明挖隧道拱形現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)模架支撐體系設(shè)計(jì)方法

鄭佐雄

（云南工程勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，云南 昆明 650051）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，明挖拱形隧道日益增多，采用明挖法施工的隧道，為了滿(mǎn)足施工過(guò)程中的自重抗浮要求，往往結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)較大，對(duì)模板及相應(yīng)的支撐體系要求較高。而承載力大、結(jié)構(gòu)高度小、經(jīng)濟(jì)性好的組合桁架非常適合支撐體系，因而有必要對(duì)明挖隧道拱形現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)模架支撐體系進(jìn)行研究。

1 拱形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概況

某隧道拱形主體結(jié)構(gòu)使用明挖順做法現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)體系施工，拱形結(jié)構(gòu)長(zhǎng)為800m，跨度為16～22m。該項(xiàng)目施工區(qū)域計(jì)劃選用6 種不同斷面結(jié)構(gòu)，分別為2-2 剖面、3-3 剖面、4-4 剖面、6-6 剖面、7-7 剖面、8-8剖面。因?yàn)槭┕ぶ邪臄嗝嫫啵鲇诮?jīng)濟(jì)和實(shí)用性考慮，模架支撐體系不得使用“臺(tái)車(chē)”。根據(jù)設(shè)計(jì)和施工要求，為保主圖結(jié)構(gòu)安全，拱形結(jié)構(gòu)豎向混凝土分4 次澆筑，依次為仰拱、下側(cè)拱、上側(cè)拱、頂拱，混凝土支撐梁應(yīng)按從下至上的順序一一拆除，依次為第5 道、第4道、第3 道。

2 拱形結(jié)構(gòu)模架選型

拱形隧道結(jié)構(gòu)模架支撐體系由模板、桁架架體、吊裝、預(yù)埋等構(gòu)成。拱形隧道縱向深度24m 作為一倉(cāng)，因工期要求4-4 剖面、7-7/8-8（共用）剖面，模板配備：仰拱、下側(cè)拱和頂板蓋模模板均為1 套；上側(cè)拱與頂拱模板均為4 套；剩余剖面：仰拱與下側(cè)拱模板均為1套，上側(cè)拱、頂拱模板均為2 套，頂板蓋模配備1 套。下側(cè)拱單側(cè)鋼桁架上下2 個(gè)拱形段面均配備1 套，運(yùn)用部分活節(jié)實(shí)行流水作業(yè)周轉(zhuǎn)使用。按施工要求模架體系使用現(xiàn)場(chǎng)散裝預(yù)拼、分倉(cāng)整體吊裝作業(yè)，混凝土強(qiáng)度滿(mǎn)足要求拆除后，使用牽引機(jī)或叉車(chē)將其移動(dòng)到下一施工地點(diǎn)。

2.1 仰拱模板受力設(shè)計(jì)

按照拱形結(jié)構(gòu)支撐與設(shè)計(jì)要求，與之互相對(duì)應(yīng)的每個(gè)剖面的仰拱弧形高度依次為2029mm、3117mm、920mm、1930mm、920mm、920mm。仰拱模板安裝時(shí)重點(diǎn)分析處理上浮問(wèn)題，為保證其穩(wěn)定性，仰拱使用鋼筋與背楞拉結(jié)底模，鋼筋與底層鋼筋焊接必須牢固[1]。

2.2 下側(cè)拱模板及支撐設(shè)計(jì)

下側(cè)拱形結(jié)構(gòu)支撐基于設(shè)計(jì)要求及混凝土施工考慮，每個(gè)剖面下側(cè)拱架體均為5.2m 高，每次澆筑均為4.5m 高。單個(gè)支架承擔(dān)混凝土側(cè)壓力以折線形線荷載的方式作用在支架上計(jì)算值為43.42kN/m，安放埋件系統(tǒng)的距離不超過(guò)0.25m；混凝土有效壓頭高為1.5m；在計(jì)算過(guò)程中應(yīng)計(jì)算桿件自重。

面層模板選用優(yōu)質(zhì)覆膜板，厚度不超過(guò)18mm，次龍骨選用木工字梁（定型加工），設(shè)計(jì)水平距離不超過(guò)0.3m，雙12 號(hào)槽鋼用于主龍骨，選擇特制連接件將主次龍骨連接在一起，因?yàn)槭枪靶螖嗝妫赃x擇弧形桁架與單側(cè)支架相聯(lián)合，計(jì)算后發(fā)現(xiàn)埋件處所受拉力方向（約45°）和安放埋件拉桿方向相同，安放埋件系統(tǒng)的距離最大不超過(guò)0.25m，受支架壓力方向在調(diào)節(jié)支座的地方為豎直向下，選用預(yù)埋螺栓緊密連接，一般在縱向使用壓梁，間隔距離為0.25m[2]。

2.3 上側(cè)拱模板及支撐設(shè)計(jì)

按照拱形結(jié)構(gòu)支撐與設(shè)計(jì)要求，與其互相對(duì)應(yīng)的每個(gè)剖面上側(cè)拱高依次為5.03m，3.616m，4.344m，4.456m，3.967m，3.967m。選用Q345B 材質(zhì)的60 系列盤(pán)扣式腳手架作為模架支撐系統(tǒng)；水平拉桿與豎向斜拉桿材料為Q235，其截面為48.3mm×2.5mm。鋼筋混凝土自身重量25.5kN/m3；腳手架自身重量0.15kN/m3；木模板自身重量0.5kN/m2；施工均布荷載為2.5kN/m2。

2.4 頂拱模板受力設(shè)計(jì)

頂拱部位混凝土側(cè)壓力、主、次龍骨及支撐架體和上、下側(cè)拱選型相同，只針對(duì)模板面板和預(yù)埋螺栓進(jìn)行闡述。

2.4.1 建立幾何模型、力學(xué)模型

模型幾何取值包括半徑（R=8.95m）、縱向長(zhǎng)度（b=0.8m）、澆筑高度（H=4.22m）、有效壓頭高度（h=1.5m）、π/6 約為32°。模架環(huán)向拉力與徑向拉力均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，分別為336.58kN、194.32kN。

2.4.2 埋件系統(tǒng)承載力驗(yàn)算

埋件處所受拉力方向和埋入物成60°夾角，同時(shí)對(duì)抗壓和抗剪進(jìn)行驗(yàn)算，驗(yàn)算結(jié)果為Fx=336.58kN；Fy=194.33kN；安置埋件系統(tǒng)的間隔距離不超過(guò)0.25m，各埋件承擔(dān)的拉力與剪力分別為48.58kN、84.15kN，埋件桿選用三級(jí)螺紋鋼，其直徑為25mm，抗壓強(qiáng)度與抗剪強(qiáng)度分別為335N/mm2、190N/mm2，經(jīng)過(guò)計(jì)算算出拉應(yīng)力為154.71N/mm2＜335N/mm2，剪應(yīng)力為171.52N/mm2＜190N/mm2，符合要求。

2.5 盤(pán)扣式模板支撐架受力設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目使用定制的組合式模板，其受力計(jì)算是分開(kāi)進(jìn)行的，根據(jù)主龍骨和架體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，確定了主龍骨為150 鋁合金梁，其縱向距離為1.2m，橫向?qū)挾葹?.9m，其腹板下部立柱承重混凝土斷面積為A=1.34m2，縱向布置符合模架支撐體系設(shè)計(jì)需求[3]。

3 拱形結(jié)構(gòu)模板及支撐體系節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)及使用

3.1 仰拱拉結(jié)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

選用鋼筋與背楞對(duì)底模具進(jìn)行拉接，要牢固的把鋼筋與底層鋼筋焊接在一起。

3.2 下側(cè)拱拉結(jié)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

選用地腳螺栓將單側(cè)支架底部連接在一起，在縱向設(shè)置通配梁，間隔距離為0.25m，下側(cè)拱拉結(jié)節(jié)點(diǎn)如圖1 所示。

圖1 下側(cè)拱拉結(jié)節(jié)點(diǎn)

3.3 上側(cè)拱支架節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

選用地腳螺栓和主背楞將下端進(jìn)行拉接，并將其穩(wěn)固在主龍骨背楞焊接鋼板與腳手架上，下部為150 鋁合金梁，腳手架斜撐與主背楞要斜頂。

3.4 頂拱支架節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

用定型木工字梁模板作頂拱蓋模，面板使用厚度不低于18mm 的優(yōu)質(zhì)覆膜板，次龍骨使用成型的H20木工字梁，間距不超過(guò)0.3m，主龍骨用雙12 號(hào)槽鋼，間距不超過(guò)0.8m。定型模板長(zhǎng)度依次為2674mm、5050mm、5050mm、2674mm，共4 塊，用4 套M20mm×50mm 高強(qiáng)螺栓將背楞之間相連接。上模具和內(nèi)模具用頂模棒對(duì)頂，以保證混凝土保護(hù)層厚度。

3.5 模板槽鋼的連接

為避免2 塊模板接縫發(fā)生錯(cuò)位，使用加強(qiáng)芯帶協(xié)助專(zhuān)用固定件將相鄰板塊連接在一起，如圖2 所示。

圖2 模板槽鋼的連接

3.6 模板吊鉤節(jié)點(diǎn)

為確保模板的安全起重，在各起重設(shè)備的龍骨端面預(yù)先設(shè)置直徑不少于22mm 的孔洞，用M20 螺栓將吊鉤和工字梁腹板連接起來(lái)，模板吊鉤節(jié)點(diǎn)如圖3 所示。

圖3 模板吊鉤節(jié)點(diǎn)

3.7 木梁接高節(jié)點(diǎn)

木梁接高節(jié)點(diǎn)如圖4 所示。

圖4 木梁接高節(jié)點(diǎn)（單位：mm）

3.8 下側(cè)拱支架設(shè)計(jì)

單側(cè)模架支撐體系包括預(yù)埋螺栓（包含錐形螺栓、連接桿件、普通型鋼）和三角支架體系。

根據(jù)施工斷面高度不同，架體高度分為3600mm標(biāo)準(zhǔn)節(jié)和1600mm 調(diào)節(jié)。為保證結(jié)構(gòu)整體剛性，在工地將相鄰架子使用扣件式鋼管固定（安裝一個(gè)平衡塊在單側(cè)支模背面），并安裝250 輪子在架體下面，從而使得架體模具拆卸后能整個(gè)移動(dòng)到下1 個(gè)流水部分[4]。

施工中首先將木工字梁和桁架片組合在一起，然后將面板和木工字梁用十字沉頭自攻螺釘進(jìn)行穩(wěn)固，接著將3600mm 的單側(cè)支架與1600mm 的加高節(jié)組合，最后把前段模板部分與單側(cè)支架使用塔式起重機(jī)吊起相連（用法蘭連接）。

3.9 預(yù)埋地腳螺栓設(shè)計(jì)

（1）預(yù)埋地腳螺桿要水平布設(shè)，應(yīng)從貫通壓梁起點(diǎn)到終點(diǎn)按序進(jìn)行，間距不高于250mm。

（2）由于預(yù)埋螺栓桿件和地面成45°夾角，為保證設(shè)置預(yù)埋螺桿的位置和受力角度準(zhǔn)確，因此在預(yù)埋螺桿安置時(shí)應(yīng)水平方向通長(zhǎng)拉通線。

（3）避免混凝土澆筑時(shí)破壞絲扣使螺母連接受到影響，所以布設(shè)固定預(yù)埋螺桿前應(yīng)保護(hù)好錐形螺栓絲扣。

（4）布設(shè)預(yù)埋螺桿時(shí)與結(jié)構(gòu)主筋不可直接焊接，先用點(diǎn)焊法把螺桿和附加筋相連，再用綁扎法與主筋穩(wěn)固相接。

3.10 下側(cè)拱模架設(shè)計(jì)

施工時(shí)拱形斷面段外墻使用單側(cè)支模法，澆筑高為4500mm，采用弧形模板（高為4650mm），架體高3600mm+1600mm，要將250 腳輪安放在每榀主桁架底部，以便平移單側(cè)桁架，一般每3 榀單側(cè)桁架劃分為1個(gè)單元；桁架與模板整體轉(zhuǎn)移時(shí)應(yīng)布設(shè)配重在桁架背部下端避免翻倒[5]。因?yàn)閷?dǎo)墻及腳輪高度有所不同，應(yīng)用16 號(hào)工字鋼墊高單側(cè)支架后支座。

3.11 上側(cè)拱及頂拱模架支撐設(shè)計(jì)

使用60 盤(pán)扣支撐架作為拱形斷面段1400mm 頂板支架系統(tǒng)，鋼管尺寸為60.3mm×3.2mm。支撐架用縱距分別為900mm、900mm、1200mm，橫距分別為900mm、1200mm 配合作業(yè)，步距1500/1000mm；為加強(qiáng)架體的整體剛度與承載力，使用斜撐將水平桿之間相接。

4 側(cè)拱模架支撐體系安裝

4.1 下側(cè)拱模架體系安裝操作流程

下側(cè)拱模架體系安裝流程：材料吊裝到位→預(yù)拼裝→3600mm 單側(cè)支架和1600mm 單側(cè)支架加高節(jié)連接→裝配單側(cè)支架與弧形桁架→裝配木梁和弧形桁架→裝配面板和木工字梁→設(shè)置配重于單側(cè)支架后端上→裝配模板和單側(cè)支架→單側(cè)支架就緒后安置壓梁→校驗(yàn)?zāi)＜堋€(wěn)固三角架→混凝土澆筑。

4.2 側(cè)拱鋼桁架支撐體系安裝流程

側(cè)拱鋼桁架支撐體系安裝流程：定位單側(cè)支架→安設(shè)埋件完成→測(cè)量放線→三角架就緒→加固埋件系統(tǒng)→調(diào)節(jié)單側(cè)支架向內(nèi)傾斜5～15mm→檢測(cè)埋件受力系統(tǒng)。

4.3 上側(cè)拱模架體系安裝操作流程

上側(cè)拱模架體系安裝流程：架設(shè)支撐架→安置150鋁梁→安置主龍骨→裝配木梁和背楞→裝配面板和木工字→調(diào)整頂托→拉結(jié)、緊固地腳螺栓與主背楞。

4.4 頂拱模架體系安裝操作流程

頂拱模架體系安裝流程：架設(shè)支撐架→安置150鋁梁→在地面將面板、木工字梁、背楞連為一體→將模板整體吊裝到支撐架上面→調(diào)節(jié)頂托將模板固定到規(guī)定地點(diǎn)→拉結(jié)、緊固地腳螺栓與主背楞。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，明挖拱形隧道現(xiàn)澆混凝土鋼木組合桁架支撐體系結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、拆裝方便、便于存儲(chǔ)和運(yùn)輸，用能很好地加快施工速度，縮短施工工期，本文以具體工程為實(shí)例，詳細(xì)探討了明挖隧道拱形現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)模架支撐體系設(shè)計(jì)方法，以提高隧洞工程施工質(zhì)量，保障隧道的安全性和耐久性。