拆除隧洞混凝土襯砌模板

拆除隧洞混凝土襯砌模板

　　關(guān)鍵詞：有限元法,隧洞工程,臺車襯砌,拆模時間,拆模強度

　　1、工程概況

　　巴基斯坦杜伯華水電站項目位于巴基斯坦西北邊界省IndusKohistan區(qū),是一座高水頭、長隧洞引水式水電站。主要建筑物有:混凝土重力壩、地下沉沙室、引水隧洞、調(diào)壓井、壓力管道和電站廠房等。電站設(shè)計水頭541m,引水隧洞長4867m,裝機容量為130MW,年發(fā)電量約595GW.h。

　　引水隧洞長4867m，斷面設(shè)計為馬蹄形，襯砌后斷面高度3.5米，最大跨度3.2米。引水隧洞混凝土襯砌采用底板、側(cè)墻和頂拱二次襯砌的辦法，即先襯砌隧洞的底板，再進行側(cè)墻和底拱混凝土襯砌,引水隧洞側(cè)墻和頂拱混凝土襯砌采用針梁鋼模臺車。

　　2、隧洞混凝土拆模時間

　　隧洞工程混凝土襯砌的拆模時間受圍巖的地質(zhì)條件、混凝土的設(shè)計標號、水泥品種與標號、跨度、荷載、溫度、濕度、施工工藝、外加劑類型、養(yǎng)護條件等諸多因素的影響和控制。頂拱承重模板的拆除時間，對隧洞混凝土襯砌施工進度甚至整個工程的工期都有著較大影響，為保證工期，有必要縮短拆模時間。

　　隧洞工程襯砌混凝土的頂部多為拱形結(jié)構(gòu)，且隧洞支護錨桿對鋼筋及混凝土有著拉承作用，施工期間拱部混凝土僅承受自重作用，因此，其襯砌拆模時間比其它現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的拆模時間短，可以在較短的時間拆除頂拱承重模板。一些隧洞工程的承重底模在混凝土澆完后12～14h就可拆除，大大縮短了拆模時間。

　　3、提前拆模的意義

　　隧洞工程混凝土襯砌多采用鋼模板臺車，采用鋼模臺車襯砌隧洞混凝土具有移動速度快、需要投入的勞動力少、襯砌出的表面整潔的特點。鋼模臺車的模板采用大面積的整裝鋼模，拆裝和移位用配套的臺車。建造鋼模臺車需要耗用大量的鋼材，重達數(shù)十噸甚至上百噸，再加上液壓和行走機構(gòu)，單臺鋼模臺車造價很高。為節(jié)省施工成本，通過加快鋼模臺車襯砌循環(huán)以達到減少投入臺車數(shù)量的目的，提高鋼模臺車的使用效率。

　　提高鋼模臺車的周轉(zhuǎn)速度需要縮短鋼模臺車的周轉(zhuǎn)時間。鋼模臺車的周轉(zhuǎn)時間除了與臺車模板的安裝拆除、臺車的移動、臺車模板表面打磨、涂刷脫模劑、端頭模板封堵及混凝土澆筑所用時間有關(guān)外，還與模板的拆除時間有關(guān)。襯砌澆筑完成以后，鋼模臺車必須等待一定的時間，在混凝土達到一定的強度后才能拆除。拆模時間的長短會影響襯砌施工速度，特別是承重的頂拱模板拆除時間如果太長，將會嚴重影響襯砌的施工進度。如果能縮短拆模時間，對提高混凝土襯砌的速度是非常有利的。

　　其次，隧洞工程一般處在引水電站項目的關(guān)鍵線路上，關(guān)鍵線路上的項目一旦出現(xiàn)工期拖延，將會影響整個工程的完工期限。因此，縮短隧洞混凝土襯砌的模板拆除時間，加快臺車的循環(huán)周期提高混凝土施工效率，保證關(guān)鍵線路工程按時完工對保證整個工程的完工具有重要意義。

　　4、鋼模臺車襯砌混凝土荷載

　　引水隧洞采用鋼模臺車襯砌混凝土的荷載有以下特點：

　　(1)拆模時頂拱結(jié)構(gòu)僅承受混凝土的自重荷載。這是因為：①頂拱襯砌時洞室開挖和初期支護已完成，洞室已經(jīng)穩(wěn)定，洞室變形已經(jīng)很��；②由于澆筑混凝土設(shè)備的限制，頂拱混凝土澆筑時上部空間的混凝土不飽滿，頂拱中心一定范圍內(nèi)混凝土和頂部圍巖并未接觸，存在著一定的空隙，往往需要經(jīng)過回填灌漿才能保證緊密結(jié)合，故灌漿前頂部圍巖荷載不會傳到頂拱結(jié)構(gòu)上；③混凝土澆筑完成后，拆模后的頂拱不存在人員或設(shè)備等活荷載；④澆筑混凝土時圍巖滲水往往通過預先埋設(shè)的排水管排除，不存在內(nèi)外水壓力。故頂拱拆模時，拱部混凝土結(jié)構(gòu)一般只承受其自重荷載，荷載較小。

　　(2)錨桿和頂部鋼筋的聯(lián)合作用，改善了頂拱混凝土的受力條件。引水隧洞綁扎鋼筋時，為了形成骨架，一般在隧洞周圍布置一定的錨桿或插筋，綁扎鋼筋時往往將錨桿和鋼筋網(wǎng)焊接在一起，隧洞錨桿不僅便于鋼筋的架立，同時由于錨桿深入到圍巖的內(nèi)部可以承受較大的拉力，襯砌混凝土結(jié)構(gòu)和圍巖形成一個整體受力，和錨桿焊接在一起的鋼筋網(wǎng)的重量完全由錨桿承擔，不需要模板承擔。拆模時混凝土已達到一定強度，錨桿和鋼筋網(wǎng)一起在混凝土內(nèi)部形成一個個“支座”，相當于減小了頂拱混凝土結(jié)構(gòu)的跨度，大大改善了頂拱混凝土的受力條件少了混凝土所承受的拉應力。

　　(3)頂部拱的作用，減小了混凝土的拉應力和拉應力區(qū)的范圍。隧洞工程混凝土襯砌頂部多為圓形拱，頂拱混凝土相當于彈性固定于圍巖和下部混凝土上的無鉸拱。由于拱的作用，使頂拱混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)的拉應力減小，甚至全部為壓應力，這樣能盡量發(fā)揮混凝土的抗壓承載能力，對提前拆模是有利的。由于頂拱襯砌混凝土僅承受自重，再加上拱和錨桿的作用，混凝土澆筑完成后能夠在較短的時間能承受自重和其它荷載。

　　5、混凝土拆模強度

　　有關(guān)混凝土的拆模強度，《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》(GB50204—2002)和《水利水電工程模板施工規(guī)范》(DIJT5110—2000)的規(guī)定基本相同。都規(guī)定現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的模板拆除時的混凝土強度應符合設(shè)計要求。當設(shè)計無具體要求時，側(cè)模拆除時混凝土強度應能保證其表面及棱角不因拆除模板而受損壞，底模的強度應符合表1的規(guī)定。

　　現(xiàn)澆隧洞混凝土襯砌結(jié)構(gòu)頂部大多屬于拱的形式，規(guī)范規(guī)定襯砌混凝土頂拱的跨度不大于8m時，其強度應達到設(shè)計的混凝土強度標準值的75％以上才能拆模；而跨度大于8m時，其強度應達到設(shè)計的混凝土強度標準值的100％時才能拆模。如果按照上述強度拆模，拆模時間將長達14～28d。

　　表1：底模拆除時混凝土強度要求

　　構(gòu)件構(gòu)件跨度按設(shè)計的混凝土抗壓強度

　　類型m標準值的百分率%

　　板≤250

　　＞2,≤875

　�。�8100

　　梁，拱，殼≤875

　　＞8100

　　懸臂構(gòu)件≤275＞2100

　　注：本標準中“設(shè)計的混凝土強度標準值”系指與設(shè)計混凝土強度等及相應的混凝土立方體抗壓強度標準值。

　　杜伯華水電站項目主合同文件技術(shù)規(guī)范第11章混凝土工程（TECHNICALSPECIFICATIONSCHARAPETER11CONCRETEWORKS）規(guī)定，對于拱型結(jié)構(gòu)拆除模板的時間為3天，見表2：Table11.4RemovalofFormwork。

　　但《水利水電工程模板施工規(guī)范》(DL／T5110—2000)同時也規(guī)定：經(jīng)過計算和試驗復核，混凝土的實際強度已經(jīng)能夠承受自重及其它荷載時，可提前拆模。

　　6、提前拆模實例分析

　　巴基斯坦杜伯華水電站項目引水隧洞為馬蹄形，總長4875m，襯砌成型后直徑1.6m，襯砌最大跨度3.2m，根據(jù)圍巖類型襯砌厚度分別為0．3～0.4m(圖1-1～1-3)。襯砌分底板和邊墻、頂拱兩次成型，邊墻、頂拱混凝土襯砌采用鋼模臺車，混凝土標號為泵送混凝土C30，配合比見表3。

　　圖1-1：TypicalSectionofHeadraceTunnelClassA/B,C

　　圖1-2：TypicalSectionofHeadraceTunnelClassD

　　圖1-3：TypicalSectionofHeadraceTunnelClassE

　　表3：C30泵送混凝土配合比

　　(Cement+SIKA520，Manmadesand&CoarseAggregate)

　　混凝土配合比編號類型混凝土

　　級別級別重量（Kg/m3

　　水水泥砂粗骨料SIKA520

　　4.75-1919-37.537.5-63

　　Weir–

　　C-4泵送C2134310892607912---6.20

　　混凝土的配合比遵循美國ACI211.1的標準及技術(shù)規(guī)范的有關(guān)規(guī)定。水泥采用巴基斯坦水泥廠生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥，砂和粗骨料由河灘砂礫石料破碎加工而成，外加劑選用SIKA公司生產(chǎn)的Sika-520型液體緩凝減水劑。

　　考慮到隧洞開挖時已采取初期支護，外部的圍巖應力及內(nèi)部水壓力不考慮，因此，采用有限元法進行混凝土應力分析時僅考慮混凝土的自重。計算采用SAP2000V9有限元程序?qū)σ�水隧洞的頂拱混凝土進行計算，計算時混凝土的重力密度取25kN／m3，泊松比取0.2。各類圍巖有限元法應力分析計算結(jié)果如下：

　　（1）ClassA/,C類圍巖：混凝土承受的最大彎矩為0.31kN-m，在側(cè)墻底部內(nèi)側(cè)(圖2-2)；最大壓應力為78.93kPa，在頂拱中央的內(nèi)側(cè)(圖2-1)。

　　圖2-1：AxialForceDiagram（kN）圖2-2：MomentDiagram（kN-m）

　�。�2）ClassD類圍巖：混凝土承受的最大彎矩為0.45kN-m，在側(cè)墻底部外側(cè)(圖3-2)；最大壓應力為89.33kPa，位于頂拱中央的內(nèi)側(cè)(圖3-1)。

　　圖3-1：AxialForceDiagram（kN）圖3-2：MomentDiagram（kN-m）

　�。�3）ClassE類圍巖：混凝土承受的最大彎矩為2.11kN-m，在底板與側(cè)墻連接拐角內(nèi)側(cè)(圖4-2)；最大壓應力為182.58kPa，在側(cè)墻底部外側(cè)(圖4-1)。

　　:圖4-1：AxialForceDiagram（kN）圖4-2：MomentDiagram（kN-m）

　　通過計算可以看出，由于隧洞頂拱僅承受自身的重力荷載，且由于拱的作用，頂拱混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)的壓應力很小，最大壓應力為113.5kPa，最大壓應力為同期混凝土立方體抗壓強度的6%；隧洞受到的拉應力也很小，最大拉應力為51.23kPa,僅為同期混凝土立方體抗壓強度的2.7%。

　　通過采取有限元法對引水隧洞頂拱混凝土襯砌拆模時間進行計算復核，證明雖然12～14h時混凝土的強度還很低（試驗室檢測混凝土在14個小時的抗壓強度為1.88Mpa），但混凝土的實際強度已經(jīng)能夠承受自重及其它荷載。經(jīng)過計算和試驗復核，顯示引水隧洞的頂拱混凝土強度已遠遠高于拆模時所產(chǎn)生的內(nèi)應力，頂拱模板在混凝土澆筑完12～14h拆除是安全可行的。

　　7、結(jié)束語

　　引水隧洞工程混凝土襯砌和普通現(xiàn)澆混凝土是有區(qū)別的，襯砌結(jié)構(gòu)的頂部大多是拱形，其荷載有其自身特點，拆模時襯砌混凝土的內(nèi)應力并不大，拉應力及拉應力區(qū)都很小，拆模后的變形非常小，在混凝土澆筑完12～14h后拆除承重模板是可行的。施工初期筆者仔細觀察過提前拆模后的混凝土，未見任何異常，說明提前拆模是可以保證質(zhì)量和安全的。

　　提前拆模能縮短鋼模臺車的循環(huán)周期，大大加快工程的進度，降低工程成本。在保證質(zhì)量和安全的前提下，經(jīng)過采取有限元法分析計算和試驗復核，混凝土的實際強度已經(jīng)能夠承受自重及其它荷載時，襯砌混凝土承重模板的拆模時間可以縮短至12～14h，通過對杜伯華水電站項目引水隧洞鋼模臺車襯砌混凝土施工，實踐證明提前拆模是可行的。