浅谈钢管骨架模板支撑体系在隧道施工中的承载力计算

Ｉ１交通建设　浅谈钢管骨架模板支撑体系在隧道施工中的承载力计算　林志新　（福建省第二公路工程有限公司）　摘要：介绍了在以往成型的型钢骨架基础上，衍生出的既节约成本又便于施工的钢管骨架组合钢模板的施工新技术。由于钢花管骨　架轻便、易加工，故在节约成本、便于施工的同时，也大大降低了施工安全风险。在断面形式多样且渐变的隧道衬砌施工中，有～定的推　广价值。　关键词：钢管骨架；变断面衬砌；支撑体系　１工程概况　该隧道全程约１２００ｍ，采用矿山法施工。隧道内有左右两　条主线及两条停车线，断面结构形式多达２６种。该隧道二衬施　工难度大，其中，标准断面采用衬砌台车（衬砌长度１７００ｍ），非　标准断面及渐变段采用满堂脚手支架支模施工（衬砌长度　８００ｍ）。鉴于此，钢管骨架模板支撑体系的承载性能及施工质量　控制成为施工重点，本文着重对该支撑体系的承载力及施工质　量控制进行分析。　２钢管骨架模板支撑体系承载力计算　２．１支撑体系设计　根据设计二衬厚度，脚手架采用碗扣式脚手架支撑系统，　搭设落地式、全高全封闭的碗扣式脚手架，并在其中间增设剪　刀撑。模板采用Ｐ３０１２组合钢模，模板下方以ｑｂ４８ｘ３．５ｒａｍ钢花　管制作的拱形支架配合方木支撑，脚手架选用钢管（外径　４８ｒａｍ，壁厚３．５ｒａｍ）。图１为钢管骨架模板支撑体系简图。　图１钢管骨架模板支撑体系简图　２．２承载力计算　２．２．１混凝土侧压力计算　混凝土侧压力影响因素很多，浇筑速度是一个重要的影响　因素，侧压力一般与其成正比，当其达到一定的速度后，再提高　浇筑速度，则对侧压力影响不明显，混凝土温度影响混凝土的　凝结速度，温度底、凝结慢，混凝土侧压力的有效压头高，最大　侧压力就大，反之就小。我国目前采用的计算公式，当采用内部　振动时，新浇混凝土作用于模板上最大侧压力，按下面两式计　算，并取最小值：　１陀　Ｆｌ＝０．２２＂Ｗｔｏ３１１Ｂ２Ｖ　Ｆ２＝ｙｏｈ　式中：Ｆ　为新浇筑混凝土对模板的最大侧压力（ｋＮ／ｍ２）；　为混凝土自重密度（２５ｋＮ／ｍ　）；ｔｏ为混凝土初凝时间，ｔｏ＝２００／（Ｉ＋　１５）；ｔ为混凝土温度；１３．为外加剂影响系数，取１．２；Ｂ　为坍落度　修正系数，取１．２；ｈ为浇筑高度，取８．０ｍ（取最大高度）；Ｖ为浇　１１４广东科技２０１２　６第１１期　筑速度，取２ｍ／ｈ。经计算，Ｆ１＝６７．２ｋＮ／ｍ２，Ｆ２＝２００ｋＮ／ｍ２。　２．２．２骨架模板计算参数值　①模板：Ｐ３０１２组合钢模板，ｔ＝３．５ｍｍ，尺寸１２００ｘ３００；②小　方木：红松木，截面１００ｘｌ００ｍｍ，间距３００ｒａｍ；：③大方木：红松　木，截面１００ｘｌ２０ｍｍ，间距６００ｍｍ或９００ｍｍ；④钢管ｑｂ４８ｘ３．５　截面特性：Ａ＝４．８９ｃｍ２；Ｉ＝１２．１９０／Ｉ１４；Ｗ＝５．０８ｅａｒ３；ｉ＝１．５８ｅｍ：（￣）Ｑ２３５　钢抗拉、抗压、抗弯强度设计值：Ｆ＝２３５Ｎ／ｍｍ２；⑥抗弯强度允许　值［ｔｒ２］＝１３ＭＰａ。　２．２－３模板验算　加工的３００ｘ１２００定型钢模板（８：２．７５ｍｍ），Ｉ　＝３６－３×　１０％ｍ￣，Ｗ　８．２１ｘｌ０ａｍｍ３。计算简图如图２：　图２计算简图　将荷载化为线性荷载：　ｑ＝Ｆｘ０。３＝２０．１　６ｋＮ／ｍ　抗弯强度计算结果：　Ｍ＝ｑＰ／８＝４．０４ｘ１０　Ｎ’ｌｌｑｍ　ｏ＝Ｍ／Ｗ＝４９．２１Ｎ／ｍｍ２＜２１５Ｎ／ｍｍｚ（满足）　挠度验算：　ｔＯ＝０．５２１ｑＰ／１００Ｅ１０．０４ｍｍ＜１．５ｍｍ（满足）　２．２．４脚手架支撑体系验算　搭设高度Ｈ＝８．０ｍ（取最大高度，最大１７排），步距ｈ＝０．６ｍ，　立杆纵距Ｌａ＝０．６ｍ，立杆横距Ｌｂ：０．９ｍ，剪刀撑在６个步距设置　一道（即每３．６ｍ处设置）。本工程为隧道工程在计算时不考虑　风荷载。立杆轴向力：①混凝土自重：２５ｋＮ／ｍ３；（￣）模板纵横方木：　０．２７ｋＮ￣③立杆：４．８９ｘ１０￣ｘ７６ｘ８＝０．２９７ｋＮ④纵横水平杆重：　０．９５ｋＮ；⑤混凝土浇注冲击荷载取：Ｏ．６ｋＮ；⑥施工及振捣荷载：　１．８ｋＮ；⑦模板重：０．３９ｋＮ／ｍ３。　经计算荷载总计：Ｎ：１０．８３５ｋＮ。长细比：　＝１／ｉ＝１３２．９１２，查　ＪＧＪ１３０—２００１附录Ｃ表Ｃ得击＝０．３８１。有：　Ｎ＆ｂＡ＝５８．１５６Ｎ／ｍｍ２，￣２３５Ｎ／ｍｍ　因此，立杆稳定性满足要求。　２．２．５横杆承载力及挠度计算　当横杆支撑粱时，横杆弯矩按下式计算：　Ｍ＝　Ｃ　式中：Ｍ一横杆弯矩（ｋＮ・ｍ）；　一混凝土重量及模板重量的　１／２；Ｃ一骨架到支座间距离。　横杆抗弯强度按下式计算：　Ｏ＇－－　＝３．２４Ｎ／ａｒｍ２＜２３５Ｎ／ｍｍ　满足要求，式中：Ｗ一钢管的　Ｗ　截面模量。　横杆的挠度应符合下式规定：　Ｖ　（３Ｌ２４Ｃ　）　－对于①杆抗压稳定性计算：假定①杆两侧的斜杆不参与受　力，作为安全储备。考虑一端固定，一端自由最不利情况，则　＝　２，失稳临界值为：　Ｐ　＝　２ＥＩ／（　１）　＝９４．７ｋＮ＞Ｆｌ　＝０．０２７ｍｍ￣＜［Ｖ］＝４．５ｒａｍ　满足要求，式中：Ｖ～一横杆的最大挠度；［Ｖ卜容许挠度，　２００＝４．５ｒａｍ。　对于①轴向力计算：　碗扣节点承载力按下式验算：　Ｐｏ＝３６．５６４＜Ｑｂ　Ｆ　／Ａ＝７５．１７Ｎ／ｍｍ２＜ｆ＝２３５／ｍｍｚ则杆①水平稳定性满足要求。　对于③杆抗弯稳定性计算：杆③的受力简化如图３所示，　假定③杆与两侧斜杆的夹角４５。，如图５。　式中：Ｑ　下碗扣抗剪强度设计值，取６０ｋＮ。因此，水平杆稳　定性满足要求。　２．２．６钢管骨架受力验算　验算主要针对于拱脚处，因为此处的侧压力最大，且此处　的支撑为人工焊接而成。由于焊接支撑为对称结构，所以取一　半进行验算。　取荷载最大的底端作计算模型，并取对称结构，如图３所　不。　Ｉ÷＿—÷Ｉ３ＯＣ１＂／１　　图３原始脚手架计算简图　截面参数：　惯性矩：Ｉ＝　（Ｄ４－ｄ４）／６４＝１．２３￣１０￣ｍ４　面积：Ａ＝霄（２５ｚ－２２２）＝４．４２ｘｌＯ￣ｍ　抗弯刚度：Ｅｌ＝２００ｘ１０９ｘ１．２３ｘ１０－７＝２４６００Ｎ　侧压力按下面两式计算，并取最小值：　１　Ｆ　＝０．１　ｌ＇ｙ　ｔ０３１１Ｂ２Ｖ　Ｆ２＝ｐｇｈ　式中各量含义如前文所述。　ＦＩ＇＝Ｆ　２＝Ｆ１３＝６７．２ｋＮ／ｍ　根据Ｆ２＝ｐｇｈ得：　Ｆ２１＝ｐｇｈ１＝２５００ｘｌＯｘ６．４＝１６０ｋＮ／ｍ　ＦＥ２＝ｐｇｈ２＝２５００￣１０￣７．２＝１８０ｋＮ／ｍ。　ＦＺ３＝ｇｈ　＝２５００ｘ１０ｘ８．０＝２００ｋＮ／ｍ２　为了安全起见，取Ｆｌｌ＝８０ｋＮ／ｍ￣，由于纵向问距是０．６ｍ，且　面上不均布力转换对支撑上的集中力，则：　Ｆ　０．６ｘＯ．８ｘ６７．２＝３２．２５６ｋＮ　图４是对①、②、③杆进行受力分析。　｝÷　—　ＩＵｃｍ　　图４脚支架受力图　图５杆③受力分析图　竖直方向的合力为：　Ｆ＝Ｆｌ＋—　（Ｆ１＋Ｆ１）＝７７．８６６ｋＮ　弯矩的最大值在中点处，最大弯矩为：　Ｍ　＝０．５ＦｘＬ＝Ｉ　１．６８ｋＮ‘ＩＴＩ　着杆所受拉应力区的最大拉应力为：　盯：　一：２３７４ＭＰａ＞　［ｃｒ］＝２３５ＭＰｃｔ　由以上计算分析可知：杆①和水平稳定性满足要求，杆③　被拉坏。故采取如下加固措施（图６）再进行计算：①在杆①和②　之间，增加④杆；②在杆②的下部增加⑤杆；③有部分斜撑，如　图４所示；④在③杆的基础上再增加一杆，即竖直方向为两根　杆；⑤在隧道走向上，把每块１．２ｍ长度模板，在原来２根的基　础上，再增加１支撑，使支撑间距为Ｏ．４ｍ。计算方法同上，计算　结果如下：　ｌ’÷——　　５ｏｃ１１１　’　图６加固后脚手架计算简图　Ｆ１／Ａ＝２４．３Ｎ／ｍｍ　＜ｆ＝２３５Ｎ／ｍｍ　杆③最大弯矩为：　Ｍ　＝０．５ＦｘＬ＝２．５９６ｋＮ。ＩＴＩ　杆③所受拉应力区的最大拉应力为：　＝１６２．２５ＭＰｏ＞　ｆｏ－］＝２３５ＭＰａ所以③满足施工要求。　３安全质量保证措施　３．１安全保证措施　３．１．１材质及其使用的安全技术措施　扣件的紧固程度应在４０～５０Ｎ・ｍ，并不大于６５Ｎ・ｍ，对接扣　件的抗拉承载力为３ｋＮ。扣件上螺栓保持适当的拧紧程度。　（下转第１１３页）　广东科技２０１２　６第１１期１１５　边，用吊车吊出基坑，放在吊车后的板车上。由于第二钢支撑到　地板约有３．５ｍ的高程，松动螺栓时，要搭设活动架子，操作人员　必须佩带安全带，同时有专职安全员在现场指挥。　拆除立柱桩左边支撑前，先拆除限位铰，叉车将钢支撑举　起０．６ｍ，左边的向前移动２ｍ，右边的叉车向后移动２ｍ，多次调　蟪　整后，使得钢支撑右端离开钢梁，能够整体放置地板上，拆除剩　余螺栓，分开运走，用吊车吊出基坑。根据以上分组情况，每个　图４　ＳＰ３０位移曲线图　组中先拆除一个单元，不等一次性全部拆除，留一根在出现意　外情况时及时回复轴力，以保证边坡的稳定。　３变形观测　在施工开挖过程中要随时进行变形观测，基坑开挖前要进　行原始数据的测量，随着每一步的开挖，均要进行跟踪测量，在　钢支撑卸载时更要进行全天候的观测，发现异常立即通知相关　说明：台阶式的位移曲线表表示的是每一步ｌ十方开挖形成的位移薰　人员，立即进行回顶作业。组合支撑的围护结构设计方案，相对　垦　堕　焦整　垡　：　于地铁四号线北侧的预应力锚索的控制位移的变形量，有明显　ｓＰ３１￣量记录｛ｃ总嚣计逝移　的优势，通过开工以来的监测数据（如图３￣６。其中ＳＰ２９、ＳＰ３０、　ＳＰ３１为组合支撑形式的位移观测点，ＣＸ２２为预应力锚索部位　的位移观测点的曲线）的对比发现：采用混凝土支撑与钢支撑　麓　的组合围护结构施工技术，地铁一、四号线的基坑变形得到了　很好的控制，一号线基坑变形量控制在４￣７ｒａｍ，达到了设计要　图６预应力锚索区域的位移曲线图　求，而采用预应力锚索施工的围护结构的变形量要远高于组合　支撑形式的变形量，不利于对变形控制严格的区域采用。　４结束语　综上所述，钢筋混凝土支撑与钢支撑结合的基坑支护形　式，具有控制变形好、施工方便、经济效益好的优点，特别是在　距离建筑物较近施工时钢筋混凝土支撑与钢支撑的组合围护　技术能够很好的控制变形，给工程的施工带来安全。　参考文献：　图３　ＳＰ２９位移曲线图　【１】刘国彬，王卫东，主编．基坑工程手册．北京：中国建筑工业出版社　２００９年．　（上接第１１５页）　拆除时要统一指挥，上下呼应，动作协调，当解开与另一人　各杆件端头伸出扣件盖板边缘的长度不应小于ｌＯＯｍｍ。　有关的结扣时，应先通知对方，以防坠落。　钢管有严重锈蚀、压扁或裂纹的不得使用。禁止使用有脆　在拆架时，不得中途换人，如必须换人时，应将拆除情况交　裂、变形、滑丝等现象的扣件。　代清楚后方可离开。　３．１．２脚手架搭设的安全技术措施　每天拆架下班时，不应留下隐患部位。　搭设过程中划出工作标志区，禁止行人进入、统一指挥、上　３．２质量保证措施　下呼应、动作协调，严禁在无人指挥下作业　当解开与另一人有　（１）混凝土采取机械振捣，振捣时振捣棒做到快插轻拔，并　关的扣件进必先告诉对方，并得到允许，以防坠落伤人。　上下略有抽动，以使混凝土振捣均匀。　开始搭设立杆时，应每隔６跨设置　根抛撑，直至安装稳　（２）拱墙混凝土施工时，两端必须同时对称浇注，以减小侧　定后方可根据情况拆除。　向压力。　．　脚手架及时与结构拉结或采用临时支顶，以保证搭设过程　（３）每次拆模后将模板表面清理干净，不得粘有干硬水泥　安全，未完成脚手架在每目收工前一定要确保架子稳定。　浆等杂物；模板脱模剂要涂刷均匀，不得漏刷。　脚手架必须配合施工进度搭设，一次搭设高度不得超过相　（４）混凝土分层均匀振捣，严防漏捣；每层混凝土均应振捣　邻连墙件以上两步。　至气泡排除为止。　３．１－３脚手架拆除的安全技术措施　４结语　．　拆架前，全面检查待拆脚手架，根据检查结果，拟订出作业　根据工程的实际情况，断面多且结构形式各不相同，所有　计划，报请监理，经同意后才准工作。　钢骨架均只能应用一次。本工程施工中，将成型工艺中的型钢　架体拆除前，必须察看施工现场环境，包括架空线路、外脚　骨架优化设计为钢花管制作的骨架，仅材料费用就节约了近　手架、地面的设施等各类障碍物、地锚、及被拆架体各吊点、附　１００万元成本。施工期间，由于钢花管骨架的轻盈便利．使得施工　件、电气装置情况，凡能提前拆除的尽量拆除掉。　循环时间缩短，也大大节约工期，同时安全质量方面未出现任何　拆架时应划分作业区，周围设绳绑围栏或竖立警戒标志，　问题。经过实践，该工艺是安全可靠的．值得大范围推广。　地面应设专人指挥，禁止非作业人员进入。　广东科技２０１２　６第１１期１１３