拱形骨架护坡新轻型功能组合模架绿色高效施工技术研究及应用

王镜越

（贵州省公路工程集团有限公司，贵州贵阳 550000）

0 引言

在山区修建高速公路，往往地势落差大，设计中挖方段落较多，拱形骨架护坡防护是挖方段边坡防护形式中常见的一种，目前普遍采用C20 混凝土浇筑。为了确保施工质量及结构物尺寸满足设计要求，拱形骨架护坡需采用模板进行混凝土浇筑，传统模板采用钢板制作，重量较大，必须采用吊车协助人工进行安拆，模板安装效率低，模板在拆卸过程中易造成模板变形、混凝土损伤的情况，且吊车属于特种设备，施工安全风险较大，针对使用传统模板浇筑拱形骨架护坡产生的制造成本高、损坏后难修复、不易安拆、效率低、成型效果差等问题，通过技术管理人员及相关部门负责人细致研究论证，进行科技创新攻关，开发拱形骨架护坡新轻型功能组合模架及相应成套施工技术，该新型模架主要采用的制作材料是市场上易于采购到的常规建材[1-3]。

1 工程概况

依托贵州省六枝至安龙高速公路第2 合同段高边坡施工，项目地处贵州省西南部，处于云贵高原向广西丘陵过渡的斜坡地带，整个地势由西北向东南逐渐降低，地形呈多级台阶状逐级下降至北盘江河谷，中部较为平坦。境内地形起伏大、类型多。受地形、地势和海拔高度的影响，土壤、气候、生物等均具有垂直分布的特点，以山地为主，呈典型的喀斯特地貌形态。项目路线起点位于六枝特区城区南部的同云村，与都香高速公路（G7611）对接，起点桩号YK7+780（ZK7+770），终点桩号YK17+520（ZK17+500），合同段内挖方共计461.5 万m3（含隧道洞渣85 万m3）、填方共计338.6 万m3、弃方共计122.9 万m3，弃土场4 个；路基防排水共计4 万m3；桥隧道比为44.23%；涵洞（含通道）共计28 道，其中通道10 道、涵洞18 道。该合同段填高大于20m 的高填路堤共有6 段，主要防护为衬砌拱护坡及护脚墙，其中衬砌拱护坡为39627m3。

2 拱形骨架护坡新轻型功能组合模架施工技术开发

2.1 组合模架研发

六枝至安龙高速公路第2 合同段拱形骨架强风化岩土及黏土整体稳定的挖方边坡防护，拱形骨架内采用喷播灌木绿化，当路堤边坡高度大于8.0m 时，采用台阶形边坡，路基边缘以下8.0m 内的边坡坡率采用1∶1.5；8.0m 以下边坡坡率采用1∶1.75，变坡点设宽为2.0m 的边坡平台。拱形骨架护坡设计如图1所示。

图1 拱形骨架护坡设计图

研发组通过反复模拟设计和验算，确定组合模架的尺寸，上拱板及下拱板为半圆形，R=100cm；支撑架长度为L=200cm；侧边板高为50cm；相变石拱圈高10cm。

材料组成：模具主要制作材料是市场上易于采购到的常规建材，有PVC 建筑板材，30mm×30mm×3mm 方钢管、5#槽钢、5#角钢、螺纹拉杆、建筑红模板、自攻螺丝等加工而成，其拱形护坡新型模板主要受力为Q235，30mm×30mm×3mm 方钢及红模板。拱形骨架护坡新型组合模板结构见图2，拱形骨架护坡新型组合模板现场安装见图3。

图2 拱形组合模架示意图

图3 拱形组合模架现场安装示意图

在新型模架的曲面部分板材选用上，为确保混凝土表面圆顺光滑，经过多重比选，最终选择PVC 建筑板材作为该曲面部分的模架面板使用。PVC 建筑板材又称雪弗板、弗龙板。是一种使用PVC（聚氯乙烯）为主要材料挤压成型的板材。这种板材表面光滑平整，截面呈蜂窝状纹理，质量轻、强度高、耐受性好。适合雕刻、转孔、喷漆、黏合等多种工艺。在同样的厚度下，品质好的PVC 板材，强度较高、表面较硬、不易折弯、不易刮花、不易掉灰，长时间使用不变黄（白色PVC）。而品质差的PVC 板材质感疏松、硬度较低、表面不平，有的切面还有气泡状纹路[4]。因此，在模板制作之前，应对PVC 板材进行原材料检验，选用品质好的板材制作轻型模架，不仅能够有效保障拱形骨架外观质量，更能有效增加重复利用的次数，有效降低施工成本。

2.2 组合模架受力分析及荷载说明

2.2.1 受力分析

根据现场施工图可知，拱形模板受力最大为1∶0.75坡比时，且该支架承受的荷载为拱形护坡结构浇筑混凝土重力沿坡面的分力，受力简图如图4 所示。

图4 受力分析图示

2.2.2 荷载组合

（1）强度组合：1.2×拱形架体自重（由模型自行添加）+1.4×混凝土（0.5×0.5×（3.14×1/2）×25×cos（37°）÷（0.5×3.14×1/2）=13.9kN/m2；

（2）刚度组合：1.0×拱形架体自重（由模型自行添加）+1.0×混凝土（0.5×0.5×（3.14×1/2）×25×cos（37°）÷（0.5×3.14×1/2）=9.9kN/m2。

2.2.3 模型建立及验算结果

（1）模型建立

Midas civil 是通用的空间有限元分析软件，可适用于桥梁结构、地下结构、工业建筑、飞机场、大坝、港口等结构的分析与设计，在临时结构计算分析中有广泛的应用。

该方案采用Midas civil 2019 对拱形模板进行整体建模，包含：Q235，30mm×30mm×3mm 方钢及红模板。拱形模板模型建立，如图5 所示。

图5 拱形组合模架建模

（2）验算结果

（a）Q235 材质部分验算结果

由计算结果可知：模板Q235 材质部分整体组合应力最大值为4.5MPa＜215MPa，满足要求。

由计算结果可知：模板Q235 材质部分整体，最大弯曲应力为3.8MPa＜215MPa，满足要求。

由计算结果可知：模板Q235 材质部分整体，最大剪切应力为0.2MPa＜125MPa，满足要求。

受力分析如图6、图7 所示。

图6 Q235 材质应力分析图示

图7 模板红木材质应力分析图示

（b）红模板部分

由计算结果可知：模板红木材质部分整体，最大主应力为1.1MPa＜12MPa，满足要求。

由计算结果可知：模板红木材质部分整体，最大剪应力为0.9MPa＜2MPa，满足要求。

（c）整体挠度

由计算结果可知：模板整体，最大挠度为0.03mm＜1000/400＝2.5mm，满足要求。扰度分析如图8 所示。

图8 整体挠度分析图示

（d）总结

由计算结果可知，拱形护坡新型模板强度、刚度均满足规范要求，可以用于现场实际施工。

2.3 新型组合模板的现场应用

为确保新施工的拱形骨架护坡总体外观和坡面线形，新型组合模板的现场应用主要有以下两道控制工序：第一，坡面拱圈数量的布置。为达到整体美观效果，施工时要求沿线路方向拱的位置和高度基本一致，挖方要求从坡脚向上布拱，不足一个完整拱时，应在坡面上部采用半个拱或部分拱形补充。模板线形在曲线段时每5m 放一控制点挂线施工，保证线形顺畅，符合施工要求[5-6]。第二，模板安装。新型组合模板在已成型的坡面上进行组合安装，安装前应先检查边坡坡比是否符合设计要求，检查合格后方可安装。拱形骨架定型模板的组成部分为：上拱板、侧边板、下拱板、盖板、支撑架、连接锁扣、定位架等。安装顺序：搬运模板至施工场地—摆正上拱板—安装连接锁扣—安装两侧边板—锁紧锁扣—安装上下支撑架—锁紧支撑架定位螺丝—安装固定下拱板—安装盖板。拱形骨架护坡应用新型组合模板施工实例如图9 所示。

图9 拱形骨架护坡应用新型组合模板施工实例

施工顺序：浇筑混凝土—振动、抹平混凝土—沿边修饰5cm 高挡水沿—凝固后拆模。

拆除顺序：拆除支撑架定位螺丝—拆去上下支撑架—拆除连接锁扣螺丝和上扣槽—拆除下拱板—拆除两侧边板—拆除上拱板。

2.4 操作要点

2.4.1 因配件重量较轻，可直接采用人工进行安装组合，但在首次拼装完成后，应着重进行模板的拼装首件工程进行复检，复检工作除了模板本身拼装后的结构尺寸和待浇拱形骨架的混凝土截面尺寸是否符合设计尺寸外，还应检查模板连接点是否牢靠，角钢卡点是否有效贴合模板，支撑杆是否平顺以确保不因混凝土振捣而发生局部变形等内容。

2.4.2 组合模板安装应采用φ16 以上钢筋头从拱圈内钉入山体进行适当限位加固，确保采用天泵浇筑时，模架不因混凝土冲击而发生平面位移。由于新型模架结构自重较轻，上下两个拱圈模板之间仅采用30mm×30mm×3mm 方钢管进行竖向连接，因此该套模架设计主要以坡面作为混凝土自重的承载主体，而架体则作为流动荷载和部分自重的承载补充，其更重要的作用是满足轻便安装和美观定型的工作需求，因此，利用坡面自稳能力钉入平面限位钢筋，确保模架不因混凝土冲击产生变形，在混凝土初凝后也可以随模架二次利用，可同时有效控制施工质量和施工成本[7]。

2.4.3 总控模板接装后的总体平面与设计坡面平顺协调、模板与坡面之间应总体平整、锁扣严实。坡面开挖通常以挖掘机开挖成型，不同技术水平的操作手开挖坡面平整度参差不齐，因此，在模板完成组装后，还应沿着坡面放线测量的控制线和控制高程再次检查总体模板平是否与设计平面贴合，对坡面欠挖部分应进行人工补充清坡，对于超挖部分则应补充平面模板扩张梁体高度，保证浇筑后的拱形骨架梁体与坡面有效贴合，保证护坡结构与山体支撑受力满足设计意图要求[8]。

2.4.4 模板表面刷脱模剂，模板底部要与基础紧密接触，以防漏浆、跑模。在混凝土浇筑入模时，应沿拱圈四周均匀布料，在混凝土振捣时，也应尽量多点均匀振捣，确保不因单点放料或单点过度振捣导致模架产生冲击或偏载变形。

2.4.5 拱形骨架新型模架的关键创新亮点

综上所述，该套拱形骨架新型模架有如下几个重要创新亮点：

其一，模板组合简单、制造成本较低、降低施工成本。

其二，模板重量轻、操作灵活方便、可人工拆装、节约工效、减少特种设备的使用。

其三，模板使用寿命长、损坏后易修复、便于施工管理。

其四，模板定型效果好，提高了施工质量。

3 结语

应用拱形骨架护坡新轻型功能组合模架绿色高效施工技术，高效施工完成依托项目的高边坡拱形骨架护坡，而且验收质量各项指标符合《公路工程质量检验评定标准 第一册 土建工程》（JTG F80/1—2017）的相关要求。通过应用该新技术，使依托项目高边坡拱形骨架护坡施工既能节约时间和人力，又能避免模板在卸下的过程中造成的变形、损伤，提高了新型骨架组合拼装模的周转使用率和施工工效，节约了施工成本。

该创新技术还推广应用于大理至南涧高速公路第二总包部一分部、奉建高速总承包项目部TJ01 工区等高速公路高边坡拱形骨架护坡施工，应用效果非常好、效益巨大。