南水北调工程淇河倒虹吸钢模台车在斜管段的稳定与侧向变型控制技术研究

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［摘要］南水北调中线工程鹤壁段Ⅲ标淇河倒虹吸箱涵由进口斜管段、水平管段和出口斜管段组成，其管身段横向为3孔一联箱形预应力钢筋混凝土结构。由于施工工期紧，为加快施工进度，降低劳动强度，故采用全液压钢模台车进行倒虹吸管身段施工。而钢模台车在斜管段的稳定性和侧向变型控制是必须解决的问题。

［关键词］全液压钢模台车倒虹吸斜管段稳定性侧向变型控制

中图分类号：TV文献标识码：

Study on Stability of Steel-mould Stair Vehicle in Slope Section and Control Techniques of Lateral Deformation, in the Practice of Inverted Siphon in Qi River, South-North Water Transfer Project

ZHOU DUN

SINOHYDRO BUREAU 12 CO.,LTD, Hangzhou, Zhejiang 321000

[Abstract]Box-culvert of inverted siphon in Qi River (Ⅲ bid section, Hebi, South-North Water Transfer Project) is consist of entrance slope section, horizontal section and exit slope section, the horizontal body part of which is prestressed concrete structure with a 3-hole header. By using steel-mould stair vehicle in hydraulic sliding mode to construct the body of inverted siphon, both construction period and intensity of labor can be lowered. Thus stability of steel-mould stair vehicle in slope section and control techniques of lateral deformation must be solved.

1、引言

国内钢模台车在箱涵斜管段也有运用的先例，但在坡比为1：5倒虹吸箱涵的斜管段上应用不多，施工过程中钢模台车在斜管段的稳定性及侧向变形控制技术是主要的研究课题。

1.1钢模台车的特点

［台车桁架的整体性较好，且各部件具有可拆性，部件间采用连接钢板及螺栓进行连接，且在桁架下部装设行走装臵，在实际施工时可利用其下部行走装置整体移动］1。简易性强。箱涵内部用定型钢桁架做支撑系统，前期投入较大，但在后期运行过程中，不需要大量的人工和机动设备来搬运钢架管和模板，大量减少人工费用。机动性强。采用钢模台车在相邻箱涵之间甚至短距离之间的移动都较为方便快捷，省去了大量安装和拆卸时间，对工程成本和工期控制有利

1.2、淇河倒虹吸工程概况

淇河渠道倒虹吸工程由倒虹吸、节制闸和退水闸组成，其中倒虹吸总长506m。倒虹吸进口起点桩号为总干渠Ⅳ169+778.3，出口终点桩号为总干渠Ⅳ170+284.3。倒虹吸设计流量245m3/s，加大流量280m3/s，设计水头0.19m。

管身段水平投影长330m，由进口斜管段、水平管段和出口斜管段组成。倒虹吸管身段横向为3孔一联箱形预应力钢筋砼结构，单孔孔径尺寸为7.0m×7.1m（宽×高）。河堤段管身顶板厚1.3m，底板厚1.3m，侧墙厚1.3m，中隔墙厚0.9m；河槽段管身顶板厚0.9m，底板厚1.1m，侧墙厚1.1m，中隔墙厚0.9m，倒虹吸斜管身段坡比1：5。

箱涵需穿越淇河，而淇河常年有水，水位在91m高程，箱涵底部高程在72.6m高程，因此倒虹吸箱涵须利用枯水期分二期施工，故工期较紧。

倒虹吸每一节箱涵混凝土立模主要采用3台钢模台车为主，顶部以定型钢模板为辅的形式进行施工。

2、全液压钢模台车组织结构

钢模台车由模板系统、台车架系统、行走机构、液压系统、螺旋支撑系统、轨道、液压控制站、枕木等组成。

其主要主要技术参数：

1、台车衬砌长度：L＝15476mm（15220mm可调）；

2、台车最大外型尺寸：7.1m×7m；

3、竖直最大脱模移动量：400mm；

4、水平最大脱模移动量：300mm；

5、系统允许工作压力：P＝16MPa，

6、轨中心距：3500mm，

7、台车行走速度：5-6m/min。

钢模台车构件构成表

3、台车在斜管段承载力计算依据

1、《钢结构设计手册》；

2、GB5009-2001《建筑结构荷载规范》.

3、DL\T5110-2000《水电水利工程模板施工规范》；

4、JGJ74-2003《建筑工程大模板技术规程》;

5、JGJ74-2003《建筑工程大模板技术规程》;

4、钢模台车承压力计算

本工程钢模台车由华宝模板制造公司制作，我部将台车满载作业时所有承压部位的承载力以及斜管段施工现场工况提供华宝公司，由该公司会同协作院校计算设计台车结构承重支撑系统，并由该厂协作院校科研组进行复核。斜管段的钢模台车经过协作院校科研组进行计算复核，满足施工需要。

以下为钢模台车在斜管段管身施工时的承压力计算：

假定条件及有关参数取值

γc：混凝土的重力密度（kN/m3）γc=25

T：混凝土入仓温度T=15℃

t0：新浇筑混凝土的初凝时间(h)t0=200/(T+25) =5

H：混凝土浇筑总高度（m）H=0.9

β1：外加剂影响修正系数β1=1.1

β2：混凝土坍落度影响修正系数β2=1

[f] ：钢材抗拉、抗压、抗弯强度设计值210N/mm2

E：钢材弹性模量取2.1×105 N/mm2

4.1、钢模板台车抗滑力计算

每洞顶板悬空段尺寸：7.2m×15.22m×0.9m（跨度7.1m，考虑两端倒角，计算时按7.2m）

混凝土重力G砼=γcS=25×7.2×0.9=162kN/m

钢筋重力G钢=1S=1×7.2×0.9=6.48kN/m

振动荷载F动=6kN/m2×7.2m=43.2kN/m（人工荷载、机具荷载等）

竖向承压总线荷载F线=162+6.48+43.2=211.68kN/m

则竖向承压总面荷载F面=211.68kN/m÷7.2m=61.43kN/m2

则钢模板台车顶板混凝土承压力F=211.68kN/m×15.22m=3221.77kN

1孔混混凝土为F1=3221.77÷3=1073.92kN

1孔钢模台车自重为60t

则台车下滑力为F滑=sin (11)×(F1+f自)=0.19×（107.39+60）=31.8t;

则分配到每个拉杆的拉力为31.8÷16=1.99t

每个拉杆有钢板预埋件及螺栓连接组成，M20的高强螺栓设计拉力P=110kN=11t×0.6的钢板与混凝土的摩擦系数=6.6 t >分配到每个拉杆的拉力1.99t。满足钢模台车抗下滑力的要求。

4.2、钢模板台车竖梁剪力计算

假定条件及有关参数取值与顶板底模板相同。

每洞顶板悬空段尺寸：7.2m×15.22m×0.9m（跨度7.1m，考虑两端倒角，计算时按7.2m）

混凝土重力G砼=γcS=25×7.2×0.9=162kN/m

钢筋重力G钢=1S=1×7.2×0.9=6.48kN/m

振动荷载F动=6kN/m2×7.2m=43.2kN/m（人工荷载、振捣棒荷载等）

竖向承压总线荷载F线=162+6.48+43.2=211.68kN/m

则竖向承压总面荷载F面=211.68kN/m×2m=423.36kN

则竖梁剪力为F剪=sin (11)×Fn÷2 =0.19×423.36÷2=40.22 kN

钢板与钢板的摩擦系数为0.15

M20的高强螺栓设计拉力P=110kN

螺杆的抗剪力为4×110×0.15=66kN大于竖梁剪力F剪=40.22 kN，满足钢模台车拉杆固定螺栓的抗剪切力要求。

综合上述计算结果，钢模台车在倒虹吸斜管段需设置16根拉杆，每一根拉杆由4个M20高强螺栓与预埋件相连，确保钢模台车在倒虹吸斜管段施工时的稳定要求。

全液压钢模台车在斜管段固定的结构件见下图：

1钢模台车斜管段固定图

2钢模台车在斜管段固定剖面图

3预埋件及铰座结构图

4台车底部纵梁铰座结构图

短拉杆的中间杆件为1100mm，长拉杆的中间杆件为6960mm

5 拉杆件（丝杆）结构图

钢模台车侧向变型控制措施

1、二台钢模台车之间的侧模升顶到位后，由纵横向间距为800mm的φ16是拉筋兼定位筋控制侧模间距以及台车之间的距离。

2、最外侧定型钢模板由［10槽钢支撑，钢管脚手架固定，竖向钢管间距1200mm，竖向钢管之间每隔1200mm设置剪刀撑，竖向钢管外侧设置三道斜撑。

5.1、外刚楞及对拉螺栓强度计算

1、侧压力计算

V：混凝土的浇筑速度（m/h）V=60m3/h÷46.5m2=1.29m/h

H：混凝土侧压力计算位置处至新浇筑混凝土顶面的总高度（m）H=5.6m

①静荷载

F1=0.22γctoβ1β2v1/2=41.67kN/m2，故最大侧压力为F静=41.67kN/m2。

②活荷载

混凝土倾泻荷载F活=4kN/m2

混凝土振捣荷载F振=4kN/m2。

得出：总荷载F=F静+F活=49.67kN/m2

2、对拉杆及螺栓强度计算

对拉杆及螺栓采用：M16。

ft：钢材的抗拉强度设计值：ft=210N/mm2

d：对拉杆在螺纹处的有效直径取d=14.93mm

l：对拉杆及螺栓间距：600mm×800mm

P1：对拉杆允许拉力P1=N=πd2 ft/2=73491.75N=73.49KN

P2：M16的螺栓设计容许拉力P2=24.5KN

取两者最小值，则对拉杆及螺栓的最大允许拉力为P=24.5KN

模板拉杆分担的受荷载面积（m2）其值为A=a×b=0.6×0.8=0.48m2

单个对拉螺栓能承受模板上的最大面荷载q螺=N/A=24.5KN÷0.48m2=51.04KN/m2＞侧压力总荷载F=49.67KN/m2，则对拉杆及螺栓的配置符合施工要求！

3、定型钢模的刚度验算

定型钢模面板采用5mm钢板，50mm的方钢间距500m×500mm做模板内楞，外楞采用［10槽钢间距800mm（对拉螺栓支撑楞）。

按强度要求计算

侧压力化为线荷载q内=Fl内=49.67×0.6=29.80kN/m

则计算最大弯矩Mmax=0.1q内l内2=0.1×29.80×0.62=1.073kN·m

所需截面抵抗矩Wn=Mmax/[fm]= 1.073×106÷13=82538.46mm3

已知：侧模板厚度为55mm，内楞间距为l内=800mm。则内楞之间模板截面尺寸为55mm×800mm。

则：模板截面抵抗矩W=bh2/6=800×552÷6=403333.3mm3＞Wn

模板厚度符合要求。

按刚度要求计算

模板截面惯性矩I=bh3/12=800×553÷12=1109166.7mm4

扰度w1=q内l内4/150EI= q内l内4/150EI=1.68＜w2=l内/400=2，模板厚度符合要求。

3、外钢楞强度计算

外钢楞为横向，选用两根[8的槽钢，间距为800mm。外钢楞在本模板工程中除了保持定型钢模板的连接整体性的作用以外，还承受固定其上的对拉螺栓的拉力。因此需进行强度计算。

已知外钢楞受螺栓拉力荷载为q =49.67kN/m2

对拉杆间距：600mm×800mm，则W=2×25300=50600mm3；I=2×1010000=2020000mm4

外钢楞计算最大弯矩M=0.125ql2=0.125×49.67kN/m2×（0.8m）2 =3.9736kN·m=3973600N·mm

外楞槽钢受弯强度σ=M÷W= M÷W=78.53N/mm2＜[f]，外楞槽钢强度符合要求。

外楞不容许超过值w1= l/250=3.2，外楞槽钢实际扰度值w2=5q l外4/384EI= 5q l外4/384EI=0.62＜w1，外楞槽钢扰度符合要求。

经计算，倒虹吸斜管段外侧模板工程采用以上配置，其外墙模板整体承压稳定性、外楞刚度及扰度等都能满足施工要求。

6侧向变型控制支撑图

6、钢模台车使用及混凝土施工的注意事项

1、检查台车的构件是否按照设计加工制作，数量是否和设计相一致。

2、检查钢轨是否符合要求。

3、台车拼装完成，应进行各项相关尺寸检查，符合要求验收合格后，方可进行进洞施工作业。

4、先期成型的衬砌接茬处需要打磨平整，以利于模板准确就位，成型接茬平顺。

5、全液压钢模台车固定与支撑，台车行走至每一节确定位置后进行测量复核，无误后安装下部拉杆，拉杆旋紧后行走轮下垫碶型块并用夹轨器固定，然后安装上部拉杆并旋紧。

6.1、立模

钢模板台车行走至衬砌对应位置后便可立模，立模前钢模板台车处于脱模状态。立模按照以下几个步骤进行：

1、台车走行至每一节确定位置后，启动液压电机，操作电动换向阀门手柄，［先利用竖向油缸千斤顶调整其标高，再利用横向油缸千斤顶调整其平面位置，确保模板中心线与斜坡道中心线重合后，检查无误后采用竖向、横向、侧向丝杠支撑牢固］2，将顶部螺旋支撑旋紧，将侧向螺旋支撑旋紧。

2、将底部螺旋支撑支撑于行走轨道上，并旋紧。

3、符合中线和高程，准确无误后，安装堵头模，涂刷脱模剂。

6.2、浇筑

1、在每次混凝土浇筑前，应检查丝杠、千斤顶是否松动，防止在混凝土浇筑时台车变形。

2、采用输送泵管浇筑混凝土时，泵管需要支撑在马凳上，不可以直接坐落于堵头模和钢筋面上。

3、混凝土浇筑，行走机构下的滚轮须要加塞楔形块限制走行，实行强制约束。

4、［混凝土浇筑工程中必须采用分层，左右侧交替对称浇注，每层浇筑厚度不宜大于100cm，两侧高差控制在50cm以内］3。

6.3脱模

1、脱模时先拆掉侧向和顶部螺旋支撑和堵头模板。

2、启动液压电源先将侧向下部液压支撑收回，其次收侧向上部液压支撑，最后收顶部液压支撑。

3、油缸收缩时，必须两侧同时均匀收缩。

7、结论

通过在淇河倒虹吸斜管段中的实际运用与检验，证明上述研究课题已经解决了存在的技术问题，最终取得了预期效果，同时也解决了混凝土接缝错台、漏浆、跑模等等的质量问题，并且大大加快了施工进度，提高了施工功效，节约了施工成本，取得了很好的社会效益。

8、参考文献

［1］马林 钢模板台车配合混凝土输送泵在斜井浇筑混凝土施工的应用［J］城市建设理论研究，2011

［2］白晓兰 整体式模板衬砌台车在矿山斜坡道混凝土支护施工中的应用［J］中小企业管理与科技，2010

［3］白晓兰整体式模板衬砌台车在矿山斜坡道混凝土支护施工中的应用［J］中小企业管理与科技，2010