拱形骨架護坡新輕型功能組合模架綠色高效施工技術(shù)研究及應(yīng)用

王鏡越

（貴州省公路工程集團有限公司，貴州貴陽 550000）

0 引言

在山區(qū)修建高速公路，往往地勢落差大，設(shè)計中挖方段落較多，拱形骨架護坡防護是挖方段邊坡防護形式中常見的一種，目前普遍采用C20 混凝土澆筑。為了確保施工質(zhì)量及結(jié)構(gòu)物尺寸滿足設(shè)計要求，拱形骨架護坡需采用模板進(jìn)行混凝土澆筑，傳統(tǒng)模板采用鋼板制作，重量較大，必須采用吊車協(xié)助人工進(jìn)行安拆，模板安裝效率低，模板在拆卸過程中易造成模板變形、混凝土損傷的情況，且吊車屬于特種設(shè)備，施工安全風(fēng)險較大，針對使用傳統(tǒng)模板澆筑拱形骨架護坡產(chǎn)生的制造成本高、損壞后難修復(fù)、不易安拆、效率低、成型效果差等問題，通過技術(shù)管理人員及相關(guān)部門負(fù)責(zé)人細(xì)致研究論證，進(jìn)行科技創(chuàng)新攻關(guān)，開發(fā)拱形骨架護坡新輕型功能組合模架及相應(yīng)成套施工技術(shù)，該新型模架主要采用的制作材料是市場上易于采購到的常規(guī)建材[1-3]。

1 工程概況

依托貴州省六枝至安龍高速公路第2 合同段高邊坡施工，項目地處貴州省西南部，處于云貴高原向廣西丘陵過渡的斜坡地帶，整個地勢由西北向東南逐漸降低，地形呈多級臺階狀逐級下降至北盤江河谷，中部較為平坦。境內(nèi)地形起伏大、類型多。受地形、地勢和海拔高度的影響，土壤、氣候、生物等均具有垂直分布的特點，以山地為主，呈典型的喀斯特地貌形態(tài)。項目路線起點位于六枝特區(qū)城區(qū)南部的同云村，與都香高速公路（G7611）對接，起點樁號YK7+780（ZK7+770），終點樁號YK17+520（ZK17+500），合同段內(nèi)挖方共計461.5 萬m3（含隧道洞渣85 萬m3）、填方共計338.6 萬m3、棄方共計122.9 萬m3，棄土場4 個；路基防排水共計4 萬m3；橋隧道比為44.23%；涵洞（含通道）共計28 道，其中通道10 道、涵洞18 道。該合同段填高大于20m 的高填路堤共有6 段，主要防護為襯砌拱護坡及護腳墻，其中襯砌拱護坡為39627m3。

2 拱形骨架護坡新輕型功能組合模架施工技術(shù)開發(fā)

2.1 組合模架研發(fā)

六枝至安龍高速公路第2 合同段拱形骨架強風(fēng)化巖土及黏土整體穩(wěn)定的挖方邊坡防護，拱形骨架內(nèi)采用噴播灌木綠化，當(dāng)路堤邊坡高度大于8.0m 時，采用臺階形邊坡，路基邊緣以下8.0m 內(nèi)的邊坡坡率采用1∶1.5；8.0m 以下邊坡坡率采用1∶1.75，變坡點設(shè)寬為2.0m 的邊坡平臺。拱形骨架護坡設(shè)計如圖1所示。

圖1 拱形骨架護坡設(shè)計圖

研發(fā)組通過反復(fù)模擬設(shè)計和驗算，確定組合模架的尺寸，上拱板及下拱板為半圓形，R=100cm；支撐架長度為L=200cm；側(cè)邊板高為50cm；相變石拱圈高10cm。

材料組成：模具主要制作材料是市場上易于采購到的常規(guī)建材，有PVC 建筑板材，30mm×30mm×3mm 方鋼管、5#槽鋼、5#角鋼、螺紋拉桿、建筑紅模板、自攻螺絲等加工而成，其拱形護坡新型模板主要受力為Q235，30mm×30mm×3mm 方鋼及紅模板。拱形骨架護坡新型組合模板結(jié)構(gòu)見圖2，拱形骨架護坡新型組合模板現(xiàn)場安裝見圖3。

圖2 拱形組合模架示意圖

圖3 拱形組合模架現(xiàn)場安裝示意圖

在新型模架的曲面部分板材選用上，為確保混凝土表面圓順光滑，經(jīng)過多重比選，最終選擇PVC 建筑板材作為該曲面部分的模架面板使用。PVC 建筑板材又稱雪弗板、弗龍板。是一種使用PVC（聚氯乙烯）為主要材料擠壓成型的板材。這種板材表面光滑平整，截面呈蜂窩狀紋理，質(zhì)量輕、強度高、耐受性好。適合雕刻、轉(zhuǎn)孔、噴漆、黏合等多種工藝。在同樣的厚度下，品質(zhì)好的PVC 板材，強度較高、表面較硬、不易折彎、不易刮花、不易掉灰，長時間使用不變黃（白色PVC）。而品質(zhì)差的PVC 板材質(zhì)感疏松、硬度較低、表面不平，有的切面還有氣泡狀紋路[4]。因此，在模板制作之前，應(yīng)對PVC 板材進(jìn)行原材料檢驗，選用品質(zhì)好的板材制作輕型模架，不僅能夠有效保障拱形骨架外觀質(zhì)量，更能有效增加重復(fù)利用的次數(shù)，有效降低施工成本。

2.2 組合模架受力分析及荷載說明

2.2.1 受力分析

根據(jù)現(xiàn)場施工圖可知，拱形模板受力最大為1∶0.75坡比時，且該支架承受的荷載為拱形護坡結(jié)構(gòu)澆筑混凝土重力沿坡面的分力，受力簡圖如圖4 所示。

圖4 受力分析圖示

2.2.2 荷載組合

（1）強度組合：1.2×拱形架體自重（由模型自行添加）+1.4×混凝土（0.5×0.5×（3.14×1/2）×25×cos（37°）÷（0.5×3.14×1/2）=13.9kN/m2；

（2）剛度組合：1.0×拱形架體自重（由模型自行添加）+1.0×混凝土（0.5×0.5×（3.14×1/2）×25×cos（37°）÷（0.5×3.14×1/2）=9.9kN/m2。

2.2.3 模型建立及驗算結(jié)果

（1）模型建立

Midas civil 是通用的空間有限元分析軟件，可適用于橋梁結(jié)構(gòu)、地下結(jié)構(gòu)、工業(yè)建筑、飛機場、大壩、港口等結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計，在臨時結(jié)構(gòu)計算分析中有廣泛的應(yīng)用。

該方案采用Midas civil 2019 對拱形模板進(jìn)行整體建模，包含：Q235，30mm×30mm×3mm 方鋼及紅模板。拱形模板模型建立，如圖5 所示。

圖5 拱形組合模架建模

（2）驗算結(jié)果

（a）Q235 材質(zhì)部分驗算結(jié)果

由計算結(jié)果可知：模板Q235 材質(zhì)部分整體組合應(yīng)力最大值為4.5MPa＜215MPa，滿足要求。

由計算結(jié)果可知：模板Q235 材質(zhì)部分整體，最大彎曲應(yīng)力為3.8MPa＜215MPa，滿足要求。

由計算結(jié)果可知：模板Q235 材質(zhì)部分整體，最大剪切應(yīng)力為0.2MPa＜125MPa，滿足要求。

受力分析如圖6、圖7 所示。

圖6 Q235 材質(zhì)應(yīng)力分析圖示

圖7 模板紅木材質(zhì)應(yīng)力分析圖示

（b）紅模板部分

由計算結(jié)果可知：模板紅木材質(zhì)部分整體，最大主應(yīng)力為1.1MPa＜12MPa，滿足要求。

由計算結(jié)果可知：模板紅木材質(zhì)部分整體，最大剪應(yīng)力為0.9MPa＜2MPa，滿足要求。

（c）整體撓度

由計算結(jié)果可知：模板整體，最大撓度為0.03mm＜1000/400＝2.5mm，滿足要求。擾度分析如圖8 所示。

圖8 整體撓度分析圖示

（d）總結(jié)

由計算結(jié)果可知，拱形護坡新型模板強度、剛度均滿足規(guī)范要求，可以用于現(xiàn)場實際施工。

2.3 新型組合模板的現(xiàn)場應(yīng)用

為確保新施工的拱形骨架護坡總體外觀和坡面線形，新型組合模板的現(xiàn)場應(yīng)用主要有以下兩道控制工序：第一，坡面拱圈數(shù)量的布置。為達(dá)到整體美觀效果，施工時要求沿線路方向拱的位置和高度基本一致，挖方要求從坡腳向上布拱，不足一個完整拱時，應(yīng)在坡面上部采用半個拱或部分拱形補充。模板線形在曲線段時每5m 放一控制點掛線施工，保證線形順暢，符合施工要求[5-6]。第二，模板安裝。新型組合模板在已成型的坡面上進(jìn)行組合安裝，安裝前應(yīng)先檢查邊坡坡比是否符合設(shè)計要求，檢查合格后方可安裝。拱形骨架定型模板的組成部分為：上拱板、側(cè)邊板、下拱板、蓋板、支撐架、連接鎖扣、定位架等。安裝順序：搬運模板至施工場地—擺正上拱板—安裝連接鎖扣—安裝兩側(cè)邊板—鎖緊鎖扣—安裝上下支撐架—鎖緊支撐架定位螺絲—安裝固定下拱板—安裝蓋板。拱形骨架護坡應(yīng)用新型組合模板施工實例如圖9 所示。

圖9 拱形骨架護坡應(yīng)用新型組合模板施工實例

施工順序：澆筑混凝土—振動、抹平混凝土—沿邊修飾5cm 高擋水沿—凝固后拆模。

拆除順序：拆除支撐架定位螺絲—拆去上下支撐架—拆除連接鎖扣螺絲和上扣槽—拆除下拱板—拆除兩側(cè)邊板—拆除上拱板。

2.4 操作要點

2.4.1 因配件重量較輕，可直接采用人工進(jìn)行安裝組合，但在首次拼裝完成后，應(yīng)著重進(jìn)行模板的拼裝首件工程進(jìn)行復(fù)檢，復(fù)檢工作除了模板本身拼裝后的結(jié)構(gòu)尺寸和待澆拱形骨架的混凝土截面尺寸是否符合設(shè)計尺寸外，還應(yīng)檢查模板連接點是否牢靠，角鋼卡點是否有效貼合模板，支撐桿是否平順以確保不因混凝土振搗而發(fā)生局部變形等內(nèi)容。

2.4.2 組合模板安裝應(yīng)采用φ16 以上鋼筋頭從拱圈內(nèi)釘入山體進(jìn)行適當(dāng)限位加固，確保采用天泵澆筑時，模架不因混凝土沖擊而發(fā)生平面位移。由于新型模架結(jié)構(gòu)自重較輕，上下兩個拱圈模板之間僅采用30mm×30mm×3mm 方鋼管進(jìn)行豎向連接，因此該套模架設(shè)計主要以坡面作為混凝土自重的承載主體，而架體則作為流動荷載和部分自重的承載補充，其更重要的作用是滿足輕便安裝和美觀定型的工作需求，因此，利用坡面自穩(wěn)能力釘入平面限位鋼筋，確保模架不因混凝土沖擊產(chǎn)生變形，在混凝土初凝后也可以隨模架二次利用，可同時有效控制施工質(zhì)量和施工成本[7]。

2.4.3 總控模板接裝后的總體平面與設(shè)計坡面平順協(xié)調(diào)、模板與坡面之間應(yīng)總體平整、鎖扣嚴(yán)實。坡面開挖通常以挖掘機開挖成型，不同技術(shù)水平的操作手開挖坡面平整度參差不齊，因此，在模板完成組裝后，還應(yīng)沿著坡面放線測量的控制線和控制高程再次檢查總體模板平是否與設(shè)計平面貼合，對坡面欠挖部分應(yīng)進(jìn)行人工補充清坡，對于超挖部分則應(yīng)補充平面模板擴張梁體高度，保證澆筑后的拱形骨架梁體與坡面有效貼合，保證護坡結(jié)構(gòu)與山體支撐受力滿足設(shè)計意圖要求[8]。

2.4.4 模板表面刷脫模劑，模板底部要與基礎(chǔ)緊密接觸，以防漏漿、跑模。在混凝土澆筑入模時，應(yīng)沿拱圈四周均勻布料，在混凝土振搗時，也應(yīng)盡量多點均勻振搗，確保不因單點放料或單點過度振搗導(dǎo)致模架產(chǎn)生沖擊或偏載變形。

2.4.5 拱形骨架新型模架的關(guān)鍵創(chuàng)新亮點

綜上所述，該套拱形骨架新型模架有如下幾個重要創(chuàng)新亮點：

其一，模板組合簡單、制造成本較低、降低施工成本。

其二，模板重量輕、操作靈活方便、可人工拆裝、節(jié)約工效、減少特種設(shè)備的使用。

其三，模板使用壽命長、損壞后易修復(fù)、便于施工管理。

其四，模板定型效果好，提高了施工質(zhì)量。

3 結(jié)語

應(yīng)用拱形骨架護坡新輕型功能組合模架綠色高效施工技術(shù)，高效施工完成依托項目的高邊坡拱形骨架護坡，而且驗收質(zhì)量各項指標(biāo)符合《公路工程質(zhì)量檢驗評定標(biāo)準(zhǔn) 第一冊 土建工程》（JTG F80/1—2017）的相關(guān)要求。通過應(yīng)用該新技術(shù)，使依托項目高邊坡拱形骨架護坡施工既能節(jié)約時間和人力，又能避免模板在卸下的過程中造成的變形、損傷，提高了新型骨架組合拼裝模的周轉(zhuǎn)使用率和施工工效，節(jié)約了施工成本。

該創(chuàng)新技術(shù)還推廣應(yīng)用于大理至南澗高速公路第二總包部一分部、奉建高速總承包項目部TJ01 工區(qū)等高速公路高邊坡拱形骨架護坡施工，應(yīng)用效果非常好、效益巨大。