大斷面裝配式U 型槽側墻結構預制質量控制技術研究

劉 磊

（京唐城際鐵路有限公司，河北唐山）

引言

隨著鐵路行業的飛速發展，形成了我國錯綜復雜的鐵路網，鐵路的大量建設導致對路基U 型槽的需求大大增加。傳統現澆式U 型槽施工工期長、效率低，相反，預制裝配式U 型槽施工便捷、機械化程度高、節省材料等，能夠大大提高施工效率，滿足我國鐵路建設的需求。而裝配式U 型槽施工在我國尚無先例，其結構預制技術也無相應經驗可供借鑒。

國內外針對于裝配式地下工程結構預制工藝研究多集中于地鐵車站、綜合管廊等。蘭永祥[1]通過分析某工程在管理過程中的不足，提出了建立智能生產信息化管理。何亮[2]等通過某實例工程分析了預制裝配式U 型混凝土渠道制作及安裝施工技術。鄧家勛[3]基于某工程總結了新型裝配式綜合管廊的結構預制工藝及拼裝技術，證明了新型裝配工藝具有推廣應用的價值。羅強等[4]基于某工程項目發現通過把控模具、鋼筋和混凝土工程質量，可有效保障預制構件生產質量。田安然[5]通過對明挖整體裝配式地下綜合管廊預制生產技術進行研究分析，總結了不同預制工藝在整體裝配式地下綜合管廊施工中的優缺點。上述研究顯示，針對地下車站、綜合管廊等預制結構已有較為成熟的預制施工技術。U 型槽與其相比，具有斷面尺寸多變、長懸臂特點，其預制生產質量控制難度更大。

對此，研究依托全國首例裝配式U 型槽工程- 京唐鐵路站前八標U 型槽工程，重點研究了側墻長懸臂結構澆筑時穩定性，提出了可調節通用性模板設計，建立了U 型槽結構側墻澆筑質量控制技術，研究成果可為U 型槽等復雜多變預制結構生產提供借鑒。

1 工程概況

京唐鐵路八標U 型槽預制段全長206 m，縱向坡率為25.26‰，按每節18 m 分成12 段，其中U11～U16為路塹預制段，U17～U22 為路堤預制段。U 型槽由2塊預制“L”型墻及1 塊預制底板組成，預制“L”型墻1.996 m 寬，最大高度7.338 m，最小高度4.61 m，預制底板7.396 m 長，1.996 m 寬，0.5 m 厚，其中底板為最大預制構件重19.75 t，混凝土強度等級C50，抗滲等級P12，見圖1。

圖1 預制U 型槽構成

2 可調節加強型側墻模板研究

2.1 側墻模具穩定性研究

U 型槽側墻L 型為長懸臂結構，采用臥打方式澆筑，側墻最高7.338 m，澆筑過程中，模具易產生較大撓曲，為保證側墻長懸臂結構澆筑時穩定性，采用Midas GTS NX 建立數值模擬，考慮懸臂結構支撐點布置，見圖2，其主要物理參數見表1，模擬中僅考慮澆筑對模板的作用，在模型底部設置豎直及水平約束[6-7]。

表1 模擬結構物理參數

圖2 數值模型

底部支撐數量不同，U 型槽澆筑過程中的模具變形也不同，對此通過數值模擬分析了撓度變形，見圖3。

圖3 不同支撐點下的豎向位移

由圖3 可知，通過設置不同數量的支撐可以控制模具懸臂結構的撓度，布置一個支撐點時，懸臂端的跨中部位出現較大的撓度，達到了3.39 mm，嚴重影響預制側墻的垂直度以及穩定性。布置兩個支撐點時，懸臂端撓度控制相對前者有所緩和，此時最大撓度為1.57 mm。當布置三個支撐點時，懸臂端最大撓度僅為0.49 mm，僅有設置一個支撐點時最大撓度的1/7，且懸臂端整體的撓度變化相對平緩穩定，模具的穩定性更好，因此采用設置三道支撐的設計加強模具穩定性。同時可以發現模具底板部位產生了一定的變形，且在三種支撐方案下，沒有明顯的變化，對此也應對底板部位進行加固穩定。

通過數值模擬分析，“L”型側墻長懸臂結構澆筑模具布置三個支撐點，支撐布置型式見圖4。同時將模具與混凝土接觸面的鋼板進行20 mm 加厚，模具外部采用網格狀的肋板進行加固，轉角位置設置斜肋進行加強，并對側墻底板側向設置了支撐桿，保障模具的穩定性。

圖4 模板示意

2.2 模具的可調節設計研究

U 型槽側墻高度不斷變化，模具的尺寸不固定，如果為每節U 型槽單獨制作模具，會大大增加模板造價，因此應設計出尺寸可調節的U 型槽側墻模具。

設計通過給側墻模具增加18 個可自由安裝拆卸的調節模塊，來實現側墻模具尺寸的可調節性。針對每節U 型槽的設計尺寸，將模具上調節模塊的數量進行調節，完成側墻模具尺寸的轉換，實現了單一模具就可完成所有U 型槽側墻的生產。研究制定“臨時開孔+產后封堵”進行生產，通過對預埋件位置進行臨時開孔，生產完成后采用尼龍棒對多余的孔洞進行封堵，針對預埋件種類和位置的多樣化預留問題。

3 U 型槽側墻結構預制質量控制

3.1 澆筑工藝與質量控制

U 型槽側墻采用臥打方式進行生產，首先拼裝側墻模具并檢查拼裝質量，將模具清理干凈后，用門式起重機將鋼筋籠吊入模具中，并檢查矯正鋼筋籠位置，檢查無誤安裝固定各類預埋件，進行混凝土澆筑。采用分層澆筑的方式進行澆筑，澆筑時使用震動棒進行充分振搗，混凝土初凝、終凝前后，對表面進行整平、抹面，保證側墻表面光滑平整，并抑制表面產生裂縫。構件養護時，通過智能養護系統進行自動灑水養護，待預制側墻具有脫模條件后，使用門式起重機進行拆模作業，拆模后用編碼對側墻進行標記，并將側墻照片配合編碼信息一并上傳至信息系統中，配合U型槽側墻的后續智能化管控。

三維激光掃描可以提高U 型槽側墻外觀質量檢查工作效率，檢查側墻外觀質量時，使用三維激光掃描儀進行整體平面檢測，獲取側墻的外觀點云數據，將側墻BIM 模型與掃描的三維點云模型進行對比分析，能夠精準、高效的完成U 型槽側墻外觀質量檢查。

3.2 鋼筋預制構件防碰撞BIM建模

U 型槽側墻鋼筋設計排布復雜，導致鋼筋與預埋件極易發生碰撞，僅依靠圖紙無法直觀的發現問題，使用BIM對鋼筋與預埋件進行精細化建模，建模時，充分考慮到側墻鋼筋空間位置的排布，仔細檢查鋼筋、排氣孔、預埋錨栓、吊釘之間的位置，檢查結果見圖5。

圖5 構件空間干涉檢測

由圖5 可以看出，使用BIM對側墻鋼筋碰撞檢查的結果清晰直觀，檢查發現預埋錨栓與排氣孔同鋼筋發生了碰撞，通過偏移鋼筋的位置，充分考慮其空間排布，進行鋼筋位置的細致優化，從而解決鋼筋與預埋件位置沖突問題，能夠避免預制側墻的返工行為。

4 結論

為了提升U 型槽預制施工質量，研究依托京唐鐵路站前八標U 型槽工程，分析了U 型槽模具及澆筑質量控制，得到以下結論：

（1） 研究針對U 型槽側墻懸臂端過大易發生失穩的問題，通過有限元模擬得出1～3 個支撐點三種情況下懸臂端的撓度，分別為3.39 mm、1.57 mm 和0.49 mm，對此采用了設置三道支撐的設計加強模具穩定性。

（2） 通過有限元模擬發現側墻底板發生了變形，且設置支撐點難以有效的控制，因此，對側墻底板側向設置了支撐桿，轉角位置設置斜肋進行加強，進一步保障模具的穩定性。

（3） 研究設計了可調節側墻模具，通過增加可自由安裝拆卸的調節模塊，實現側墻模具尺寸的可調節性，解決了因U 型槽尺寸變化導致模具造價花費高的問題。

（4） 提出了BIM的側墻鋼筋與預埋件精細化建模，直觀發現鋼筋與預埋件的碰撞位置，有效解決鋼筋與預埋件位置沖突問題，還提出了三維激光掃描的質量自動感知方法，保障了施工質量精確、高效檢驗。