新型组合弧形钢模板在高速铁路隧道仰拱整幅施工中的应用

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1、新型组合弧形钢模板在高速铁路隧道仰拱整幅施工中的应用第30卷第6期2010年12月窿营建谨TunnelConstructionV0l_30No.6Dec.2010新型组合弧形钢模板在高速铁路隧道仰拱整幅施工中的应用赵平(中铁隧道集团四处有限公司,南宁530003)摘要:以向莆铁路夏茂隧道出口施工为例,针对以往仰拱模板存在质量大,安装困难,仰拱施工工序多,仰拱与边墙基础不能一次浇筑,施工成本投入大等缺点,通过对隧道仰拱结构尺寸多次细致研究,绘图模拟分析论证,最终设计出了成本低,施工方便灵活的仰拱新型组合弧形钢模板,克NT以上模板施工中存在的缺点,并对模板的设计,加工及仰拱混凝土整幅浇筑施工工艺进

2、行了详细介绍.关键词:高速铁路;隧道;仰拱;新型弧形钢模板中图分类号:u45文献标志码:B文章编号: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引言随着社会的发展和科技的进步,对隧道工程施工质量提出了更高要求,特别是在高速铁路隧道施工中,对隧道的安全性,耐久性和防水性等要求更高,如将以往的施工方法应用在高速铁路隧道施工中将不能满足其特殊性要求.高速铁路隧道施工断面大,隧道结构受力较为复杂,尤以隧道底部最复杂,边墙底与仰拱连接处应力较集中,因此隧道衬砌的安全性,耐久性和防水性要求更高.同时,由于隧道结构长期处在列车动荷载作用及地下水侵蚀的影响下极易受到破坏,引起基底沉陷,道床翻浆冒泥等病害,影响运营安全,所以对隧道底部的强度要求更高.隧道仰拱部位施工方法与施工质量对整个隧道运营期间的断面受力,耐久性等有重要影响.高速铁路

6、隧道仰拱及填充与以往的施工方式相比存在如下特点.:仰拱混凝土分段连续浇筑,一次成型不留纵向施工缝;仰拱与填充不能同时灌注;填充混凝土达到100%强度后才能行车.高速铁路隧道有仰拱地段仰拱与仰拱填充分层浇筑问题,是影响隧道仰拱施工进度,成本投人,施工质量的一个关键问题,如何设计出一种施工方便,经济,功能多的仰拱模板是加快施工进度,保证工程质量,提高经济效益的关键.目前高速铁路隧道仰拱衬砌施工主要分为以下2种:1)简易钢便梁式仰拱栈桥配合仰拱组合钢模板施工;2)带行走装置的可移动仰拱栈桥配合仰拱组合钢模板或半整体式模板施工.以上仰拱施工存在较多弊病,如成本投入大,使用性能差,性价比较低等.关于在隧

7、道仰拱模板设计方面的研究较少,目前还没有一套成熟经济适用的仰拱衬砌模板施工方案.针对当前隧道仰拱施工现状和存在的问题,在向收稿日期:20101023;修回Et期:20101111作者简介:赵广平(1978一),男,2000年毕业于陕西铁路工程职业技术学院,大专,助理工程师,主要从事隧道工程施工与技术管理工作.第6期赵广平:新型组合弧形钢模板在高速铁路隧道仰拱整幅施工中的应用莆铁路夏茂隧道出口施工中对以往隧道仰拱模板进行了重新设计和改进,采用新型组合弧形钢模板进行了隧道仰拱整幅浇筑施工,为隧道仰拱衬砌施工提供一种新的施工方法.1仰拱衬砌新型组合弧形钢模板设计1.1传统施工中模板存在的问题1.1.

8、1模板质量大因模板较重,安装拆除困难,施工中模板拼装,校正困难,不易操作,工人劳动强度大,质量不易保证,进度较慢.1.1.2仰拱与边墙基础分开浇筑施工在施工中仰拱与边墙基础分开施工,施工时先浇筑仰拱混凝土,等强度达到要求后再立边模浇筑边墙基础,不仅增加了1道施工工序,同时还增加了1道纵向施工缝,降低了仰拱结构强度和防水性能.1.1.3仰拱模板与拱墙衬砌台车模板联系不紧密仰拱与拱墙二次衬砌施工工艺缺乏紧密衔接.在进行仰拱模板设计时,没有与拱墙二次衬砌模板台车进行统筹设计,而在仰拱与拱墙之问用边墙基础进行过渡连接,降低了衬砌的整体结构性能.1.1.4仰拱模板与仰拱填充模板联系不紧密施工中先立仰拱模

9、板浇筑仰拱混凝土,等仰拱混凝土强度达到要求后再拆除仰拱模板安装仰拱填充两侧边模,浇筑仰拱填充混凝土.施工中仰拱填充两侧边模与仰拱模板分开立模,增加了一次模板安装及拆除工序.1.1.5成本投入大,维修保养费用高以往的仰拱模板结构设计不合理,为了防止结构变形,采用增加钢模板厚度,增加加强连接件等方式,使模板较笨重,耗费了大量钢材,模板成本一次性投入较大.1.2模板设计新思路通过对以往仰拱模板施工中存在的弊病分析,并通过对仰拱结构设计尺寸,设计意图的充分研究,对传统仰拱模板进行了全方位大胆更新和改造,提出一种新思路新型组合弧形钢模板,使其具有结构稳定,轻巧,安装拆除方便,仰拱只需一次立模即可完成仰拱

10、,边墙基础,仰拱填充3个部位的混凝土浇筑施工,大大减少了模板施工工序,加快了施工进度,提高了结构的整体性.新型组合弧形钢模板设计情况及特点如下:1)采用稳定的三角形结构形式,把仰拱弧形模板与填充纵向边模设计成一个整体模板,两者之问用角钢连接固定,这种结构形式下小上大呈楔形,容易脱模.安装时按照测量控制点位,使模板侧面垂直,角钢横向拉杆水平即可方便进行模板拼装定位.因三角形结构稳定,模板不易变形,可减少模板钢板厚度$HJJ固杆件数量,使模板重量大幅度降低.新型组合弧形钢模板设计图及照片详见图1.新型组合弧形钢模板材料用量表详见表1.(a)仰拱弧形组合钢模正面图(单位:mm)|,/N3N4/l18

11、1(b)仰拱弧形组合钢模平面图(单位:mil1)(c)弧形钢模板照片图1新型组合弧形钢模板设计图及照片Fig.1Designdrawingandpictureofnewarcshapedcompositesteelformwork表11块新型组合弧形钢模板材料用量表Table1RawMaterialsneededtofabricateoneblockofnewarcshapedcompositesteelformwork2)在设计时把仰拱模板向上进行延伸,使仰拱边墙混凝土顶面高出仰拱填充顶面25cm,作为二次衬砌边墙基础,实现了边墙基础与仰拱一次立模同时浇筑隧道建设第30卷施工.隧道有仰拱段复

12、合式衬砌断面如图2所示.3)仰拱混凝土浇筑完成后,在仰拱混凝土强度满足要求后,即可浇筑仰拱填充混凝土,不需再进行仰拱填充纵向边模施工.仰拱填充混凝土强度满足拆模要求后一次拆除仰拱弧形模板,拆模后隧道两侧边墙形成1个楔形沟槽,该槽为水沟电缆槽基础的一部分,在水沟电缆槽施工前可兼做隧道施工期间的临时排水沟使用.新型组合弧形钢模板在仰拱中的安装位置如图3所示.仰拱与砌分界图2隧道有仰拱段复合式衬砌断面图Fig.2Crosssectionofcompositeliningoftunnelwithinvert图3新型组合弧形钢模板在仰拱中的安装位置Fig.3Installationpositionofn

13、ewarcshapedcompositesteelformwork1.3工作原理利用锚杆和纵向钢管作为固定模板的支架,组合弧形钢模板之间通过螺栓连接拼装成一个整体结构.在浇筑混凝土前由锚杆支撑模板的自重,在浇筑混凝土过程中由锚杆约束模板上浮移动.仰拱底部中线两侧部位仰拱弧度平缓,坡度为不大于1O.,施工中通过减小混凝土的坍落度,并适当降低仰拱底部混凝土的浇筑速度来控制仰拱的成型.用混凝土封闭模板底部的空隙,在模板底部混凝土初凝后浇筑仰拱边墙顶部混凝土.仰供混凝土浇筑完毕强度达到要求后,安装隧道中心排水管并浇筑仰拱填充混凝土.2仰拱衬砌新型组合弧形钢模板施工工艺流程隧道仰拱衬砌全幅浇筑需借助简易

14、仰拱栈桥进行施工,为确保施工过程中运输通道畅通,每组仰拱整幅浇筑长度612m.在隧底开挖及初期支护已施工完的地段进行仰拱二次衬砌施工,施工前需提前清除仰拱表面的虚碴及杂物,做好仰拱施工前的设备,物资,技术等方面的准备工作.2.1施工工艺施工准备一架设仰拱栈桥一清理仰拱底部杂物一测量放线一绑扎二次衬砌钢筋(有筋段)一固定仰拱模板骨架一拼装仰拱弧形钢模及仰拱端头木模一浇筑仰拱混凝土一仰拱混凝土养护一安装中心排水管,检查井立模,安装横向排水管一浇筑仰拱填充混凝土一达到2.5MPa后拆模并养护一混凝土达到设计强度后移动栈桥进行下一循环施工.2.2主要施工工序2.2.1施工准备在进行仰拱二次衬砌施工之前

15、需做好充分的施工准备工作,主要有以下几点:1)设备物资方面.仰拱弧形钢模加工并验收合格,仰拱简易栈桥已到位,钢筋加工设备能满足施工要求,拌和站,混凝土运输设备完好,能满足混凝土供应,隧道结构所用止水带等材料充足并已检验合格.2)现场准备.满足仰拱二次衬砌施工的作业面,现场风,水,电设施已配置完善,满足施工需求.施工仰拱二次衬砌地段的隧底开挖初期支护已施工完毕,隧底洞碴已清理完毕.3)技术准备.仰拱二次衬砌施工技术交底已审批签字,并对施工作业人员进行技术交底和施工安全培训.2.2.2仰拱栈桥架设仰拱栈桥的每片主梁长1220m,宽1m,由4根I32a型钢和68nlm厚钢板拼装而成,每组栈桥由2片主

16、梁组成,每组仰拱浇筑长度612m.为确保中心水沟及检查井施工方便,栈桥架设偏离水沟中心,距填充顶面高30cm.栈桥一端支撑在已浇筑好的填充混凝土面上,另一端支撑在用洞碴压实的临时路面上,2片主梁之间间距1m,每片梁用装载机,挖掘机移动.在施工过程中需经常检查栈桥基础的稳定性,对栈桥定期维修加固,施工中人员应注意避让栈桥上行驶的车辆,确保施工安全.栈桥架设示意图详见图4.图4栈桥架设示意图(单位:tn)Fig.4Installationofinvetrestle(m,2.2.3仰拱施工根据仰拱模板测量点位,先初步固定模板骨架,然后通过准确定位模板骨架并对其进行加固.骨架采用下锚的方式在隧底初期支

17、护拱架上焊接或隧底围岩内钻孔锚固22钢筋,钢筋与纵向50定位钢管焊接第6期赵广平:新型组合弧形钢模板在高速铁路隧道仰拱整幅施工中的应用牢固,然后将新型组合弧形钢模板与骨架连接牢固,防止混凝土施工时模板上浮.安装环向止水带及端头模板,模板固定牢固后一次性连续浇筑仰拱混凝土.新型组合弧形钢模板定位示意图详见图5.22水平定位锚杆,图5新型组合弧形钢模板定位示意图Fig.5Positioningofnewarcshapedcompositesteelfomlwork2.2.4仰拱填充施工仰拱填充整体一次浇筑,浇筑长度与仰拱相同.待仰拱混凝土强度满足施工要求后,在隧道中线处仰拱混凝土顶面固定中心排水圆

18、管(采用同强度等级混凝土预制基座,中心排水圆管安装在基座上),检查井立模,安装横向排水管浇筑填充混凝土.检查井采用定型钢模板,预留检查井钢筋混凝土井壁,在施工底板前(轨道基础)施工井壁.3施工注意事项及技术措施1)模板安装由绷线控制.模板结构尺寸应控制准确,施工中应注意检查加固模板,防止跑模,漏浆,确保误差控制在允许范围内.2)混凝土采用混凝土罐车运输.行走时混凝土罐车以24r/min的转速搅动,要在人模前现场进行,混凝土的坍落度测定,以配合比设计坍落度为标准,控制混凝土的生产质量.3)浇筑仰拱衬砌时,罐车内混凝土通过溜槽等设施辅助下落.4)仰拱,仰拱填充及边墙基础均属非承重模板,待混凝土强度

19、达到2.5MPa后即可进行脱模,脱模时应注意不要损伤混凝土棱角.仰拱弧形钢模板质量较小,可采用人工撬棍逐块拆除,拆除时注意不要损伤模板,模板拆除后要堆码整齐,做好防护,防止车辆碾压.5)浇筑混凝土左右两侧同时对称进行,先中间逐步向两侧延伸.采用插入式振捣棒振捣,灌注速度不宜太快,要防止混凝土爆模,同时振捣时防止模板上浮,下锚筋与模板固定要牢固.6)在仰拱混凝土施工完毕后,待强度达到100%后方可行车.应避免重型车辆对混凝土碾压破坏,在搬运钢筋过程中应注意混凝土棱角的保护,严禁破坏成品混凝土.7)运输安全.由于隧道内空间狭窄,作业面小,运输量大,车辆频繁通过栈桥,为保证安全,在施工过程要有专人来

20、指挥,并设置安全警示标志.4应用实例4.1工程概况新建向莆铁路FJ一2标夏茂隧道全长6340m,位于福建省沙县境内.,为双线铁路隧道,净宽12920mln,净高8730mm,开挖断面144.47m.隧道线间距4.65.0m,设计行车速度为200km/h,并预留250km/h条件,建筑限界满足双层集装箱列车开行要求,洞内为双块式无砟轨道.该隧道衬砌类型主要为排水型复合式衬砌(隧道口有明洞段),复合式衬砌由初期支护,防水隔离层与二次衬砌组成.级围岩采用曲墙加底板结构形式;一V级围岩采用曲墙加仰拱结构形式,共411m.仰拱与拱墙采用同强度等级混凝土,隧道采用钻爆法开挖,无轨运输,隧道仰拱与仰拱填充分

21、开施作.仰拱超前,采用简易栈桥全幅施工,先浇筑仰拱混凝土,再浇筑仰拱填充混凝土.拱墙随后,采用模板台车连续浇筑.无轨混凝土罐车运输,泵送混凝土入模.4.2应用情况新型组合弧形钢模板施工工艺在新建向莆铁路FJ一2标夏茂隧道取得了成功,施工效果良好.模板重量较轻,结构形式便于拼装,拆除,模板拼装速度快.模板拆除后混凝土表面平整,无错台,混凝土外观质量好.使用该模板进行仰拱施工精简了施工工序,缩短了施工时间,提高了仰拱施工速度,同时还降低了工人劳动强度.4.2.1主要施工步骤使用新型组合弧形钢模板施工隧道仰拱主要施工步骤见图6.施工中利用混凝土罐车运输混凝土,仰拱边墙两侧混凝土利用自制混凝土梭槽接罐

22、车出料口把混凝土输送人模,混凝土运输罐车停在栈桥上或栈桥两端进行仰拱混凝土浇筑施工.4.2.2劳动力组织见表2.(a)隧底清理及仰拱钢筋绑扎7lO隧道建设第30卷(b)新型组合弧形钢模板组装固定(c)仰拱及边墙基础混凝土浇筑(d)仰拱填充混凝土浇筑(e)混凝土浇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图6新型组合弧形钢模板施工仰拱衬砌主要施工步骤Fig.6Majorconstructionstepsofinvertconstructedbynewarcshapedcompositesteelformwork表2隧道仰拱施工主要劳动力配置表Table2Iab()FSneededf

23、orinvertconstruction4.2.3机具设备配备情况见表3.表3隧道仰拱施工主要机械设备配备表Table3Machineryandequipmentneededforinvertconstruction4.3新型组合弧形钢模板综合效益分析4.3.1人工费和材料费对比在夏茂隧道出口仰拱施工中一个循环为8m或l2m,暂按1个循环12m为例:如采用传统的仰拱模板施工,需要15个人工3d完成;采用新型组合弧形钢模板需要l5个人工2d完成.DN:r:1组12m长仰拱衬砌新型组合弧形钢模板需投入:等边角钢40X4mm,30块20.4kgX(68001000kg)=4l61.6元;等边角钢50

24、X5mm,30块X9.96kg(68001000kg)=2031.8元;钢板厚4mm,30块X46.2kgX(6800Yr_/1000kg)=9424.8元.加工1组12m长新型组合弧形钢模板共投入材料及加工费15618.2元.以上费用已含材料加工费用(2009年当地价格),而传统仰拱模板材料及加工费需要投入68万元.4.3.1.1在仰拱施工中采用传统仰拱模板施工,按12m/循环计算钢筋工:8人X100元/32日X3个工日=2400兀:混凝土工:3人X100元/工日X3个工日=900了E:第6期赵广平:新型组合弧形钢模板在高速铁路隧道仰拱整幅施工中的应用7l1模板工:4人100工日3个工日=1

25、200元;人工费摊销到仰拱每方混凝土中:4500元/(17.9inx12m)=20.95m.按照加工1组传统仰拱模板60000元计算,传统仰拱模板摊销到仰拱每方混凝土中:60000元(17.9m3411113)=8.16m.采用传统仰拱模板单位直接成本为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组合弧形钢模板施工,按12m/循环计算钢筋工:8人100工日2个工日=1600兀:混凝土工:3人X100工日2个工日=600兀:模板工:4人100工日2个工日=800元;人工费摊销到抑拱每方混凝土中:3000元/(17.9m12m)=13.97m.新型组

26、合弧形钢模板摊销到仰拱每方混凝土中:15618.2元(17.9m411m)=2.12rn.采用新型组合弧形钢模板单位直接成本为13.97+2.12=16.09元/m(不含混凝土成本).经对比可看出,新型组合弧形钢模板比传统仰拱模板施工1个循环仰拱节省1个施工日,并在费用上每m混凝土比传统仰拱模板节约成本29.1116.09=13.02兀.4.3.2工期对比根据现场施工及经验,传统仰拱模板施工仰拱周期为4m/d,新型组合弧形钢模板施工仰拱周期为6m/d,因此采用新型组合弧形钢模板与采用传统仰拱模板施工仰拱相比,提高了工作效率,缩短了工期.就夏茂隧道出口仰拱施工计算:传统仰拱模板施工仰拱需要的时间

27、为411m4m/d=102.75d;新型组合弧形钢模板施工仰拱需要的时间为4111TI6m/d=68.5d.因此采用新型组合弧形钢模板施工仰拱比传统栈桥施工仰拱缩短了34.25d.5结论1)新型组合弧形钢模板技术简单,制作可在现场进行,材料可因地制宜,结合现场实际情况选用.2)施工方便,机动灵活,有利于现场施工组织安排,新型组合弧形钢模板配合简易仰拱栈桥可进行仰拱二次衬砌多作业面平行施工.3)新型组合弧形钢模板具有多向功能.一次立模即可完成仰拱,仰拱填充,边墙基础3项工序混凝土施工,精简了施工工序,缩短了工序循环时间,提高了仰拱施工进度,仰拱结构整体性好.4)模板结构新颖,质量较小,结构形式便

28、于拼装,拆除,安装拆除速度快,工人劳动强度低.5)施工成本投入少,可反复使用,施工安全,经济.6)新型组合弧形钢模板的拼装固定还需要进一步研究,尽量减少固定模板材料的投入,使模板具有整体性和行走功能,达到模板整体一次移动安装就位,一次性拆模.参考文献:1王志勇,梁波.高速列车荷载作用下仰拱对隧道整体动力特性的影响分析J.铁道勘测与设计,2008(2):3439.2铁建设2005160号客运专线铁路隧道工程施工质量验收暂行标准s.北京:中国铁道出版社,2005.3TZ214-2005客运专线铁路隧道工程施工技术指南S.北京:中国铁道出版社,2005.4王梦恕.中国隧道及地下工程修建技术s.北京:

29、人民交通出版社,2010:194209.5杜永昌.高速与客运专线铁路施工工艺手册M.北京:科学技术文献出版社,2006:9961000.6周延浩.客运专线铁路长大隧道仰拱衬砌采用简易栈桥施工技术及经济分析J.铁道标准设计,2009(4):8285.7张浚厚.高地应力软岩大变形隧道仰拱全幅施工技术J.铁道建筑技术,2008(S1):168170.8王军涛.太行山隧道8斜井工区仰拱栈桥施工技术J.隧道建设,2007,27(S1):4951.9陈卫华.京沪高速铁路隧道仰拱施工工法J.四川建材,2010,36(4):142146.10唐超,郑平,贲友桂.高速铁路隧道仰拱施工采用移动栈桥施工技术J.才智,2009(33):6667.