可拼接桁架式拱形轉(zhuǎn)換支架在高鐵隧道模架設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

摘要：高鐵成自線天府機(jī)場(chǎng)站（天府機(jī)場(chǎng)高鐵）兩端咽喉區(qū)間為鋼筋混凝土圓拱直墻式閉合隧道，造型為大跨度大曲率超高超厚拱形；在頂板模架體系設(shè)計(jì)中，采用以高強(qiáng)碗扣架為支撐體系，結(jié)合一種由可調(diào)節(jié)支撐、SBS雙U型鋼梁組合拼接而成的桁架式轉(zhuǎn)換支架應(yīng)用，解決了大斷面超高拱形隧道的模架設(shè)計(jì)與施工難題，保證了混凝土成型效果。

關(guān)鍵詞：成都天府國(guó)際機(jī)場(chǎng); 拱形隧道結(jié)構(gòu); 超厚弧形頂板; 可拼接桁架式轉(zhuǎn)換支架

中國(guó)分類(lèi)號(hào)：U449.5B

［定稿日期］2023-04-10

［作者簡(jiǎn)介］李鵬（1975—），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)楣こ淌┕ぜ夹g(shù)；郭范（1990—），男，本科，工程師，研究方向?yàn)楣こ淌┕ぜ夹g(shù)；劉源（1971—），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榕R時(shí)支撐結(jié)構(gòu)材料與技術(shù)；繆秀華（1981—），男，本科，助理工程師，研究方向?yàn)橥两üこ淌┕ぁ?/p>

0 引言

大斷面拱形結(jié)構(gòu)在隧道工程中應(yīng)用廣泛，常規(guī)斷面尺寸統(tǒng)一、長(zhǎng)度較長(zhǎng)，常采用定型鋼模臺(tái)車(chē)。明挖現(xiàn)澆拱形隧道結(jié)構(gòu)通常存在斷面尺寸變化較大、長(zhǎng)度較短，采用常規(guī)的鋼模臺(tái)車(chē)較難適應(yīng)變化尺寸，同時(shí)成本較高。明挖現(xiàn)澆拱形隧道結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中，模板及其支撐系統(tǒng)的合理選型及設(shè)計(jì)，直接關(guān)系到現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)的成敗。本文結(jié)合高鐵成自線天府機(jī)場(chǎng)站項(xiàng)目，闡述一種可拼接桁架式拱形轉(zhuǎn)換支架的設(shè)計(jì)應(yīng)用。

1 工程概況

高鐵成自線天府機(jī)場(chǎng)站土建預(yù)留工程（天府機(jī)場(chǎng)高鐵站），鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)埋深25.05 m，全長(zhǎng)1 613 m，由隧道段（DK59+027.000～DK59+152.200/DK60+542.230～DK60+640.000）、咽喉區(qū)間段（DK59+152.200～DK59+577.800/DK60+095.000～DK60+542.230）、車(chē)站段（DK59+577.800～DK60+095.000）組合而成，見(jiàn)圖1；其中大、小里程咽喉區(qū)間在保證其內(nèi)部高鐵通過(guò)性等功能需求的同時(shí)，又需要給上部共建的航站樓、高架橋、綜合管廊等建構(gòu)筑物提供較大荷載的承載能力，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成大曲率、大跨度、大板厚的超高拱型結(jié)構(gòu)；且結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)拱高及其拱徑隨里程變化，弧形拱半徑為3.03～7.73 m不等，拱高3.25～4 m，板厚3.0 m、2.5 m，結(jié)構(gòu)凈高12.25 m，見(jiàn)圖2；該明挖拱形隧道拱頂結(jié)構(gòu)模板支撐架設(shè)計(jì)與施工難度大。

2 模架體系選型與設(shè)計(jì)

2.1 模架體系比選

根據(jù)本工程鋼筋混凝土圓拱直墻式閉合隧道的拱高、拱徑以及板厚等特點(diǎn)，結(jié)合大、小里程結(jié)構(gòu)橫斷面、豎向曲線、施工荷載等因素，模架支撐體系擬選用DURALOK高強(qiáng)碗扣架；上部拱圈的實(shí)現(xiàn)則有2種可供選擇的設(shè)計(jì)方案見(jiàn)表1，方案一采用DURALOK高強(qiáng)碗扣架+定制工字鋼+方木+覆膜多層板；方案二采用DURALOK高強(qiáng)碗扣架+可拼接桁架式拱形轉(zhuǎn)換支架+（SBS雙U型鋼梁）+方木+覆膜多層板。2個(gè)方案的比選分析見(jiàn)表2。

經(jīng)對(duì)比分析，綜合考慮方案適用性、經(jīng)濟(jì)型、安全性及技術(shù)先進(jìn)性等因素，拱形隧道頂板模架采用DURALOK高強(qiáng)碗扣架＋可拼接桁架式拱形轉(zhuǎn)換支架組成的模板支撐體系為最優(yōu)方案。

2.2 模架體系特點(diǎn)分析

DURALOK高強(qiáng)碗扣架+可拼接桁架式拱形轉(zhuǎn)換支架體系及其組成桿件具有的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：

（1）DURALOK高強(qiáng)碗扣架體。DURALOK高強(qiáng)碗扣架體具有高承載力的特點(diǎn)，其單肢立桿極限承載力約為120 kN；連接節(jié)點(diǎn)采用鍛造工藝制成，節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度均大于100 kN·m/rad；結(jié)合專(zhuān)用碗扣豎向斜桿及帶碗天托的使用，極大地提高了架體的整體穩(wěn)定性和安全承載力。

（2）SBS雙U型鋼梁。SBS雙U型鋼梁材質(zhì)為Q355B，輕質(zhì)高強(qiáng)，鋼梁上全長(zhǎng)設(shè)置固定螺栓孔，可根據(jù)結(jié)構(gòu)外形拼接接長(zhǎng)，鋼梁通過(guò)螺栓連接接長(zhǎng)，可提前預(yù)拼吊裝，靈活多變，方便快捷，配套性強(qiáng)，見(jiàn)圖3。

SBS雙U型鋼梁采用冷彎工藝成型，壁薄，形態(tài)似靠背雙“C”，擁有良好的受力性能，彈性模量達(dá)2.1×105 N/mm2，慣性矩達(dá)5.0×106 mm4，受力性能完勝同級(jí)別工字鋼。SBS雙U型鋼梁本身設(shè)計(jì)了密集的X型特殊凹凸式花紋和螺栓孔，能夠使其自重減小的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)更多的連接可能性，更提供了額外的剛度，無(wú)需借助特殊機(jī)具，人工即可隨意安裝。

（3）可調(diào)斜桿。可調(diào)斜桿是個(gè)可伸縮調(diào)節(jié)的斜桿，承載力高，調(diào)節(jié)范圍大，穩(wěn)定性好。可調(diào)節(jié)絲桿可利用調(diào)整插在內(nèi)管中銷(xiāo)子的位置和2個(gè)螺母鎖緊銷(xiāo)子在最小和最大尺寸間得到需要的各種長(zhǎng)度。在使用過(guò)程中可用錘敲擊兩頭的銷(xiāo)子把斜桿鎖緊在水平橫桿上，也可以根據(jù)實(shí)際尺寸獨(dú)立使用內(nèi)管和外管。

鐵路與公路李鵬， 郭范， 劉源， 等： 可拼接桁架式拱形轉(zhuǎn)換支架在高鐵隧道模架設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

（4）可拼接桁架式拱形轉(zhuǎn)換支架。可拼接桁架式拱形轉(zhuǎn)換支架是由下弦桿、腹桿、上弦桿組合而成桁架式受力構(gòu)件，上、下弦桿由不同長(zhǎng)度型號(hào)的SBS雙U型鋼梁通過(guò)高強(qiáng)螺栓連接，腹桿采用可調(diào)斜撐桿件，見(jiàn)圖5。

不同長(zhǎng)度模數(shù)的SBS雙U型鋼梁與可調(diào)節(jié)斜撐使用螺栓組合連接后更加靈活多變，經(jīng)過(guò)可調(diào)節(jié)斜撐桿件的角度與高度的調(diào)節(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)以直代曲，滿(mǎn)足不同弧度的拱形結(jié)構(gòu)。

可拼接桁架式轉(zhuǎn)換支架桿件傳力清晰，且其配套性強(qiáng)，可散拼，可整裝；小面積施工時(shí)，可直接在作業(yè)面上部進(jìn)行安裝就位；大面積施工時(shí)，可提前在周邊場(chǎng)地預(yù)拼完成后通過(guò)吊裝工具安裝就位，特點(diǎn)明顯。

2.3 拱形隧道頂板模架的設(shè)計(jì)

大、小里程咽喉段頂板模架選用DURALOK高強(qiáng)碗扣腳手架支撐系統(tǒng)；架體立桿縱橫向間距600 mm×900 mm，步距為1000 mm，豎向斜桿每隔3跨設(shè)置一道；水平剪刀撐設(shè)置上、中、下三道；主梁為SBS雙U型鋼梁；次龍骨采用100 mm×50 mm×3 mm矩形鋼管、100 mm×100 mm方木結(jié)合使用，間距200 mm；面板采用18 mm厚多層板，見(jiàn)圖6［1］。

為保證高拱結(jié)構(gòu)架體自身平衡，在拱形根部向上開(kāi)始采用可調(diào)節(jié)斜支撐及SBS雙U型鋼梁組合成可拼接桁架式拱形轉(zhuǎn)換支架，轉(zhuǎn)換支架縱向間距同縱向立桿間距。

3 可拼接桁架式拱形轉(zhuǎn)換支架受力性能分析

可拼接桁架式拱形轉(zhuǎn)換支架桁架是由一些用直桿組成的三角形框構(gòu)成的幾何形狀不變的結(jié)構(gòu)物，受力均以單向拉、壓為主，通過(guò)對(duì)上下弦和腹桿的合理布置，可適應(yīng)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的受力分布。其水平方向的拉、壓內(nèi)力實(shí)現(xiàn)了自身平衡，傳力體系簡(jiǎn)單清晰。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮該體系具有足夠強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性。

施工過(guò)程中拱頂傳力、轉(zhuǎn)換支架及其支撐體系所受荷載變化比較復(fù)雜，為準(zhǔn)確模擬拱頂施工過(guò)程中邊界、荷載的情況，采用SAP2000軟件，建立整體有限元分析模型對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行模擬分析，見(jiàn)圖8、圖9。

通過(guò)對(duì)豎向荷載和水平荷載模擬施加，經(jīng)空間有限元分析，最大變形：X方向0.547 mm，Y方向0.533 mm，Z向1.089 mm；兩側(cè)最大軸力74 kN，中部位置最大軸力為56.343 kN，斜支撐桿的最大軸力為34.927 kN，可滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

4 預(yù)壓堆載及實(shí)施過(guò)程監(jiān)測(cè)

4.1 預(yù)壓堆載試驗(yàn)

為了有效確保高拱結(jié)構(gòu)頂板澆筑混凝土過(guò)程的安全性，在施工之前，需進(jìn)行安全驗(yàn)證，選取具有典型代表部位的模架在原位進(jìn)行堆載試驗(yàn)，試驗(yàn)采用逐級(jí)加載方式，逐步增加試驗(yàn)荷載，并采用電子設(shè)備動(dòng)態(tài)觀測(cè)其變形和關(guān)鍵受力桿件的應(yīng)力和應(yīng)變情況，將理論值進(jìn)行比較和分析，驗(yàn)證有限元建模分析計(jì)算的準(zhǔn)確性和可靠性。

4.2 實(shí)施過(guò)程監(jiān)測(cè)

實(shí)施過(guò)程中，采用萬(wàn)能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以監(jiān)測(cè)澆筑荷載作用下支架的變形、各階段的應(yīng)力、澆筑過(guò)程中可能出現(xiàn)的非正常情況下的預(yù)警以及提供支架系統(tǒng)的變形歷程和應(yīng)力歷程。監(jiān)測(cè)點(diǎn)位分別布置在模架體系具有代表部位的轉(zhuǎn)換支架上下弦桿、腹桿以及支撐體系立桿上部-500 mm處、立桿中部、立桿底部+500 mm處。

4.3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

預(yù)壓堆載試驗(yàn)及實(shí)施過(guò)程監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)結(jié)果均顯示，在整個(gè)堆載試驗(yàn)或?qū)嶋H澆筑過(guò)程中，未發(fā)現(xiàn)過(guò)大的變形、桿件失穩(wěn)和應(yīng)力過(guò)大的情況，桿件處于彈性狀態(tài)，支架具有足夠的強(qiáng)度和剛度，均能夠滿(mǎn)足有限元建模分析的計(jì)算結(jié)果。另外，實(shí)施監(jiān)測(cè)與預(yù)壓試驗(yàn)的數(shù)據(jù)相比較，混凝土實(shí)際澆筑中監(jiān)測(cè)得到的應(yīng)力和撓度數(shù)據(jù)均小于預(yù)壓試驗(yàn)結(jié)果［1］。

監(jiān)測(cè)結(jié)果也表明，DURALOK高強(qiáng)碗扣架＋可拼接桁架式拱形轉(zhuǎn)換支架組合支撐體系具有良好的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

5 實(shí)施效果

高鐵成自線天府機(jī)場(chǎng)站咽喉段鋼筋混凝土圓拱直墻式閉合隧道結(jié)構(gòu)拱徑高、曲率大、頂板厚，選用DURALOK高強(qiáng)碗扣腳手架支撐系統(tǒng)，并結(jié)合可拼接桁架式轉(zhuǎn)換支架設(shè)計(jì)應(yīng)用，較好解決了超厚超高拱形隧道頂板模架設(shè)計(jì)難題。隧道結(jié)構(gòu)順利施工完成，混凝土成型質(zhì)量好，施工過(guò)程安全受控；模架設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)合理，經(jīng)過(guò)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，取得了較好的效果，見(jiàn)圖10。

本工程高鐵拱形隧道的拱頂超厚、拱徑超大模架體系用料簡(jiǎn)單、易就地取材、設(shè)計(jì)新穎大膽、經(jīng)濟(jì)適用、安全可靠、具有較高的可操作性，可大力推廣，為類(lèi)似工程提拱了借鑒經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

［1］ 盧喜成，毛杰，于越，等.大曲率高拱結(jié)構(gòu)超厚頂板模架設(shè)計(jì)及應(yīng)用［J］.建筑技術(shù)開(kāi)發(fā)，2022-01-15.