内河全断面步履式机械化模板技术研究与应用

钟财生，何志强

（中交四航局第二工程有限公司 广州 510230）

0引言

国内在建或已完工的内河沉管隧道一般用分段分层浇筑工艺，模板价格较低，但分次浇筑带来的温度应力及上下层混凝土收缩不同步，导致管段容易出现裂缝和渗漏水的情况［1］。全断面浇筑模板工艺常用于外海长大沉管隧道，工厂化全断面浇筑预制工艺，其裂缝控制和防水性能明显较好，但工厂建设费用和大型自动化液压混凝土模板系统费用很高，不合适内河规模小的沉管隧道［2］。

2017 年，依托广州市某隧道工程，依靠自身技术积累，提出“全断面模板一次性整体化浇筑”设计理念；以我国内河沉管和外海沉管浇筑模板工艺分析和现状评估为依据，给出适用于内河城市中心地区狭窄干坞下的全断面浇筑模板技术方案［3］。

1 研究背景

随着科技及沉管隧道施工水平的发展、建设创新型国家理念的推广和施工标准化的深入开展，必须提升沉管隧道的施工水平及质量，特别是港珠澳大桥岛隧工程采用沉管全断面一次性浇筑成型模板技术在外海区域首次得以实现后，其在国内内河城市交通大动脉中的实际运用值得深入研究。沉管隧道以其埋深浅、容易保证隧道施工质量、工程造价较低、接线距离短、在隧道现场的施工期短、操作条件好、施工安全、风险易于控制、适用水深范围较大、断面形状、大小可自由选择，断面空间可充分利用等优点，越来越广泛地被用于内河中心城区复杂环境的过江隧道施工建设中，其中沉管隧道稳定运行的决定性因素及施工重要环节为管节预制质量和裂缝控制。广州市某隧道工程通过对沉管全断面预制模板系统、配套性设施、浇筑工艺进行研究分析以及改进，研究出沉管隧道管节节段全断面浇筑模板关键技术，提高了施工质量并节省了施工的时间及费用，从根源上杜绝了分层连接处产生裂缝的问题［4］。

2 全断面步履式机械化模板系统研究

通过对沉管设计标准和施工条件等研究［5］，以及结合大跨度钢结构模板的变形和位移特性，建立沉管全断面模板模型［6］，进行内模路轨支架、大腔内模、外模、中腔内模等验算，研发了结构稳定、变形可控和经济合理的内模支撑系统、内模台车行车系统和外模支撑系统［7］，模板配置长度为17 m，如图1所示。

图1 全断面模板安装Fig.1 Installation of Full Section Formwork

中腔内模采取外跨桁梁桥式承重，不需要在中部设置支座，解决了全断面预制底板混凝土强度不足的问题，同时为了很好地保证防水质量，并减小侧墙通道的产生，大腔内模采用配备液压系统+机械加固来替代传统对拉杆工艺。

大腔内模设置行走电机及轨道梁可实现模板的纵向行走；支腿设置竖向油缸并支承于配有横向油缸的横移轨道上，可实现模板的竖向及横向调节，并布置一定的液压油缸用于模板支撑并可实现伸缩调节，如图2所示。

图2 大腔内模遥控行走系统Fig.2 Remote Control Walking System of Large Cavity Internal Mould

内模支撑采用可伸缩的内侧模板支撑来连接内侧模板［8］。浇筑完成后，内侧模板支撑带动内侧模板缩回，通过行走系统直接投入下一次浇筑，如图3所示。

图3 大腔内模液压支撑系统Fig.3 Hydraulic Support System of Large Cavity Internal Mould

外侧模板设置桁架结构固定架提供侧向支撑力。固定架下部内侧设置抗浮螺杆提供浇筑的抗浮反力；中部设置斜撑控制模板变形；顶部布置对拉桁架以克服支撑杆的不均匀受力及保证整体刚度。顶部外桁架采用预应力抵消在侧墙混凝土浇筑过程产生的侧压力，外侧模板通过设置多道斜支撑进行加固，保证浇筑过程中墙体尺寸不变形，如图4所示。

图4 外侧模板体系Fig.4 Lateral Formwork System

3 全断面步履式机械化模板受力性能研究

针对使用全断面预制模板进行一次性整体浇筑的技术难题，对场地狭窄、沉管长度变化、后浇带长度变化等一系列问题，通过建立力学模型，真实模拟各施工工况［9］，增加荷载使用有限元Midas Civil 程序进行深度分析，真实地模拟各种部位在混凝土浇筑中的受力变化，形变趋势以及浇筑中的最不利工况进行钢模板支撑系统的配置，形成了刚性沉管全断面预制模板解决方案，确保模板体系受力满足浇筑条件，保证沉管浇筑的质量和安全。

⑴ 最不利工况下，外模-模架最大应力值Max（|Σσ|）=173.9 MPa<215 MPa；外模-钢模板最大应力值Max（|Σσ|）=153.2 MPa<215 MPa；外模-撑杆最大应力值Max（|Σσ|）=136.5 MPa<215 MPa；上桁架跨中Max（Σf）=18.0 mm，整体长30.4 m，变形比例为1/1 688，远小于1/400；外模-钢模板水平位移Max（Σf）=24.1 mm，面板高8.7 m，变形比例为1/361，小于1/150；从而可以看出，沉管外钢模板的强度、刚度都满足《钢结构设计标准：GB 50017—2017》［10］的强制性要求，如表1所示。

表1 外侧钢模板单元应力及外模-钢模板变形（水平位移）计算Tab.1 Calculation of the Stress of the Outer Steel Formwork Unit and the Deformation（Horizontal Displacement）of the Outer Mould-steel Formwork

⑵最不利工况下，内模-左（右）腔模架最大应力值Max（|Σσ|）=213.4 MPa<215 MPa；内模-左（右）腔钢模板最大应力值Max（σ）=210.3 MPa<215 MPa；内模-左（右）腔整体最大变形值Max（Σf）=14.69 mm，内内模-左（右）腔整体长度为16.25 m，变形比例为1/1 106，远小于1/400；从而可以看出，沉管内钢模的左（右）腔模板强度与刚度都满足文献［10］的强制性要求，如图5所示。

图5 沉管内钢模的左（右）腔整体应力计算云图及整体位移云图Fig.5 The Overall Stress Calculation Cloud Diagram and Displacement Cloud Diagram of the Left（Right）Cavity of the Steel Mold in the Immersed Tube

⑶ 最不利工况下，中腔模板体系最大应力值Max（|Σσ|）=210.7 MPa<215 MPa；中腔模板体系最大变形Max（Σf）=4.95 mm，整个中腔长度为18 m，变形比例为1/3 636，远小于1/400；从而可以看出，沉管中腔钢模板强度与刚度都满足文献［10］的强制性要求，如图6所示。

图6 沉管中腔钢模板应力云图及钢梁单元位移云图Fig.6 Stress Cloud Diagram of Steel Formwork in Immersed Tube and Displacement Cloud Diagram of Steel Beam Element

⑷ 最不利工况下，中腔对拉杆最大应力值Max（|Σσ|）=279 MPa <355 MPa（45 号钢屈服强度），从而可以看出，中腔钢模拉杆强度满足文献［10］的强制性要求，如图7所示。

图7 沉管中腔钢模板对拉杆应力云图Fig.7 Stress Nephogram of Central Cavity Pair Tie Rod in Immersed Tube

⑸最不利工况下，最大应力Max（|Σσ|）=187.3MPa<215 MPa，最大变形Max（|Σf|）=1.55 mm，路轨支点间距为4 m，变形比例为1/2 581，远小于1/400，从而可以看出，内钢模大腔路轨支架的强度与刚度都满足文献［10］的强制性要求，如图8所示。

图8 内模大腔路轨支架应力及变形云图Fig.8 Stress and Deformation Nephogram of Track Support with Internal Mold and Large Cavity

4 结论

全断面模板体系包含内模系统、台车行走系统以及外模系统。其中内模系统中采用可伸缩的内侧模板支撑来连接内侧模板，由此可使得内侧模板可自由伸缩，浇筑完成后，内侧模板支撑带动内侧模板缩回快速脱模，并可直接投入下一次浇筑，相比于传统的模板施工工艺极大地节省了内模拼装和拆卸的时间［11］。

其次，通过在内模系统之下设置行走轨道系统，可实现在沉管分节预制中内模的灵活移动，内模通过行走轨道在沉管预制生产线上自由移动，减少了沉管预制中转移模板的时间。

沉管外侧模板系统通过将模板设置在固定架之上，再施加多道支撑对外侧模系统进行加固，外侧钢模板底上设置了抗浮锚杆来抵抗混凝土浇筑振捣过程中所产生的浮力，并设置了第一钢模板斜支撑来抵抗混凝土浇筑振捣时对钢模板底部所产生的侧向压力，设置了第二钢模板斜支撑来抵抗混凝土浇筑振捣时对钢模板中部所产生的压力，设置了第三钢模板斜支撑来抵抗混凝土浇筑对钢模板上部的压力，并由多道钢模板斜支撑共同保证外侧钢模板施工过程中的安全稳定性［12］。

该模板体系通过对传统模板暴露出的问题进行总结，不仅解决了以往模板施工过程中的拼装和拆卸耗费时间、成本高的问题，还解决了模板移动困难和模板支撑难以重复利用的资源浪费问题，最重要的是能从根源上杜绝沉管分层连接处产生裂缝的问题，对提升工程进展与质量起到极大作用［13］。