仰拱铁路隧道 模型
刘兴波
摘 要：针对常规仰拱组合钢模板在仰拱施工过程中需要反复装拆及倒运、仰拱与仰拱填充需分别支模浇筑、仰拱施工工序多、工人劳动强度大、混凝土施工质量差、施工效率低等缺点， 通过现场调研和对隧道仰拱结构研究、模拟分析论证，最终研制了一种能够结合自行式仰拱栈桥实现仰拱快速施工的整体模板装置。通过在蒙华铁路项目集义隧道中的应用实践证明，该装置结合自行式仰拱栈桥克服了前述模板施工中存在的问题，在实际操作中切实可行，具有推广应用价值。
关键词：隧道；仰拱；整体模板装置；自行式仰拱栈桥
中图分类号：U455.3 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）06-0109-03
隧道仰拱施工一直以来是影响施工进度、质量及安全控制的一道关键工序。在以往的仰拱施工过程中，由于仰拱施工对出碴车辆的干扰，很大程度上影响了隧道整体施工进度。国内隧道仰拱传统衬砌施工多采用简易钢便梁式仰拱栈桥配合仰拱组合钢模板施工，存在通车安全和施工质量难以得到保障、工人劳动强度大、施工效率低下和施工形象较差等问题。
蒙华铁路项目业主方为提高工程施工质量与安全保障、提高项目施工效率和施工机械化配套水平，要求施工单位采用自行式仰拱栈桥，每循环仰拱及填充浇筑施工24m。各施工单位均按要求配置了自行式仰拱棧桥，从根本上保障了通车安全、提升了施工效率，但是仰拱衬砌仍使用常规仰拱组合钢模板。而常规仰拱组合钢模板在仰拱衬砌中需要反复装拆及倒运，仰拱与填充需分别支模浇筑，存在仰拱施工工序多、工人劳动强度大、施工效率低下、混凝土成型质量差等一系列问题。因此在自行式仰拱栈桥的基础上研制一种结合栈桥使用的新型整体式仰拱及填充模板装置十分必要。
本方案依托的项目为中铁一局五公司蒙华铁路项目管段的集义隧道，隧道为Ⅰ级风险、高瓦斯隧道，隧道围岩以砂岩泥岩互层为主，断层发育、深层煤气有瓦斯溢出可能性，是全线重难点工程。
1 整体式仰拱及填充模板装置设计
1.1 产品方案
通过对常规仰拱组合钢模板施工中存在的问题分析，通过现场调研和对隧道仰拱结构研究，新型整体式仰拱及填充模板的设计思路如下：
（1）实现每循环仰拱及填充浇筑施工24m；
（2）结合现场使用的自行式仰拱栈桥使用，使用过程中无需反复拆装和机械配合，能自动行走或随栈桥一起行走；
（3）能够避免栈桥通车产生的挠度对仰拱衬砌混凝土产生的不利影响；
（4）结构稳定，具备较高的强度和刚度。
新型整体式仰拱及填充模板装置方案包括仰拱及填充模板、起吊排架、辅助就位机构、模板角度调节机构、支撑丝杠及液压系统等，通过吊链悬挂于自行式仰拱栈桥上，如图1所示。
仰拱及填充模板设计为箱形结构，单节仰拱及填充模板纵向长度为6m，两端设有螺栓连接孔，通过螺栓连接组合成纵向长度为24 m（或12m）的整体式仰拱及填充模板，就位后能够同时满足仰拱浇筑和仰拱填充浇筑两道施工工序需要。该模板主要用料规格为：面板采用6mm钢板，纵向筋采用规格为60×30矩形管，环向筋板采用6mm钢板，两端连接法兰采用10mm钢板。支撑丝杠采用φ159无缝钢管。
1.2 工作原理
单节仰拱及填充模板通过螺栓连接形成纵向长度为24m的整体模板，模板通过中间可伸缩的起吊排架通过吊链悬挂于自行式仰拱栈桥下方。整体模板装置随栈桥移动至工位、钢筋绑扎完成后，操作液压系统升降油缸将模板降落，过程中可同时操作水平升缩油缸将左右侧模板打开，直至模板的一端与已衬砌端搭接100mm，另一端通过辅助就位机构支撑在初支面上，通过角度调节机构调整模板摆角，直至模板就位完成。在两侧模板中间设置4根水平支撑丝杠，以抵抗仰拱混凝土浇筑过程中产生的水平力；在模板下部设置抗浮锚拉杆，以抵抗仰拱混凝土浇筑过程中产生的浮力。待仰拱混凝土浇筑完毕、强度达到要求后，浇筑仰拱填充混凝土，过程中模板状态无需转换。待仰拱填充混凝土浇筑完毕强度达到要求后，拆除模板中间水平支撑丝杠、割除模板下部的锚拉杆，操作液压系统升降油缸提升模板，过程中可同时操作水平升缩油缸将左右侧模板收收拢至栈桥两侧，模板脱模完成。整体模板装置随栈桥移动至下一工位，进入下一个工作循环。
1.3 模板刚度计算
就位情况下，模板一端与已衬砌端搭接，一端通过辅助就位机构支撑在初支面上，此时模板自重产生的挠度最大，为最不利工况。因此采用受力分析软件MSteel对模板在两端简支工况下的刚度和强度进行计算，建模计算过程如图2所示。
（1）截面参数。
截面上下不对称
截面面积A=15750mm2
自重W=1.212kN/m
面积矩S=1653880mm3
抗弯惯性矩I=1005764780mm4
抗弯模量W=1886255（上边缘）/2178809（下边缘）mm3
塑性发展系数γ=1.05（上边缘）/1.05（下边缘）
（2）模板总长12m受力计算，如图3所示。
1）最大挠度：最大挠度1.90mm，最大挠跨比1/6332。
2）强度应力。
最大剪应力τ=Vmax*S/I/tw
=8.72*1653880/1005764780/6.0*1000
=2.4MPa≤fv=125MPa满足！
上边缘最大正应力σ上=Mmax/γ上/W上
=26.17/1.05/1886255*1e6
=13.2MPa≤f=215MPa满足！
下边缘最大正应力σ下=Mmax/γ下/W下
=26.17/1.05/2178809*1e6
=11.4MPa≤f=215MPa满足！
3）稳定应力。
整体稳定系数φb=0.80
最大压应力σ=Mmax/φb/W
=26.17/0.80/1886255*1e6
=17.3MPa≤f=215MPa满足！
4）结论：模板总长12m在两端简支的情况下，自重产生的最大挠度为1.9mm，最大应力为17.3MPa，完全能够满足模板定位使用需求。
（3）模板总长24m受力计算。经建模计算，模板总长24m在两端简支的情况下，自重产生的最大挠度为30.3mm，最大应力为69.4MPa，因此施工过程中需在模板中部位置钢筋上设置一个辅助垫块，以提高仰拱衬砌混凝土成型精度。
2 应用实例
2.1 工程概况
中铁一局五公司蒙华铁路项目管段线路全长16.229km，其中的集义隧道为Ⅰ级风险、高瓦斯隧道，隧道围岩以砂岩泥岩互层为主，断层发育、深层煤气有瓦斯溢出可能性，是全线重难点工程。全隧道设计有5个段落，共2413m为高瓦斯（位置在1号、2号、3号斜井正洞工区），隧道洞身穿越11条断层，施工中有较大的安全风险。按照进口、出口、3座斜井共5个工区8个工作面组织施工，计划工期34个月。
2.2 仰拱衬砌施工工艺
施工准备—移动仰拱栈桥及整体模板装置—清理仰拱底部杂物—测量放线—绑扎二次衬砌钢筋（有钢筋段）—仰拱及填充模板就位—拼装仰拱端头模—浇筑仰拱混凝土—仰拱混凝土养护—浇筑仰拱填充混凝土—混凝土达到设计强度后拆除仰拱端头模—仰拱及填充模板脱模—移动仰拱栈桥及整体模板装置进入下一循环施工。
2.3 施工要点
（1）技术准备：仰拱二次衬砌施工技术交底已经审批签字，并对施工作业人员进行技术交底和施工安全培训。
（2）模板移动就位：①整体式仰拱及填充模板装置悬挂在栈桥下部，随自行式仰拱栈桥一起移动；②整体式仰拱及填充模板就位时，中线、高程必须满足设计要求，模板接缝严密，模板表面须光洁、平整；③模板就位后安装模板中间的水平支撑丝杠，复查丝杠支撑位置尺寸无误后，设置可靠的抗浮锚拉杆。④如需要，可通过角度调节机构调整模板摆角状态；⑤混凝土浇筑前，模板表面须涂刷脱模剂。
（3）仰拱混凝土浇筑：①模板及仰拱处防排水设施安装后经质检工程师检查合格后方可进行混凝土浇筑；②混凝土在洞外采用拌和站集中拌和，混凝土罐车运至洞内进行浇筑；③仰拱分段整幅施工，浇筑由仰拱中心向两侧对称模筑，一次完成；④采用泵送混凝土浇筑方式，插入式振捣器将混凝土振捣密实；⑤浇筑仰拱混凝土过程中应通过控制混凝土的坍落度和浇筑速度来控制仰拱混凝土的成型，同时应注意观察锚拉杆受力状态变化情况；⑥混凝土拆模后应对混凝土表面进行保湿养护。
2.4 整体式仰拱及填充模板装置应用情况
（1）施工进度：采用该整体式仰拱及填充模板装置配合全液压履带式自行栈桥施工后，集义隧道实现了有钢筋段二衬仰拱施工每月可施工5组，每月二衬仰拱可施工120m，为原施工组织进度计划的60m/月的200%；无钢筋段仰拱每月可施工8组，每月仰拱可施工192m，为原施工组织进度计划的100m/月的192%。
（2）施工质量：采用该整体式仰拱及填充模板浇筑成型混凝土表面平顺度和整体质量明显优于采用传统仰拱组合钢模板施工，现场施工照片详见图4。
（3）该整体式仰拱及填充模板装置结合自行式栈桥在施工应用中体现出如下特点：
①整体式仰拱及填充模板悬挂于栈桥上跟随栈桥一起行走，模板横向伸缩灵活、姿态可调，就位脱模方便，钢筋绑扎等作业空间大。
②模板使用及移动过程中无需机械配合，减少了施工机械消耗；仰拱及仰拱填充能够一次施工24m，减少了施工缝的设置，节约了止水带等材料消耗；避免了模板拆装、倒运作业工序，减少了仰拱及填充施工工序，减少了人工投入，大幅节约了施工成本。
③模板采用整体箱型结构、刚度好，每循环浇筑24m，提高了施工的連续性和整体性，大大提高了仰拱施工的循环进度。
④仰拱及仰拱填充可一次施工至设计标高、避免了二次浇筑，顶面标高和平整度易控制，混凝土成型质量好。
⑤整体式仰拱及填充模板装置与自行式仰拱栈桥之间通过吊链实现软连接，避免了栈桥在通车过程中产生的震动和挠度破坏刚浇筑完成的仰拱混凝土。
3 整体式仰拱及填充模板装置综合效益分析
3.1 人工费对比
（1）在传统仰拱施工中，多采用组合钢模板每循环施做6m，仰拱与仰拱填充单独支模，则每公里需投入人工费计算如下：
钢筋工：8人×200元/工日×1.5个工日×167个循环=400800元；
混凝土工：3人×200元/工日×2个工日×167个循环=200400元；
模板工：4人×200元/工日×2个工日×167个循环=267200元；
采用组合钢模板施工每公里人工费成本为868400元。
（2）采用整体式仰拱及填充模板装置施工，每循环施做24m，每公里需投入人工费计算如下：
钢筋工：10人×200元/工日×2个工日×42个循环=168000元；
混凝土工：3人×200元/工日×2个工日×42个循环=50400元；
模板工：3人×200元/工日×1个工日×42个循环=25200元；
采用整体式仰拱及填充模板装置施工每公里人工费成本为243600元。
经对比，采用整体式仰拱及填充模板装置施工较采用传统组合钢模板施工每公里节约人工费868400元-243600元=624800元。
3.2 工期对比
根据现场施工及经验，采用传统仰拱组合钢模板施工仰拱周期为4m/天，每公里需施工250天；采用新型整体式仰拱及填充模板施工周期为12m/天，每公里需施工83天；因此采用新型整体式仰拱及填充模板施工较传统组合钢模板每公里能够缩短工期167天（实际缩短工期天数还需参考掌子面开挖进度等其他因素）。
4 结语
通过在蒙华铁路项目集义隧道中的应用实践证明，该整体式仰拱及填充模板结合自行式仰拱栈桥的应用，避免了常规仰拱及填充模板在施工过程中需要反复装拆及倒运、仰拱与仰拱填充需分别支模浇筑等问题，只需首次组装完成后即可重复利用、能够同时满足仰拱和仰拱填充两道工序的使用，减少了仰拱施工工序、节约了人工投入，显著改善了仰拱及仰拱填充的施工质量、降低了施工成本，经济社会效应显著，具有推广应用价值。
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