新型組合弧形鋼模板在高速鐵路隧道仰拱整幅施工中的應(yīng)用

1、新型組合弧形鋼模板在高速鐵路隧道仰拱整幅施工中的應(yīng)用第30卷第6期2010年12月窿營建謹(jǐn)tunnelconstructionv0l_30no.6dec.2010新型組合弧形鋼模板在高速鐵路隧道仰拱整幅施工中的應(yīng)用趙平(中鐵隧道集團(tuán)四處有限公司,南寧530003)摘要:以向莆鐵路夏茂隧道出口施工為例,針對以往仰拱模板存在質(zhì)量大,安裝困難,仰拱施工工序多,仰拱與邊墻基礎(chǔ)不能一次澆筑,施工成本投入大等缺點,通過對隧道仰拱結(jié)構(gòu)尺寸多次細(xì)致研究,繪圖模擬分析論證,最終設(shè)計出了成本低,施工方便靈活的仰拱新型組合弧形鋼模板,克nt以上模板施工中存在的缺點,并對模板的設(shè)計,加工及仰拱混凝土整幅澆筑施工工藝進(jìn)

2、行了詳細(xì)介紹.關(guān)鍵詞:高速鐵路;隧道;仰拱;新型弧形鋼模板中圖分類號:u45文獻(xiàn)標(biāo)志碼:b文章編號:1672741x(2010)06070606applicationofnewarc-shapedcompositesteelformworkinfullbreadthconstructionofinvertofhighspeedrailwaytunnelzha0guangping(the4thengineeringco.,ltd.ofchinarailwaytunnelgroup,nanning530003,china)abstract:theexistingformworksforinvert

3、castinghavesuchdisadvantagesaghighweight,difficultinstallation,con-plexinvertconstructionprocedure,difficultinonetimecastingoftheinvertandthesidewallfoundationandhighinvestmentcost.takingtheconstructionoftheexitsectionofxiamaotunnelonxiangtang-putianrailwayasai1example,theauthorhasdevelopedanewarcsh

4、apedcompositesteelformworkafterdetailedstudies,whichhasovercomethedisad-vantagesoftheexistingformworks.furthermore,theauthorpresentsthedesignandfabricationofthenewformworks,aswellasthefullbreadthcastingoftheinvertwiththenewformworks.keywords:highspeedrailway;tunnel;invert;newarcshapedcompositesteelf

5、ormwork0引言隨著社會的發(fā)展和科技的進(jìn)步,對隧道工程施工質(zhì)量提出了更高要求,特別是在高速鐵路隧道施工中,對隧道的安全性,耐久性和防水性等要求更高,如將以往的施工方法應(yīng)用在高速鐵路隧道施工中將不能滿足其特殊性要求.高速鐵路隧道施工斷面大,隧道結(jié)構(gòu)受力較為復(fù)雜,尤以隧道底部最復(fù)雜,邊墻底與仰拱連接處應(yīng)力較集中,因此隧道襯砌的安全性,耐久性和防水性要求更高.同時,由于隧道結(jié)構(gòu)長期處在列車動荷載作用及地下水侵蝕的影響下極易受到破壞,引起基底沉陷,道床翻漿冒泥等病害,影響運(yùn)營安全,所以對隧道底部的強(qiáng)度要求更高.隧道仰拱部位施工方法與施工質(zhì)量對整個隧道運(yùn)營期間的斷面受力,耐久性等有重要影響.高速鐵路

6、隧道仰拱及填充與以往的施工方式相比存在如下特點.:仰拱混凝土分段連續(xù)澆筑,一次成型不留縱向施工縫;仰拱與填充不能同時灌注;填充混凝土達(dá)到100%強(qiáng)度后才能行車.高速鐵路隧道有仰拱地段仰拱與仰拱填充分層澆筑問題,是影響隧道仰拱施工進(jìn)度,成本投人,施工質(zhì)量的一個關(guān)鍵問題,如何設(shè)計出一種施工方便,經(jīng)濟(jì),功能多的仰拱模板是加快施工進(jìn)度,保證工程質(zhì)量,提高經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵.目前高速鐵路隧道仰拱襯砌施工主要分為以下2種:1)簡易鋼便梁式仰拱棧橋配合仰拱組合鋼模板施工;2)帶行走裝置的可移動仰拱棧橋配合仰拱組合鋼模板或半整體式模板施工.以上仰拱施工存在較多弊病,如成本投入大,使用性能差,性價比較低等.關(guān)于在隧

7、道仰拱模板設(shè)計方面的研究較少,目前還沒有一套成熟經(jīng)濟(jì)適用的仰拱襯砌模板施工方案.針對當(dāng)前隧道仰拱施工現(xiàn)狀和存在的問題,在向收稿日期:20101023;修回et期:20101111作者簡介:趙廣平(1978一),男,2000年畢業(yè)于陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,大專,助理工程師,主要從事隧道工程施工與技術(shù)管理工作.第6期趙廣平:新型組合弧形鋼模板在高速鐵路隧道仰拱整幅施工中的應(yīng)用莆鐵路夏茂隧道出口施工中對以往隧道仰拱模板進(jìn)行了重新設(shè)計和改進(jìn),采用新型組合弧形鋼模板進(jìn)行了隧道仰拱整幅澆筑施工,為隧道仰拱襯砌施工提供一種新的施工方法.1仰拱襯砌新型組合弧形鋼模板設(shè)計1.1傳統(tǒng)施工中模板存在的問題1.1.

8、1模板質(zhì)量大因模板較重,安裝拆除困難,施工中模板拼裝,校正困難,不易操作,工人勞動強(qiáng)度大,質(zhì)量不易保證,進(jìn)度較慢.1.1.2仰拱與邊墻基礎(chǔ)分開澆筑施工在施工中仰拱與邊墻基礎(chǔ)分開施工,施工時先澆筑仰拱混凝土,等強(qiáng)度達(dá)到要求后再立邊模澆筑邊墻基礎(chǔ),不僅增加了1道施工工序,同時還增加了1道縱向施工縫,降低了仰拱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和防水性能.1.1.3仰拱模板與拱墻襯砌臺車模板聯(lián)系不緊密仰拱與拱墻二次襯砌施工工藝缺乏緊密銜接.在進(jìn)行仰拱模板設(shè)計時,沒有與拱墻二次襯砌模板臺車進(jìn)行統(tǒng)籌設(shè)計,而在仰拱與拱墻之問用邊墻基礎(chǔ)進(jìn)行過渡連接,降低了襯砌的整體結(jié)構(gòu)性能.1.1.4仰拱模板與仰拱填充模板聯(lián)系不緊密施工中先立仰拱模

9、板澆筑仰拱混凝土,等仰拱混凝土強(qiáng)度達(dá)到要求后再拆除仰拱模板安裝仰拱填充兩側(cè)邊模,澆筑仰拱填充混凝土.施工中仰拱填充兩側(cè)邊模與仰拱模板分開立模,增加了一次模板安裝及拆除工序.1.1.5成本投入大,維修保養(yǎng)費(fèi)用高以往的仰拱模板結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理,為了防止結(jié)構(gòu)變形,采用增加鋼模板厚度,增加加強(qiáng)連接件等方式,使模板較笨重,耗費(fèi)了大量鋼材,模板成本一次性投入較大.1.2模板設(shè)計新思路通過對以往仰拱模板施工中存在的弊病分析,并通過對仰拱結(jié)構(gòu)設(shè)計尺寸,設(shè)計意圖的充分研究,對傳統(tǒng)仰拱模板進(jìn)行了全方位大膽更新和改造,提出一種新思路新型組合弧形鋼模板,使其具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,輕巧,安裝拆除方便,仰拱只需一次立模即可完成仰拱

10、,邊墻基礎(chǔ),仰拱填充3個部位的混凝土澆筑施工,大大減少了模板施工工序,加快了施工進(jìn)度,提高了結(jié)構(gòu)的整體性.新型組合弧形鋼模板設(shè)計情況及特點如下:1)采用穩(wěn)定的三角形結(jié)構(gòu)形式,把仰拱弧形模板與填充縱向邊模設(shè)計成一個整體模板,兩者之問用角鋼連接固定,這種結(jié)構(gòu)形式下小上大呈楔形,容易脫模.安裝時按照測量控制點位,使模板側(cè)面垂直,角鋼橫向拉桿水平即可方便進(jìn)行模板拼裝定位.因三角形結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,模板不易變形,可減少模板鋼板厚度$hjj固桿件數(shù)量,使模板重量大幅度降低.新型組合弧形鋼模板設(shè)計圖及照片詳見圖1.新型組合弧形鋼模板材料用量表詳見表1.(a)仰拱弧形組合鋼模正面圖(單位:mm)|,/n3n4/l18

11、1(b)仰拱弧形組合鋼模平面圖(單位:mil1)(c)弧形鋼模板照片圖1新型組合弧形鋼模板設(shè)計圖及照片fig.1designdrawingandpictureofnewarcshapedcompositesteelformwork表11塊新型組合弧形鋼模板材料用量表table1rawmaterialsneededtofabricateoneblockofnewarcshapedcompositesteelformwork2)在設(shè)計時把仰拱模板向上進(jìn)行延伸,使仰拱邊墻混凝土頂面高出仰拱填充頂面25cm,作為二次襯砌邊墻基礎(chǔ),實現(xiàn)了邊墻基礎(chǔ)與仰拱一次立模同時澆筑隧道建設(shè)第30卷施工.隧道有仰拱段復(fù)

12、合式襯砌斷面如圖2所示.3)仰拱混凝土澆筑完成后,在仰拱混凝土強(qiáng)度滿足要求后,即可澆筑仰拱填充混凝土,不需再進(jìn)行仰拱填充縱向邊模施工.仰拱填充混凝土強(qiáng)度滿足拆模要求后一次拆除仰拱弧形模板,拆模后隧道兩側(cè)邊墻形成1個楔形溝槽,該槽為水溝電纜槽基礎(chǔ)的一部分,在水溝電纜槽施工前可兼做隧道施工期間的臨時排水溝使用.新型組合弧形鋼模板在仰拱中的安裝位置如圖3所示.仰拱與砌分界圖2隧道有仰拱段復(fù)合式襯砌斷面圖fig.2crosssectionofcompositeliningoftunnelwithinvert圖3新型組合弧形鋼模板在仰拱中的安裝位置fig.3installationpositionofn

13、ewarcshapedcompositesteelformwork1.3工作原理利用錨桿和縱向鋼管作為固定模板的支架,組合弧形鋼模板之間通過螺栓連接拼裝成一個整體結(jié)構(gòu).在澆筑混凝土前由錨桿支撐模板的自重,在澆筑混凝土過程中由錨桿約束模板上浮移動.仰拱底部中線兩側(cè)部位仰拱弧度平緩,坡度為不大于1o.,施工中通過減小混凝土的坍落度,并適當(dāng)降低仰拱底部混凝土的澆筑速度來控制仰拱的成型.用混凝土封閉模板底部的空隙,在模板底部混凝土初凝后澆筑仰拱邊墻頂部混凝土.仰供混凝土澆筑完畢強(qiáng)度達(dá)到要求后,安裝隧道中心排水管并澆筑仰拱填充混凝土.2仰拱襯砌新型組合弧形鋼模板施工工藝流程隧道仰拱襯砌全幅澆筑需借助簡易

14、仰拱棧橋進(jìn)行施工,為確保施工過程中運(yùn)輸通道暢通,每組仰拱整幅澆筑長度612m.在隧底開挖及初期支護(hù)已施工完的地段進(jìn)行仰拱二次襯砌施工,施工前需提前清除仰拱表面的虛碴及雜物,做好仰拱施工前的設(shè)備,物資,技術(shù)等方面的準(zhǔn)備工作.2.1施工工藝施工準(zhǔn)備一架設(shè)仰拱棧橋一清理仰拱底部雜物一測量放線一綁扎二次襯砌鋼筋(有筋段)一固定仰拱模板骨架一拼裝仰拱弧形鋼模及仰拱端頭木模一澆筑仰拱混凝土一仰拱混凝土養(yǎng)護(hù)一安裝中心排水管,檢查井立模,安裝橫向排水管一澆筑仰拱填充混凝土一達(dá)到2.5mpa后拆模并養(yǎng)護(hù)一混凝土達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后移動棧橋進(jìn)行下一循環(huán)施工.2.2主要施工工序2.2.1施工準(zhǔn)備在進(jìn)行仰拱二次襯砌施工之前

15、需做好充分的施工準(zhǔn)備工作,主要有以下幾點:1)設(shè)備物資方面.仰拱弧形鋼模加工并驗收合格,仰拱簡易棧橋已到位,鋼筋加工設(shè)備能滿足施工要求,拌和站,混凝土運(yùn)輸設(shè)備完好,能滿足混凝土供應(yīng),隧道結(jié)構(gòu)所用止水帶等材料充足并已檢驗合格.2)現(xiàn)場準(zhǔn)備.滿足仰拱二次襯砌施工的作業(yè)面,現(xiàn)場風(fēng),水,電設(shè)施已配置完善,滿足施工需求.施工仰拱二次襯砌地段的隧底開挖初期支護(hù)已施工完畢,隧底洞碴已清理完畢.3)技術(shù)準(zhǔn)備.仰拱二次襯砌施工技術(shù)交底已審批簽字,并對施工作業(yè)人員進(jìn)行技術(shù)交底和施工安全培訓(xùn).2.2.2仰拱棧橋架設(shè)仰拱棧橋的每片主梁長1220m,寬1m,由4根i32a型鋼和68nlm厚鋼板拼裝而成,每組棧橋由2片主

16、梁組成,每組仰拱澆筑長度612m.為確保中心水溝及檢查井施工方便,棧橋架設(shè)偏離水溝中心,距填充頂面高30cm.棧橋一端支撐在已澆筑好的填充混凝土面上,另一端支撐在用洞碴壓實的臨時路面上,2片主梁之間間距1m,每片梁用裝載機(jī),挖掘機(jī)移動.在施工過程中需經(jīng)常檢查棧橋基礎(chǔ)的穩(wěn)定性,對棧橋定期維修加固,施工中人員應(yīng)注意避讓棧橋上行駛的車輛,確保施工安全.棧橋架設(shè)示意圖詳見圖4.圖4棧橋架設(shè)示意圖(單位:tn)fig.4installationofinvetrestle(m,2.2.3仰拱施工根據(jù)仰拱模板測量點位,先初步固定模板骨架,然后通過準(zhǔn)確定位模板骨架并對其進(jìn)行加固.骨架采用下錨的方式在隧底初期支

17、護(hù)拱架上焊接或隧底圍巖內(nèi)鉆孔錨固22鋼筋,鋼筋與縱向50定位鋼管焊接第6期趙廣平:新型組合弧形鋼模板在高速鐵路隧道仰拱整幅施工中的應(yīng)用牢固,然后將新型組合弧形鋼模板與骨架連接牢固,防止混凝土施工時模板上浮.安裝環(huán)向止水帶及端頭模板,模板固定牢固后一次性連續(xù)澆筑仰拱混凝土.新型組合弧形鋼模板定位示意圖詳見圖5.22水平定位錨桿,圖5新型組合弧形鋼模板定位示意圖fig.5positioningofnewarcshapedcompositesteelfomlwork2.2.4仰拱填充施工仰拱填充整體一次澆筑,澆筑長度與仰拱相同.待仰拱混凝土強(qiáng)度滿足施工要求后,在隧道中線處仰拱混凝土頂面固定中心排水圓

18、管(采用同強(qiáng)度等級混凝土預(yù)制基座,中心排水圓管安裝在基座上),檢查井立模,安裝橫向排水管澆筑填充混凝土.檢查井采用定型鋼模板,預(yù)留檢查井鋼筋混凝土井壁,在施工底板前(軌道基礎(chǔ))施工井壁.3施工注意事項及技術(shù)措施1)模板安裝由繃線控制.模板結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)控制準(zhǔn)確,施工中應(yīng)注意檢查加固模板,防止跑模,漏漿,確保誤差控制在允許范圍內(nèi).2)混凝土采用混凝土罐車運(yùn)輸.行走時混凝土罐車以24r/min的轉(zhuǎn)速攪動,要在人模前現(xiàn)場進(jìn)行,混凝土的坍落度測定,以配合比設(shè)計坍落度為標(biāo)準(zhǔn),控制混凝土的生產(chǎn)質(zhì)量.3)澆筑仰拱襯砌時,罐車內(nèi)混凝土通過溜槽等設(shè)施輔助下落.4)仰拱,仰拱填充及邊墻基礎(chǔ)均屬非承重模板,待混凝土強(qiáng)度

19、達(dá)到2.5mpa后即可進(jìn)行脫模,脫模時應(yīng)注意不要損傷混凝土棱角.仰拱弧形鋼模板質(zhì)量較小,可采用人工撬棍逐塊拆除,拆除時注意不要損傷模板,模板拆除后要堆碼整齊,做好防護(hù),防止車輛碾壓.5)澆筑混凝土左右兩側(cè)同時對稱進(jìn)行,先中間逐步向兩側(cè)延伸.采用插入式振搗棒振搗,灌注速度不宜太快,要防止混凝土爆模,同時振搗時防止模板上浮,下錨筋與模板固定要牢固.6)在仰拱混凝土施工完畢后,待強(qiáng)度達(dá)到100%后方可行車.應(yīng)避免重型車輛對混凝土碾壓破壞,在搬運(yùn)鋼筋過程中應(yīng)注意混凝土棱角的保護(hù),嚴(yán)禁破壞成品混凝土.7)運(yùn)輸安全.由于隧道內(nèi)空間狹窄,作業(yè)面小,運(yùn)輸量大,車輛頻繁通過棧橋,為保證安全,在施工過程要有專人來

20、指揮,并設(shè)置安全警示標(biāo)志.4應(yīng)用實例4.1工程概況新建向莆鐵路fj一2標(biāo)夏茂隧道全長6340m,位于福建省沙縣境內(nèi).,為雙線鐵路隧道,凈寬12920mln,凈高8730mm,開挖斷面144.47m.隧道線間距4.65.0m,設(shè)計行車速度為200km/h,并預(yù)留250km/h條件,建筑限界滿足雙層集裝箱列車開行要求,洞內(nèi)為雙塊式無砟軌道.該隧道襯砌類型主要為排水型復(fù)合式襯砌(隧道口有明洞段),復(fù)合式襯砌由初期支護(hù),防水隔離層與二次襯砌組成.級圍巖采用曲墻加底板結(jié)構(gòu)形式;一v級圍巖采用曲墻加仰拱結(jié)構(gòu)形式,共411m.仰拱與拱墻采用同強(qiáng)度等級混凝土,隧道采用鉆爆法開挖,無軌運(yùn)輸,隧道仰拱與仰拱填充分

21、開施作.仰拱超前,采用簡易棧橋全幅施工,先澆筑仰拱混凝土,再澆筑仰拱填充混凝土.拱墻隨后,采用模板臺車連續(xù)澆筑.無軌混凝土罐車運(yùn)輸,泵送混凝土入模.4.2應(yīng)用情況新型組合弧形鋼模板施工工藝在新建向莆鐵路fj一2標(biāo)夏茂隧道取得了成功,施工效果良好.模板重量較輕,結(jié)構(gòu)形式便于拼裝,拆除,模板拼裝速度快.模板拆除后混凝土表面平整,無錯臺,混凝土外觀質(zhì)量好.使用該模板進(jìn)行仰拱施工精簡了施工工序,縮短了施工時間,提高了仰拱施工速度,同時還降低了工人勞動強(qiáng)度.4.2.1主要施工步驟使用新型組合弧形鋼模板施工隧道仰拱主要施工步驟見圖6.施工中利用混凝土罐車運(yùn)輸混凝土,仰拱邊墻兩側(cè)混凝土利用自制混凝土梭槽接罐

22、車出料口把混凝土輸送人模,混凝土運(yùn)輸罐車停在棧橋上或棧橋兩端進(jìn)行仰拱混凝土澆筑施工.4.2.2勞動力組織見表2.(a)隧底清理及仰拱鋼筋綁扎7lo隧道建設(shè)第30卷(b)新型組合弧形鋼模板組裝固定(c)仰拱及邊墻基礎(chǔ)混凝土澆筑(d)仰拱填充混凝土澆筑(e)混凝土澆筑完后的仰拱及仰拱填充萄(f)拆除模板后的仰拱及仰拱填充圖6新型組合弧形鋼模板施工仰拱襯砌主要施工步驟fig.6majorconstructionstepsofinvertconstructedbynewarcshapedcompositesteelformwork表2隧道仰拱施工主要勞動力配置表table2iab()fsneededf

23、orinvertconstruction4.2.3機(jī)具設(shè)備配備情況見表3.表3隧道仰拱施工主要機(jī)械設(shè)備配備表table3machineryandequipmentneededforinvertconstruction4.3新型組合弧形鋼模板綜合效益分析4.3.1人工費(fèi)和材料費(fèi)對比在夏茂隧道出口仰拱施工中一個循環(huán)為8m或l2m,暫按1個循環(huán)12m為例:如采用傳統(tǒng)的仰拱模板施工,需要15個人工3d完成;采用新型組合弧形鋼模板需要l5個人工2d完成.dn:r:1組12m長仰拱襯砌新型組合弧形鋼模板需投入:等邊角鋼40x4mm,30塊20.4kgx(68001000kg)=4l61.6元;等邊角鋼50

24、x5mm,30塊x9.96kg(68001000kg)=2031.8元;鋼板厚4mm,30塊x46.2kgx(6800yr_/1000kg)=9424.8元.加工1組12m長新型組合弧形鋼模板共投入材料及加工費(fèi)15618.2元.以上費(fèi)用已含材料加工費(fèi)用(2009年當(dāng)?shù)貎r格),而傳統(tǒng)仰拱模板材料及加工費(fèi)需要投入68萬元.4.3.1.1在仰拱施工中采用傳統(tǒng)仰拱模板施工,按12m/循環(huán)計算鋼筋工:8人x100元/32日x3個工日=2400兀:混凝土工:3人x100元/工日x3個工日=900了e:第6期趙廣平:新型組合弧形鋼模板在高速鐵路隧道仰拱整幅施工中的應(yīng)用7l1模板工:4人100工日3個工日=1

25、200元;人工費(fèi)攤銷到仰拱每方混凝土中:4500元/(17.9inx12m)=20.95m.按照加工1組傳統(tǒng)仰拱模板60000元計算,傳統(tǒng)仰拱模板攤銷到仰拱每方混凝土中:60000元(17.9m3411113)=8.16m.采用傳統(tǒng)仰拱模板單位直接成本為20.95+8.16=29.11元/m(不含混凝土成本).4.3.1.2在仰拱施工中采用新型組合弧形鋼模板施工,按12m/循環(huán)計算鋼筋工:8人100工日2個工日=1600兀:混凝土工:3人x100工日2個工日=600兀:模板工:4人100工日2個工日=800元;人工費(fèi)攤銷到抑拱每方混凝土中:3000元/(17.9m12m)=13.97m.新型組

26、合弧形鋼模板攤銷到仰拱每方混凝土中:15618.2元(17.9m411m)=2.12rn.采用新型組合弧形鋼模板單位直接成本為13.97+2.12=16.09元/m(不含混凝土成本).經(jīng)對比可看出,新型組合弧形鋼模板比傳統(tǒng)仰拱模板施工1個循環(huán)仰拱節(jié)省1個施工日,并在費(fèi)用上每m混凝土比傳統(tǒng)仰拱模板節(jié)約成本29.1116.09=13.02兀.4.3.2工期對比根據(jù)現(xiàn)場施工及經(jīng)驗,傳統(tǒng)仰拱模板施工仰拱周期為4m/d,新型組合弧形鋼模板施工仰拱周期為6m/d,因此采用新型組合弧形鋼模板與采用傳統(tǒng)仰拱模板施工仰拱相比,提高了工作效率,縮短了工期.就夏茂隧道出口仰拱施工計算:傳統(tǒng)仰拱模板施工仰拱需要的時間為411m4m/d=102.75d;新型組合弧形鋼模板施工仰拱需要的時間為4111ti6