當仰拱養護完成后，立即將模板轉運至下一模進行支模，模板轉運由洞口向洞內依次進行。利用靠近洞口的小門吊將本節段處的最靠近洞口的仰拱模板吊起并進行清理，每次起吊1塊，旋轉90°通過小門吊后，再旋轉90°放置在電動平板車上，電動平板車裝載2塊模板后運輸至遠離洞口的小門吊處，遠離洞口的小門吊將電動平板車仰拱模板吊起，旋轉90°通過小門吊后，再旋轉90°，涂刷脫模劑后進行安裝。為方便小門吊的站位及不影響下一模仰拱澆筑，每次需少拆4塊和多安裝4塊仰拱模板。

二次襯砌仰拱模板采用定制鋼模體系，從模板的吊裝安拆到模板的倒運均收到較好的效果。一個循環的仰拱從拆除、轉運到安裝只需1.5 d（3個班），模板轉運單班勞動力投入僅為7人，較傳統施工方法減少了勞動力投入，且減輕了工人勞動強度。

通過現場統計，仰拱施工工效達到每模（長120 m）2.5 d，與傳統模板體系相比，僅一個區間就為項目節約工期約3個月。從施工質量來看，仰拱成形面密實平整、整圓度高，滿足施工質量要求。通過經濟對比分析，定制仰拱模板使用為項目節約了成本，創造了良好的經濟效益。

4 結語

大東湖深隧項目在二次襯砌施工過程中，受到隧道凈空和工期壓力的影響，摒棄傳統施工方法，另辟蹊徑，成功將小門吊、電動平板車與定制鋼模相結合，提高了仰拱的施工效率，先行施工的仰拱為后續大范圍施工組織提供底部通行條件。仰拱模板體系的成功運用，為項目節約了工期，減少了勞動力投入，降低了勞動強度，創造了良好的經濟效益，并且保證了施工質量，其相關思路和技術措施可供類似二次襯砌施工參考。