隧道衬砌钢模板上浮的分析与控制方法

贺振通马艳芳房冉冉

（石家庄铁路职业技术学院1）河北石家庄 050041 中铁建钢结构公司2）河北涿州 050000）

隧道衬砌钢模板上浮的分析与控制方法

贺振通1）马艳芳1）房冉冉2）

（石家庄铁路职业技术学院1）河北石家庄 050041 中铁建钢结构公司2）河北涿州 050000）

介绍钢模板台车衬砌施工中出现的模板上浮问题及其产生的原因，通过建立有限元模型进行分析，提出解决措施。

隧道衬砌 模板台车 有限元模型 模板上浮

1 引言

隧道衬砌模板台车衬砌施工初期，发现在圆形钢模板下半部浇注混凝土时产生钢模板上浮，使衬砌断面尺寸发生偏差，严重时出现因钢模板上浮发生冲顶，使已衬砌段搭接处拱顶附近的混凝土表面产生弧形开裂，给混凝土衬砌带来较大的质量隐患。因此，解决圆形钢模板上浮问题，是避免上述质量问题的关键。经过多次分析研究，最后分别从控制混凝土的坍落度、每次连续灌注高度较好地解决了圆形钢模板的上浮问题。

2 模板浮动原因分析

泵送混凝土具有一定流动性，水泥浆液充足，属饱和混凝土。混凝土从拌和物到固结成形，经历初凝、终凝、硬化固结3三个过程。初凝前，拌和物中液态水泥浆将对模板表面产生压强，对直边墙衬砌断面的模板仅形成侧压力，而对曲边墙马蹄形和圆形衬砌断面，由于模板面曲率的存在，不仅有侧压力，而且还有作用在下部断面模板表面的向上浮托力。

当模板和车体仅靠其自重定位，混凝土又未初凝而呈流动状态时，浮力将随着混凝土灌筑高度的升高而增加，一旦浮力大于模板台车自重，模板因无上下约束而发生整体向上浮动的现象。

3 模板台车有限元模型的建立

3.1 单元类型选择

模板结构为梁壳模型，模板面板采用Shell93壳单元，模板加强筋角钢采用均采用具有可视化截面的Beam189梁单元；门架结构为空间杆系模型，所以这些杆件采用三维弹性梁单元Beam4和空间杆单元link8。

3.2 边界约束的处理

本文采用了以下几种边界条件的处理方式。

门架纵梁支承千斤顶与门架纵梁底部撑地端只约束支撑点高度方向（总体坐标Y向）位移自由度UY；钢轨与车轮接触处，将整个车轮连接板与车轮结构简化为门架立柱的底端，约束其X，Y，Z三向位移自由度UX、UY、UZ；门架立柱撑地斜千斤顶、模板撑地千斤顶底部撑地端约束千斤顶底端的X，Y，Z三向位移自由度UX、UY、UZ。

3.3 载荷分析

根据隧道衬砌施工的程序以及模板台车的自身结构特点，模板台车有限元模型的载荷状况大致划分为三种：

（1）灌注模板中下部混凝土时的载荷：当灌注模板中下部混凝土时，混凝土对模板的压力按流体静压力计算，有横向水平压力，也有向上的浮力，此时要考虑两个问题：一个是模板下端及门架纵梁的应力及最大横向位移的大小；二是向上的浮力及横向压力是否会使车轮浮起或钢轨侧滑从而产生“跑模”现象。

（2）灌注中部混凝土时的载荷：当灌注中部混凝土，新浇铸的混凝土对模板的压力为流体静压力，有横向水平压力，也有向下的压力；此时第一阶段所浇铸的混凝土开始初凝，但还不具备支撑载荷的强度，所以这段混凝土对模板的流体静压力不再计算，也不考虑它对下部这段模板的支撑约束作用。

（3）灌注顶部混凝土时的载荷：当混凝土灌注高度达到模板顶部高度的情况下，新浇铸的混凝土对模板的压力为流体静压力，有横向水平压力，也有向下的压力；此时第一阶段所灌注的混凝土已经完成初凝，已具备支撑一定的载荷的强度，要考虑这段混凝土对模板的支撑约束作用，它对模板的流体静压力不再计算，；第二阶段所浇铸的混凝土开始初凝，但不具备支撑载荷的强度，它对模板的流体静压力不再计算，也不计算它对模板的支撑约束作用。

如图1所示，建立的一种模板台车有限元模型。

图1 模板台车有限元模型示意图

图 2 模板台车总体变形图（工况一）

4 分析计算每种工况的混凝土最大允许连续灌注高度

经分析计算，第一、第二工况有上浮力，因此有混凝土最大允许连续灌注高度限制，第三工况没有上浮力，因此没有混凝土最大允许连续灌注高度限制。

表1是计算出的第一工况各对地支撑点的约束反力的部分数据。从中可以看出，混凝土由底部灌注到1.7 m高度时，台车都能保持稳定；灌注到1.8 m高度时，门架纵梁支撑千斤顶的约束反力Fy＜0，台车出现失稳状态。因此，第一工况的最大允许连续灌注高度1.7 m，灌注高度范围为0～1.7 m。如图2为工况一的模板台车总体变形图 。

表1 第一工况各对地支撑点的约束反力

表2是计算出的第二工况各对地支撑点的约束反力的部分数据。从中可以看出，混凝土由1.7 m灌注到4.4 m高度时，台车都能保持稳定；灌注到4.5 m高度时，车轮的钢轨的横向力Fx已接近枕木与地面的最大静摩擦力µFy，台车即将出现失稳状态。因此，第二工况的最大允许连续灌注高度2.7 m，灌注高度范围为1.7～4.4 m。

表2 第二工况各对地支撑点的约束反力

5 控制模板上浮技术措施

5.1 严格控制混凝土的坍落度

模注衬砌混凝土的坍落度太大，会使混凝土的初凝时间延长，影响灌注混凝土的速度和连续灌注混凝土的高度；但混凝土的坍落度太小，又会给泵送和捣固带来困难，对混凝土的外观质量也有较大的影响。因此，必须严格控制模注混凝土的坍落度，通过比选，模注混凝土的坍落度采用13 cm（初凝时间45 h）较合适。

5.2 严格控制钢模板下半部灌注混凝土的速度

圆形钢模板下半部灌注混凝土速度过快，即连续灌注混凝土的高度h值过大，将会使钢模板因未初凝混凝土上浮力过大而产生上浮；但灌注速度太慢，即连续灌注混凝土的高度h值过小，又会使连续灌注混凝土的间隔时间增大，影响施工进度。因此，应严格控制灌注混凝土的速度，为保证钢模板不产生上浮和不影响衬砌施工进度，每次连续灌注混凝土的高度h值应控制在1.7 m。

6 结语

在隧道的混凝土衬砌施工中，根据模板台车的结构自重和混凝土作业条件，合理确定混凝土初凝时间，使流态混凝土高度限制在一定范围内，可以达到在不影响施工速度的前提下防止模板浮动的目的。应用这种模板防浮工艺的关键在于施工管理，通过计算或实测模板浮动临界力及其相应流态混凝土高度、体积和供料间隔时间等，为试验室确定混凝土初凝时间和外加剂用量提供可靠依据。

[1]杨明刚.隧道衬砌模板台车的设计[J].四川机械,2005,(6):143～147.

[2]邓凡平等.ANSYS10.0有限元分析自学手册[M].人民邮电出版社,2007.

[3]邢静忠,王永岗,陈晓霞.ANSYS7.0分析实例与工程应用[M].北京:机械工业出版社,2004.

[4]GB50017-2003,钢结构设计手册[S]

[5]黄昌建.自行式边墙模板台车的研制及在地铁结构工程中的应用[J].隧道建设.2012(32):429～432.

[6]赵增耀.有限元分析在工程机械钢结构设计及结构优化中的应用[D].长安大学,2009.

[7]庞计来等.整体移动式混凝土衬砌模板台车的研制与应用[C]//2010全国采矿科学技术高峰论坛论文集.哈尔滨:中国金属学会采矿分会,2010.

Analysis and Control Method of the Uplift of Model Board in Tunnel Lining

HE Zhen-tong1）MA Yan-fang1）FANG Ran-ran2）
(Shijiazhuang Institute of Railway Technology1）Shijiazhuang Hebei 050041 China Railway 18th Bureau(Group)Metal Structure Engineering Co., Ltd.2）Zhuozhou Hebei 050000 China)

In this paper, the problem and reasons of uplift of model board in the tunnel lining construction are introduced, and the resolution is proposed by analyzing the establishment of FEM model of the whole trolley.

tunnel lining model board trolley the FEM model uplift of model board

U455.91

A

1673-1816(2014)01-0022-04

2013-11-21

贺振通（1968-），男，河北饶阳人，副教授，研究领域为工程机械与CAD。

此论文与课题《地铁车站边墙浇注模板台车结构分析研究与应用》有关，课题为河北省教育厅青年基金项目，项目编号为Q2012018。