中交四航局第二工程有限公司 陈翀 广东广州 515000
摘要：沉管隧道节段全断面预制表观质量好，沉管控裂效果良好,能提高控裂性能,提升整体式管节预制品质,加快施工进度,同时裂缝的减少能降低运营期维护费用。本文从城市中心窄小干坞内进行沉管全断面预制、步履式机械化预制模板体系及受力分析介绍了车陂沉管隧道节段全断面预制施工技术。
关键词：狭小干坞；模板体系；沉管预制；受力分析
1 前言
目前，国内已建成的内河沉管隧道大多采用分段分层浇筑施工工艺。但分段分层浇筑施工工艺容易使沉管管节因浇筑产生的温度应力及约束应力产生裂缝，同时由于水平施工缝的存在，易影响结构的防水性能，造成质量缺陷，增加后期运营维护成本。为响应国家及地方政府高质量发展要求，开发一种全断面后浇带法沉管预制施工工艺，值得探讨、研究。所以本文主要针对全断面后浇带法沉管预制施工工艺防渗透施工技术进行分析。
2 工程概况
车陂路-新滘东路隧道工程项目，位于广州市天河区和海珠区，南起现状新港东路北侧，下穿珠江，向北至现状黄埔大道交叉口，全长约2070米。段隧道总长492米，包括四个长管节E1、E2-1、E3、E4和一个短管节E2-2。标准管节长度123米，重约3万吨，分为7段，单段长度为16.2米；节段间设置后浇带，后浇带长度为1.6米，在南岸独立干坞内分二次预制。
该施工技术已在E3、E4两节沉管共14节管段预制中应用，沉管表观质量良好。经工程实践，内模台车行走及支撑系统解决了内侧模板以及其支撑需要反复安装、拆卸，施工成本高、施工效率低的问题；外模支撑机构解决了传统因为需要防止外侧模板因侧向推力变形设置的混凝土墙制造费用高以及不可周转的问题，减少了施工成本和资源浪费。同时，因采用步履式机械化模板全断面预制沉管施工工法，减少了裂缝的产生，节约了运维期因裂缝修补产生的费用，可减少后期隧道内因维修导致的交通管制，保障了隧道内通行的利用率。
3关键施工技术
3.1主要技术特征
（1）适用狭窄干坞沉管预制：本沉管全断面预制施工工艺适用于水运工程、市政工程建设领域，特别适用于狭窄干坞内的沉管预制施工。
（2）机械化程度高：步履式机械化模板采用台车行走、液压行走系统与内、外模液压支撑系统，相比传统的模板分块拼装工艺，机械化程度高，避免了模板的拆卸和重新拼装，从而节约了大量工期。
（3）综合效益高：采用全断面一次浇筑预制施工，相比传统的分层浇筑施工，避免了纵横向施工缝的形成，提升了表观质量，混凝土控裂效果良好，降低了全生命周期运维成本。
（4）控制变形效果好：通过设置多道模板支撑来对外侧模板进行加固，相比传统的需要防止外侧模板因侧向推力变形而设置混凝土墙的模板施工工艺，大大减少了施工的成本。
3.2沉管全断面步履式机械化预制模板体系
3.2.1内模行走系统配置
沉管采用分节预制，在完成一节管节的浇筑后要迅速移动到下一管节，要保证内模在沉管预制流水线流动，若采用起重机进行吊装，但由于内侧模板由于安装在模板支撑的外侧，且内模体积和质量较大，难以实现内模在浇筑区的灵活移动。
为解决内模转移困难的问题，设置一段贯穿至少两个沉管浇筑区的路轨，路轨上设置有能够沿路轨行走的小车，小车上再设置固定架，用于安装内侧模板支撑来连接内侧模板。浇筑完成后，可通过行走系统转移至下一阶段，进行模板打磨后可直接投入下一次浇筑。
通过使用行走系统，能够带动内侧模板从在先的沉管浇筑区运输至在后的沉管浇筑区进行浇筑，避免内侧模板拆卸和重新安装，节约了劳动成本和时间。
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图3.2-1 遥控行走系统
3.2.2内模支撑系统配置
在传统模板施工过程中，存在以下特点：
① 内侧模板支撑不可伸缩，脱模工序多，施工成本高，需要反复安装和拆卸；
② 在一节沉管节段浇筑完成后，因传统的内侧模板采用不可伸缩支撑，需要将拆卸后再于下一节段中重新安装，施工效率低；
③ 全断面预制工艺，底板混凝土强度不足，无法在中部设置支座；
④ 传统工艺上，内外模板直接常设置对拉杆加固，容易导致对拉杆处防水性差。
传统模板施工过程中存在的效率低下、成本高、施工不便等因素，会直接影响工程进展与施工成本。
为解决上述问题，采用可伸缩的内侧模板支撑来连接内侧模板。浇筑完成后，内侧模板支撑带动内侧模板缩回，并可直接投入下一次浇筑。
通过行走系统和可伸缩的内侧模板支撑的配合，能够带动内侧模板从在先的沉管浇筑区运输至在后的沉管浇筑区进行浇筑，避免内侧模板和内侧模板支撑的拆卸和重新安装，节约了劳动成本和时间。
中腔廊道内模采取外跨桁梁桥式承重，以解决全断面预制底板混凝土强度不足，无法在中部设置支座的问题，同时内侧模采用配备液压系统+机械加固来替代传统对拉杆工艺，减少侧墙通道的产生，更好保证防水质量。
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图3.2-2 内模支撑系统
3.2.3外模支撑系统配置
沉管分段全断面预制是一项新的沉管节段浇筑技术，在同一沉管节段中采用一次性整体浇筑，虽杜绝了在混凝土浇筑过程产生裂缝的现象，但混凝土一次性整体浇筑会比采用分层浇筑混凝土产生更大的侧向作用力以及浮力，增加了施工难度。
在以往的沉管浇筑过程中为了解决浇筑带来的侧向作用力和浮力，防止模板变形，往往采用设置混凝土墙的方式进行外侧模板支撑。比如港珠澳大桥沉管隧道项目中采用混凝土墙对浇筑模型进行支撑，港珠澳大桥沉管隧道项目中侧模系统通过将侧模固定安装在浇筑坑的两侧，由后方的混凝土反力墙支撑，通过反力墙有效控制混凝土的涨模，但这种支撑全部采用混凝土，造价高且难以重复利用。
为克服现有技术中所存在的为防外侧模板因侧向推力变形设置的混凝土墙制造费用高，且难以重复利用的难题，现配置一种费用经济、拼装快捷、结构稳固的能够防止外侧模板因侧向推力变形的沉管隧道外侧模板体系。
通过设置外侧模板和固定架，将外侧模板固定在固定架的一侧，通过固定架固定外侧模板。固定架的另一侧设置用于提供侧向支撑力的外模支撑机构，通过外模支撑机构固定外侧模板，防止侧模因混凝土浇筑时产生的作用力而变形。
该外模支撑机构包括：抗浮锚杆、第一模板支撑、第二模板支撑、第三模板支撑，外侧模板体系如图3.2-3所示：
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图3.2-3外侧模板体系
①第一模板支撑与抗浮锚杆。第一模板支撑通过预埋方通反力槽、预留斜撑支点，提供水平方向力。抗浮锚杆与桁架拉杆连接，提供竖向抗浮反力，如图3.2-4所示：
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图3.2-4第一模板支撑与抗浮螺栓
②第二模板支撑。通过设置斜撑杆对外侧模板中部进行支撑，提供中部侧向支撑力，如图3.2-5所示：
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图3.2-5第二道模板支撑
③第三模板支撑。通过设置顶部对拉桁架对外侧模板上部进行对拉，提供模板上部支撑力，如图3.2-6所示：
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图3.2-6第三模板支撑
综上所述，通过设置多道模板支撑来对外侧模板进行加固，保证了模板在混凝土浇筑过程中的稳定性。通过用模板支撑机构来替换在固定架一侧设置混凝土墙的结构，使得模板支撑结构可周转可反复利用，而混凝土墙不可周转只能够在同一地点的沉管浇筑中使用，在保证外侧模板不发生变形的条件下，设置模板支撑机构比传统的设置混凝土墙的成本更低。因此这种结构解决了传统因为需要防止外侧模板因侧向推力变形设置的混凝土墙制造费用高的问题，减少了施工成本和资源浪费，也提升了施工效率。
3.3模板体系计算方法
通过建立力学模型，真实模拟各施工工况，添加荷载采用有限元程序MIDAS CIVIL 进行分析，真实模拟各部位在混凝土浇筑过程中的受力变化，形变趋势以及浇筑过程中的最不利工况进行模板支撑系统配置，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。
1）模板体系所受荷载及传递路线
外侧模板体系受力主要包含混凝土浇筑过程中的侧向压力、倾倒混凝土等施工产生的水平活荷载、振捣混凝土产生的活荷载、外部风荷载以及模板自重。
底板与顶板浇筑速率为0.2m/s,侧墙浇筑速率为0.1m/s。混凝土侧压力作用在模板面，假设为均布面荷载作用。侧压力由面板传递到内楞，为线荷载，侧压力再经内楞传递到横梁，为集中力作用。本工程模板受力情况通过建立力学模型，真实模拟各施工工况，添加荷载，采用有限元程序MIDAS CIVIL 2012进行分析。
2）混凝土对模板体系侧压力分析
①桁架下腹杆随浇筑时间变化受力分析
局部应力最大处发生在外模桁架底部拉杆位置的腹杆上，局部采用双面加6mm铁板组成方通，最不利工况出现在浇筑16小时，Max (Σσ)= 200.1MPa，腹杆如图3.3-1所示：
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图3.3-1腹杆示意图
②模板面板随浇筑时间变化受力分析
模板体系面板随浇筑时间变化所受力最不利工况出现在浇筑第16小时，Max (Σσ)= 80.9MPa，模板体系面板应力云图如图3.3-2所示：
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图3.3-2面板应力云图
③梁单元随浇筑时间变化受力分析
模板体系梁单元随浇筑时间变化所受力最不利工况出现在浇筑第16小时，Max (Σσ)= 161.8MPa，梁单元应力云图如图3.3-3所示：
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图3.3-3 梁单元应力云图
④撑杆组合随浇筑时间变化受力分析
模板体系撑杆组合随浇筑时间变化所受力最不利工况出现在浇筑第16小时，Max (Σσ)= 150.3MPa，撑杆组合应力云图如图3.3-4所示：
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图3.3-4 撑杆组合应力云图
⑤外模体系整体变形情况
外模体系随浇筑时间变化所受力最不利工况出现在浇筑第16小时，模板体系最大变形量为Max (Σf)= 10.1mm，模板体系应力云图如图3.3-5所示：
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图3.3-5 模板体系变形云图
⑥最不利情况下外模支座反力
模板体系支座在最不利工况下整体受力情况如图3.3-6所示：
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图3.3-6 外模支座反力图
最不利工况下外模各支座反力见表3-1：
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通过对外侧模板在浇筑过程中的受力变化进行分析和计算，对外侧模板体系受力情况建立力学模型，真实模拟外侧模板各部位在混凝土浇筑过程中的受力变化，形变趋势以及浇筑过程中的最不利工况，以确保外侧模板体系受力满足浇筑条件，保证沉管浇筑的质量和安全。
3.4模板应力监测
对沉管浇筑期间模板的受力情况进行模板应力监测，重点监测内模、侧模、顶部桁架的变形情况，设置预警值，当浇筑过程超过预警值时应立刻停止浇筑，分析原因并调整浇筑速度或部位。
3.4.1模板应力监测点布置
共设10个监测点，其中支腿处设置4个，斜撑处设置4个，内模撑杆设置2个，每个监测点设置2个传感器，共20个传感器，具体位置如下图所示：
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图3.4-1模板应力监测点位置图
3.4.2监测结果分析
（1）斜撑监测结果分析
根据监测经验，选取模板一侧13根斜撑中相对容易失稳的4根斜撑进行应力监测。在选取的4根斜撑上分别布置2个弓形应变计，每秒钟自动采集应力值。根据计算分别设置预警值±90Mpa, 报警值±150.5Mpa，确保浇筑过程安全进行。由图2.3-8可见底板及下倒角混凝土浇筑过程中模板斜撑应力都在±20MPa以内；由图2.3-9可见墙体混凝土浇筑过程中模板斜撑应力都在±90MPa以内；由图2.3-10可见上倒角及顶板混凝土浇筑过程中模板斜撑应力都在±150MPa以内。应力应变在浇筑过程中无太大变化，均在正常范围内。
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图3.4-2 斜撑监测结果图
（2）立柱监测结果分析
根据监测经验，选取模板结构8根立柱中对角向的4根立柱进行应力监测。在选取的4根立柱上分别布置2个弓形应变计，每秒钟自动采集应力值。根据计算分别设置预警值±90Mpa, 报警值±150.5Mpa，确保浇筑过程安全进行。由图2-11可见底板及下倒角混凝土浇筑过程中模板立柱应力都在±30MPa以内；由图2-12可见墙体混凝土浇筑过程中模板立柱应力都在±60MPa以内；由图2-13可见上倒角及顶板混凝土浇筑过程中模板立柱应力都在±50MPa以内。应力应变在浇筑过程中无太大变化，均在正常范围内。
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图3.4-3立柱监测结果图
4.结论
采用步履式机械化模板进行沉管全断面预制，可解决城市中心窄小干坞内进行沉管预制问题，实现刚性沉管全断面预制。采用液压支撑系统、遥控行走系统、机械锁定系统等模板形式，利用有限元程序MIDAS CIVIL进行分析，真实模拟各部位在混凝土浇筑过程中的受力变化，进行模板分析优化，形成了结构稳定、变形可控和经济合理的模板体系，保证沉管浇筑的质量和安全，提高国内内河沉管整体施工质量，大大节约全寿命周期的维护及运营成本。
参考文献
[1]饶瑞,廖麒文,左中政.内河沉管隧道管节裂缝控制浇筑工艺研究[J].市政技术,2019,37(04):175-177.
[2]刘轩源,许兆勇.大型内河沉管节段全断面预制施工技术[J].港工技术,2020,57（258）:100-112.