賀振通馬艷芳房冉冉

（石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學院1）河北石家莊 050041 中鐵建鋼結(jié)構(gòu)公司2）河北涿州 050000）

隧道襯砌鋼模板上浮的分析與控制方法

賀振通1）馬艷芳1）房冉冉2）

（石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學院1）河北石家莊 050041 中鐵建鋼結(jié)構(gòu)公司2）河北涿州 050000）

介紹鋼模板臺車襯砌施工中出現(xiàn)的模板上浮問題及其產(chǎn)生的原因，通過建立有限元模型進行分析，提出解決措施。

隧道襯砌 模板臺車 有限元模型 模板上浮

1 引言

隧道襯砌模板臺車襯砌施工初期，發(fā)現(xiàn)在圓形鋼模板下半部澆注混凝土時產(chǎn)生鋼模板上浮，使襯砌斷面尺寸發(fā)生偏差，嚴重時出現(xiàn)因鋼模板上浮發(fā)生沖頂，使已襯砌段搭接處拱頂附近的混凝土表面產(chǎn)生弧形開裂，給混凝土襯砌帶來較大的質(zhì)量隱患。因此，解決圓形鋼模板上浮問題，是避免上述質(zhì)量問題的關(guān)鍵。經(jīng)過多次分析研究，最后分別從控制混凝土的坍落度、每次連續(xù)灌注高度較好地解決了圓形鋼模板的上浮問題。

2 模板浮動原因分析

泵送混凝土具有一定流動性，水泥漿液充足，屬飽和混凝土?；炷翉陌韬臀锏焦探Y(jié)成形，經(jīng)歷初凝、終凝、硬化固結(jié)3三個過程。初凝前，拌和物中液態(tài)水泥漿將對模板表面產(chǎn)生壓強，對直邊墻襯砌斷面的模板僅形成側(cè)壓力，而對曲邊墻馬蹄形和圓形襯砌斷面，由于模板面曲率的存在，不僅有側(cè)壓力，而且還有作用在下部斷面模板表面的向上浮托力。

當模板和車體僅靠其自重定位，混凝土又未初凝而呈流動狀態(tài)時，浮力將隨著混凝土灌筑高度的升高而增加，一旦浮力大于模板臺車自重，模板因無上下約束而發(fā)生整體向上浮動的現(xiàn)象。

3 模板臺車有限元模型的建立

3.1 單元類型選擇

模板結(jié)構(gòu)為梁殼模型，模板面板采用Shell93殼單元，模板加強筋角鋼采用均采用具有可視化截面的Beam189梁單元；門架結(jié)構(gòu)為空間桿系模型，所以這些桿件采用三維彈性梁單元Beam4和空間桿單元link8。

3.2 邊界約束的處理

本文采用了以下幾種邊界條件的處理方式。

門架縱梁支承千斤頂與門架縱梁底部撐地端只約束支撐點高度方向（總體坐標Y向）位移自由度UY；鋼軌與車輪接觸處，將整個車輪連接板與車輪結(jié)構(gòu)簡化為門架立柱的底端，約束其X，Y，Z三向位移自由度UX、UY、UZ；門架立柱撐地斜千斤頂、模板撐地千斤頂?shù)撞繐蔚囟思s束千斤頂?shù)锥说腦，Y，Z三向位移自由度UX、UY、UZ。

3.3 載荷分析

根據(jù)隧道襯砌施工的程序以及模板臺車的自身結(jié)構(gòu)特點，模板臺車有限元模型的載荷狀況大致劃分為三種：

（1）灌注模板中下部混凝土時的載荷：當灌注模板中下部混凝土時，混凝土對模板的壓力按流體靜壓力計算，有橫向水平壓力，也有向上的浮力，此時要考慮兩個問題：一個是模板下端及門架縱梁的應力及最大橫向位移的大?。欢窍蛏系母×皺M向壓力是否會使車輪浮起或鋼軌側(cè)滑從而產(chǎn)生“跑?！爆F(xiàn)象。

（2）灌注中部混凝土時的載荷：當灌注中部混凝土，新澆鑄的混凝土對模板的壓力為流體靜壓力，有橫向水平壓力，也有向下的壓力；此時第一階段所澆鑄的混凝土開始初凝，但還不具備支撐載荷的強度，所以這段混凝土對模板的流體靜壓力不再計算，也不考慮它對下部這段模板的支撐約束作用。

（3）灌注頂部混凝土時的載荷：當混凝土灌注高度達到模板頂部高度的情況下，新澆鑄的混凝土對模板的壓力為流體靜壓力，有橫向水平壓力，也有向下的壓力；此時第一階段所灌注的混凝土已經(jīng)完成初凝，已具備支撐一定的載荷的強度，要考慮這段混凝土對模板的支撐約束作用，它對模板的流體靜壓力不再計算，；第二階段所澆鑄的混凝土開始初凝，但不具備支撐載荷的強度，它對模板的流體靜壓力不再計算，也不計算它對模板的支撐約束作用。

如圖1所示，建立的一種模板臺車有限元模型。

圖1 模板臺車有限元模型示意圖

圖 2 模板臺車總體變形圖（工況一）

4 分析計算每種工況的混凝土最大允許連續(xù)灌注高度

經(jīng)分析計算，第一、第二工況有上浮力，因此有混凝土最大允許連續(xù)灌注高度限制，第三工況沒有上浮力，因此沒有混凝土最大允許連續(xù)灌注高度限制。

表1是計算出的第一工況各對地支撐點的約束反力的部分數(shù)據(jù)。從中可以看出，混凝土由底部灌注到1.7 m高度時，臺車都能保持穩(wěn)定；灌注到1.8 m高度時，門架縱梁支撐千斤頂?shù)募s束反力Fy＜0，臺車出現(xiàn)失穩(wěn)狀態(tài)。因此，第一工況的最大允許連續(xù)灌注高度1.7 m，灌注高度范圍為0～1.7 m。如圖2為工況一的模板臺車總體變形圖 。

表1 第一工況各對地支撐點的約束反力

表2是計算出的第二工況各對地支撐點的約束反力的部分數(shù)據(jù)。從中可以看出，混凝土由1.7 m灌注到4.4 m高度時，臺車都能保持穩(wěn)定；灌注到4.5 m高度時，車輪的鋼軌的橫向力Fx已接近枕木與地面的最大靜摩擦力μFy，臺車即將出現(xiàn)失穩(wěn)狀態(tài)。因此，第二工況的最大允許連續(xù)灌注高度2.7 m，灌注高度范圍為1.7～4.4 m。

表2 第二工況各對地支撐點的約束反力

5 控制模板上浮技術(shù)措施

5.1 嚴格控制混凝土的坍落度

模注襯砌混凝土的坍落度太大，會使混凝土的初凝時間延長，影響灌注混凝土的速度和連續(xù)灌注混凝土的高度；但混凝土的坍落度太小，又會給泵送和搗固帶來困難，對混凝土的外觀質(zhì)量也有較大的影響。因此，必須嚴格控制模注混凝土的坍落度，通過比選，模注混凝土的坍落度采用13 cm（初凝時間45 h）較合適。

5.2 嚴格控制鋼模板下半部灌注混凝土的速度

圓形鋼模板下半部灌注混凝土速度過快，即連續(xù)灌注混凝土的高度h值過大，將會使鋼模板因未初凝混凝土上浮力過大而產(chǎn)生上??；但灌注速度太慢，即連續(xù)灌注混凝土的高度h值過小，又會使連續(xù)灌注混凝土的間隔時間增大，影響施工進度。因此，應嚴格控制灌注混凝土的速度，為保證鋼模板不產(chǎn)生上浮和不影響襯砌施工進度，每次連續(xù)灌注混凝土的高度h值應控制在1.7 m。

6 結(jié)語

在隧道的混凝土襯砌施工中，根據(jù)模板臺車的結(jié)構(gòu)自重和混凝土作業(yè)條件，合理確定混凝土初凝時間，使流態(tài)混凝土高度限制在一定范圍內(nèi)，可以達到在不影響施工速度的前提下防止模板浮動的目的。應用這種模板防浮工藝的關(guān)鍵在于施工管理，通過計算或?qū)崪y模板浮動臨界力及其相應流態(tài)混凝土高度、體積和供料間隔時間等，為試驗室確定混凝土初凝時間和外加劑用量提供可靠依據(jù)。

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Analysis and Control Method of the Uplift of Model Board in Tunnel Lining

HE Zhen-tong1）MA Yan-fang1）FANG Ran-ran2）
(Shijiazhuang Institute of Railway Technology1）Shijiazhuang Hebei 050041 China Railway 18th Bureau(Group)Metal Structure Engineering Co., Ltd.2）Zhuozhou Hebei 050000 China)

In this paper, the problem and reasons of uplift of model board in the tunnel lining construction are introduced, and the resolution is proposed by analyzing the establishment of FEM model of the whole trolley.

tunnel lining model board trolley the FEM model uplift of model board

U455.91

A

1673-1816(2014)01-0022-04

2013-11-21

賀振通（1968-），男，河北饒陽人，副教授，研究領(lǐng)域為工程機械與CAD。

此論文與課題《地鐵車站邊墻澆注模板臺車結(jié)構(gòu)分析研究與應用》有關(guān)，課題為河北省教育廳青年基金項目，項目編號為Q2012018。