关山隧道通风竖井滑模施工技术

焦金军

(陕西煤业化工建设(集团)有限公司矿建三公司，陕西 铜川 727031)

0 引言

竖井滑模施工在我国和国际上都有过成功使用范例，主要应用在水电站引水道竖井、水电站管道井、高速公路通风井等工程，其中沪蓉西高速公路龙潭隧道通风竖井3号井直径7.0 m，井深度335 m(复合式衬砌支护，注浆锚杆和系统锚杆使用，双层钢筋网、格栅、喷射混凝土、防水层、防水混凝土)。

竖井海拔+2 345 m，井筒净φ10.8 m，最大开挖φ13.1 m，十字中隔墙，具有断面大、地质复杂、支护工序多，井底4个联络风道与井筒贯通，施工技术难度和安全风险较大。工程创新之处主要有3点：①滑模在特大竖井的使用；②十字隔墙支护，滑模设计加工更加复杂；③滑模施工方案除了专家评审外，应用BIM技术使用滑模工艺在安全、质量、进度以及经济效益方面都取得良好的效果。其建设时期为甘肃省第一大直径竖井，全国第二大直径竖井工程。采用滑模施工技术，自下而上整体钢筋混凝土施工，实现井筒多腔一次成型，高效安全地完成施工，在类似工程中具有借鉴和推广的意义。

1 工程概况

关山隧道是G8513平凉至天水段一条特长隧道，通风竖井是为满足隧道运营环境和防火抗灾安全要求而设。位于新关山隧道YK80+150右63 m处，地面高程+2 345 m，井深339 m，φ10.8 m，最大开挖φ13.1 m。井身设十字中隔墙，四腔室结构，分左右线送、排风道如图1所示，与井底4个联络风道贯通。复合式衬砌，初支采用“锚杆+金属网+钢拱架+喷射混凝土”支护，厚度240 mm，二衬钢筋混凝土支护，厚度500 mm，十字隔板钢筋混凝土，厚度300 mm，设计参数见表1。

图1 竖井净空断面Fig.1 Sectional view of shaft clearance

表1 竖井二次衬砌支护设计参数Table 1 Design parameters of shaft secondary lining support

2 滑模设计

2.1 滑模工作原理和结构

滑模的工作原理是利用埋在井壁和十字隔墙混凝土内金属支撑杆、液压系统使滑模不断整体滑升，完成模筑施工。滑模结构由模板、平台、液压各系统组成，如图2所示。

图2 滑模结构示意Fig.2 Schematic diagram of sliding form structure

2.2 模板系统

由模板、围圈、提升架组成。

2.2.1 模板

按井身设计特制，高1.5 m，分52块，由面板和扁钢焊接成肋型结构，异形板做倒角。面板用4 mm钢板，加筋用6 mm×50 mm扁钢，横竖向加筋间距30 cm。模板之间螺栓连接，用4块挂钩焊接固定围圈上，下部30 cm设弹性模板。

2.2.2 围圈

用14槽钢加工制作，其每道围圈分4节，法兰板连接。在模板上、下口各设1道，上圈距上口250 mm，下围距下口300 mm，间距770 mm。模板在围圈上定位加固，围圈与模板、提升架之间螺栓连接，调好后再加钢板焊接。

2.2.3 滑升及提升架系统

联结模板、液压系统和围圈。千斤顶在支撑杆上滑，荷载由提升架传给支撑杆。提升架必须受力计算，结合荷载、摩擦力按偏心受控构件验算。竖横杆、斜撑均用10槽钢双拼。提升架高2.5 m，选用36个GYD-60型滚珠式液压千斤顶，其中井壁“F”架20榀，十字隔板开字架16榀。

2.3 平台系统

平台系统是施工作业平台，支撑于提升架竖杆上，与提升架、围圈、模板连成一体。自上至下依次是上平台、下平台、抹面平台，上、下平台均采用桁架结构。上下平台净高1.3 m，采用14、10加工制作，δ=4 mm花纹钢板铺面。抹面平台净高2.0 m，采用L70角钢制作。

2.4 液压系统

由液压泵站、节流阀、分配阀、千斤顶组成。二级并联方式四路油控供油，油泵控制台用YKT-100型，主油管φ16 mm，支油管φ8 mm，钢丝编织高压软管与配阀和油管组成并联平行分支油路系统，按十字隔板分A、B、C、D的4区布管供油。采用滚珠式穿心千斤顶，减少爬升中钢管损伤和滑落。千斤顶的额定荷载根据总起重荷载和布置数量定。液压泵工作压力按起重吨位选配，可根据油泵流量、千斤顶油缸容积及提升时间等参数确定。经计算，配置见表2，布置形式如图3所示。

图3 滑模液压系统布置Fig.3 Layout of sliding mode hydraulic system

表2 液压系统配置Table 2 Hydraulic system configuration

2.5 滑模提升力复核

2.5.1 荷载

滑升摩擦阻力：模板上滑时，摩擦阻力包括模板与混凝土之间粘结力、浇混凝土侧压力对模板产生摩擦力。千斤顶不同步、模板加工制作偏差、模板变形与倾斜等所致的滑升阻力等。模板上的摩擦阻力G1常取一个附加荷载系数来计算，公式如下

G1=kfs

式中，k为附加荷载系数，取k=1.2；f为混凝土与模板间单位滑升阻力，钢模取3 kN/m2；s为模板的外表面积；井壁面积s1=D·H=41.00 m2;十字隔板面积s2=4×L·H=52.23 m2。计算得，G1=kfs=335.61 kN；滑升摩擦阻力G1=335.61 kN。

滑模结构自重：经计算，滑模自重G2=14.5 t。

施工荷载：为人员、设备、材料、机具等，考虑不均匀系数及动力载荷，确定G3=(T1+T2+T3)k1k2。①人员T1=20×800 N/人=16 kN。②设备T2=16 kN(千斤顶、液压控制台等)。③材料、工具T3=15 kN(钢筋等)。

k1为不均匀系数取1.3；k2为动力载荷系数取2。则G3=(T1+T2+T3)×1.3×2=122.2 kN(12.5 t)。混凝土侧压力G4=204.98 kN(20.9 t)。施工总荷载G=G1+G2+G3+G4=82.15 t。

2.5.2 支撑杆承载力计算

支撑杆用φ48 mm，δ=3.5 mm无缝钢管，下端埋混凝土中，上端穿千斤顶内，其可看作一端固定、一端定向支撑的压杆。承载力计算(滑动模板工程技术规范附录B.0.2式)如下式

P=(a/K)×(99.6-0.22L)

式中，P为单个千斤顶或支撑杆的允许承载力，kN；a为群杆工作条件系数，取1；K为安全系数，取2；L为支撑杆长度，cm，千斤顶下卡头到混凝土上表面的距离(取最大值)。计算得，P=36.6 kN(3.73 t)

nmin=N/P(滑动模板工程技术规范5.1.5式)

式中，nmin为所需支撑杆最小数量；N为总垂直荷载，kN，应取所有竖向荷载之和；P为单个千斤顶或支撑杆的允许承载力，kN。

2.5.3 千斤顶数量复核

根据公式得支撑杆的最小数量为nmin=N/P=22根,设计选定为36根，符合要求。

单根支撑杆(千斤顶)承受压力f=W/n×c=33.39 kN<60 kN(选定千斤顶额定起重量)

式中，c为载荷不均匀系数，取0.5；n为设计支撑杆数量，36根；W=G1+G2+G3(操作平台承载)。

计算可知，滑模千斤顶选用GYD-60型滚珠式液压千斤顶36个，直径φ48 mm×3.5 mm钢管36根，满足施工规范要求。

2.5.4 围圈计算

水平最大弯矩：MX=0.117qH×L2

垂直最大弯矩：MY=0.1qV×L2

式中，qH为围圈承受水平荷载设计值；qV为围圈承受垂直荷载设计值。qH=qV=(模板摩擦力+自重)/围圈长度=10.12 N/mm；L为提升架间距1 750 mm。

水平方向最大弯矩MX=3 626 122 N·mm，垂直方向最大弯矩MY=3 099 250 N·mm

2.5.5 强度验算

[MX/(γX×WX)+MY/(γY×WY)]≤f

式中，MX、MY同上；γX，γY取值为γX=1，γY=1；WX为水平方向净截面抵抗矩，WX=141 400 mm3;WY为垂直方向净截面抵抗矩,WY=20 000 mm3；f为钢材抗弯强度设计值215 N/mm2。即MX/(γX×WX)+MY/(γY×WY)=180.6 mm2，小于f值215 N/mm2，满足使用要求。

2.5.6 稳定性验算

支撑杆选用φ48 mm×3.5 mm钢管；D=4.8 cm，t=3.5 mm，A=4.89 cm2，I=12.19 cm4，W=5.08 cm3，i=1.58 cm,P= 35.5 kN。

两端铰支取μ=1，λ=μ×L/i=75.9 t<82.15 t，φ=0.77,N/φAf=35.5×103/0.77×4.89×102×235=0.401<1,满足稳定性要求。

3 滑模施工

3.1 滑模安装

将部件运进井底找平，提升架精确就位，连接围圈；从下至上安装下平台、上平台，模板，安装时注意板间接缝不能过大。平台、提升架、模板安装后，加钢板焊接加固，最后安装液压系统。抹面平台于滑模提升2.4 m后安装，另安尼龙绳安全网作防护。

3.2 混凝土质量控制

根据滑模施工的特点，要求混凝土流动性和初凝时间短、自稳成型好的性能。混凝土原材料各项指标满足规范和强度、配合比要求，粗集料选用5～31.5 mm粒径连续级配，塌落度16～20 cm，掺加1%的PC1.0标准型高性能减水剂，提高混凝土早期强度，缩短提模时间。

3.3 混凝土浇筑入模

采用底卸式吊桶+集灰槽+导管输送工艺。混凝土罐车出料经井口溜槽将混凝土卸入吊桶内，吊桶将混凝土直接运至吊盘上层盘集灰槽处，集灰槽经接料斗和钢编管将混凝土分流入模。此输送工艺，避免了混凝土离析现象。混凝土输送系统布置如图4所示。

图4 混凝土输送系统布置Fig.4 Layout of concrete conveying system

3.4 滑模作业

初次滑升和浇筑应严格按6个步骤进行；第1次浇筑砂浆10 cm厚，继浇第2层30 cm，混凝土厚到70 cm时开始滑升并检查脱模混凝土凝固情况。第4层浇筑后滑升6 cm，续浇第5层，再滑升12～15 cm，第6层浇筑后滑升20 cm，若无异常便可连续滑升浇筑。混凝土浇筑必须分层对称进行，层厚≤30 cm，滑升过程要对提升、液压系统、模板全面检查一切正常，可进行操作。滑升时应保持均匀连续作业，专人观测滑模水平、千斤顶行程是否同步，是否能脱模。

4 滑模施工控制

4.1 滑模主控指标

施工中为防止偏移和变形，遵循“预防为主、纠偏为辅”原则。主控指标为中轴线、垂直度、水平度。采用悬吊锤球、激光垂准仪、水平尺检查，每班不少于2次。施工中轴线控制采用1.2 mm钢丝投点至井底，控制井筒中心和十字墙中心。模体上布透明胶管，水平度观测利用连通器原理水平胶管内充红色水进行。

4.2 滑模施工防止措施

保证滑模结构有足够的强度、刚度。混凝土对称均匀浇筑，模内混凝土面高差<15 cm；各千斤顶安装高差<40 mm，相邻两提升架上千斤顶升差≤20 mm；支撑杆有足够强度和刚度，安装垂直；避免滑模平台上不均衡堆载等。滑模发生偏斜，可用部分千斤顶进行局部调整。

5 结语

关山隧道通风竖井滑模施工时间为2019年8月20日—10月14日，日平均成井6 m；工序简单易操作，大幅提高机械化施工作业水平，改善施工环境和降低作业人员劳动强度，提高安全性。本工程滑模施工技术的成功应用，在安全、质量、进度以及经济效益方面都取得了良好的效果，也为类似工程施工提供了宝贵经验。