双线海底隧道T-I型中隔墙模板台车设计与应用

张富强，孙 振

(1.中铁三局集团有限公司，山西 太原 030000；2.山东科技大学 土木建筑学院，山东 青岛 266510)

在单洞双线海底隧道施工中，为避免左右线轨道列车行驶的干扰以及防火分区的要求，需要在隧道中部设置中隔墙将其分开[1]。中隔墙传统浇筑方式存在施工进度缓慢、影响隧道掘进方向的车辆通行、混凝土外观质量差、施工成本高等缺点[2-3]。通过对中隔墙模板台车深入地调研和查阅大量工程实例资料，结合青岛地铁1号线瓦屋庄站—贵州路站区间(以下简称瓦贵区间)海底隧道现场情况，设计了大断面海底隧道用T-I型中隔墙模板台车。本文对其结构设计和应用技术进行探讨，以期为类似工程提供借鉴。

1 工程概况

青岛地铁1号线瓦贵区间起自黄岛区瓦屋庄站，沿既有胶州湾隧道东侧向北下穿胶州湾湾口后，接入青岛主城区贵州路站，线路全长约8.07 km。其中01标段长4.76 km，采用矿山法开挖，衬砌为复合式衬砌结构，衬砌混凝土强度等级为C50，防水抗渗等级为P12，区间隧道断面内净空尺寸为10.1 m(宽)×7.01 m(高)。双线隧道中隔墙长 3 886 m(如图1所示)，中隔墙混凝土厚400 mm，混凝土强度等级为C35，中隔墙距水沟内侧3.9 m。I型中隔墙长 2 365 m，高7.01 m(其中加宽JK1横断面长51 m，高7.96 m；加宽JK2横断面长107 m，高7.31 m)；T型中隔墙长 1 521 m，高5.09 m，板厚200 mm。

图1 瓦贵区间海底隧道01标段中隔墙平面

2 T-I型中隔墙模板台车设计

瓦贵区间海底隧道海域段与陆域段分别采用 T型和I型中隔墙(如图2所示)，I型中隔墙分为居中I型与加宽I型。两者中隔墙模板台车设计位置、高度不同。如何设计台车在不同结构形式的中隔墙模板中通用，同时保证其外轮廓尺寸、车辆正常通行、安全质量等，使得中隔墙模板台车的设计难度加大[4-6]。

中隔墙模板台车设计中必须满足以下条件：

1)模板及支架应具有足够的强度、刚度、稳定性和抗上浮能力，能安全承受所浇筑混凝土的重力、侧压力以及在施工中可能产生的各种荷载，并且模板不凹凸、支架不偏移、不扭曲，多次重复使用不变形。为满足模板台车的刚度要求，模板接缝要严密不漏浆，表面平整度不大于3 mm，接缝错台不大于2 mm,台车前后端轮廓相差不大于3 mm，模板间隙不大于1.5 mm。

2)中隔墙模板台车左右侧门架下必须保证掌子面开挖时大型车辆顺利通行，满足装载机左右两侧外轮距3 m和混凝土罐车高度4.2 m的要求，其中水沟距中隔墙的净宽为3.9 m。

图2 中隔墙模板结构示意(单位：mm)

3)由于单洞双线隧道在不同位置净宽也不相同，如正常净宽为10.1 m，而隧道交汇处最大净宽为11.97 m。因采用了I型与T型中隔墙，故要确保中隔墙模板台车满足居中I型、加宽I型、T型中隔墙共用。在隧道高度变化、中隔墙结构形式变化时需要增加调整块及将模板分节。

2.1 支架结构设计

中隔墙模板台车由左右侧对称的构造体系组成，有效长度为9.06 m，质量为52 t。单侧由独立的门架、模板体系、横纵向调整油缸系统、丝杠以及走行系统组成。门架一侧放置在水沟平台上，另一侧放置在仰拱面上，便于加大门架下净宽满足车辆通行。门架一侧连接模板体系，为避免台车失去平衡，另一侧在水沟侧门架上增加80 kN配重。模板体系通过门架上液压油缸调整就位，就位后通过对拉丝杆连接紧固。

在施作隧道二次衬砌时内净空扩大50 mm，由于存在施工误差，中隔墙模板台车T型板宽度按照二次衬砌内轮廓线扩大30 mm设计。中隔墙下部先施工260 mm 墙体作为搭接段，搭接长度7.7 cm，便于中隔墙模板台车竖向移动脱模，在门架顶梁设置支撑扁担向左右滑移即可竖向脱模。

2.2 台车门架设计

中隔墙模板台车的单侧由4套门架组成。门架的立柱和横梁分别采用300H型钢和400H型钢，门架下净宽3.135 m，净高4.228 m，可满足隧道开挖支护、衬砌作业的机械设备顺利通行。

2.3 台车模板体系设计

模板体系纵向由4块模板拼装而成。每块模板纵向长2.25 m，模板面板为Q235钢板，面板厚8 mm。每块模板主楞由2组双[20槽钢背靠背焊接而成，间距1.25 m，次龙骨为[10槽钢，间距0.4 m。

通过拆除支撑扁担、水平油缸及斜向丝杠撑，旋转I型中隔墙顶部模板作为T型中隔墙模板底板，将T型中隔墙模板底板转换成I型中隔墙顶部模板，增加调整块，在门架上设计T型横向移动滚轮，实现I型中隔墙与T型中隔墙浇筑模板系统共用。

2.4 台车液压油缸系统设计

T型中隔墙模板台车单侧共有液压油缸10个(油缸主要技术参数见表1)，油缸分别为门架升降4个，旋转2个，模板横向移动2个，模板伸缩2个。I型中隔墙模板台车单侧共有液压油缸8个，油缸分别为门架升降4个，模板横向移动1个，模板伸缩1个，支撑扁担移动伸缩2个。模板定位后门架顶部中隔墙悬臂长度为2.385 m。为避免模板横向倾倒，设置直径为70 mm的丝杠，间距1.5 m。

表1 油缸的主要技术参数 mm

在模板脱模时，模板水平脱模及竖向调整由液压系统完成，在模板定位及脱模时油缸采用同步装置，液压电机功率5.5 kW，工作压力16 MPa，避免同向升缩进程不同，从而引起模板体系变形。在模板与原二次衬砌接触部位，采用旋转油缸调节，避免模板与隧道的二次衬砌碰撞，便于台车脱模拆除。模板横向平整度由背楞保证，纵向刚度由门架保证。竖向脱模量150 mm，水平脱模量200 mm，确保脱模不影响已浇筑混凝土的质量。

2.5 台车行进系统设计

台车行进系统由主动行走机构组成，行走电机带动主动轮在钢轨上行走，钢轨质量为43 kg/m，轨距为3.95 m，台车单侧有4个驱动电机，功率1.25 kW。

2.6 台车横向丝杠及投料口设计

中隔墙模板台车由液压系统定位完成后，安装对拉丝杠，对拉丝杠采用φ20 mm精轧螺纹钢筋，纵向间距1.25 m，横向间距1.5 m。

混凝土浇筑采用地泵逐层同步浇筑。为保证中隔墙混凝土外观质量，在台车一侧设计投料口，纵向设计4个，尺寸450 mm×450 mm，投料口设置在台车模板的中部，满足混凝土自由落体高度。纵向4个窗口连接溜槽，达到分层同步浇筑的要求。通过窗口进行混凝土投料及插入式振捣。在台车竖向模板上安装附着式振捣器，纵向一侧4个，两侧共8个，与插入式振捣器同步作业。

3 中隔墙模板台车数值模拟

3.1 模板受力状态

分以下2种状态进行分析：

1)模板浇筑混凝土时，此时模板主要承受混凝土侧压力、自重、混凝土冲击力等，模板依靠内部拉杆进行受力，模板台架不受力。

2)台车走行时，台车门架主要承受自身重量及模板自重。

中隔墙模板台车所受荷载取值：混凝土侧压力50 kN/m2，倾倒混凝土时产生的竖向荷载取2 kN/m2，振捣混凝土对水平模板产生的荷载标准值取2 kN/m2。

3.2 材料主要参数

Q235钢弹性模量E=2.1×1011Pa，剪切模量G=0.81×105MPa，密度ρ=7 850 kg/m3；Q235钢轴向容许应力[σa]=140 MPa，弯曲容许应力[σw]=145 MPa，剪切容许应力[στ]=85 MPa，组合容许应力[σ组合]=160 MPa；容许挠度[f]=L/400=5 mm(L为计算跨径)[7]。

3.3 模型与结果分析

3.3.1 状态1

根据模板结构，采用MIDAS2015结构有限元计算软件，建立结构计算模型(见图3)进行分析。取其中一块模板建模进行分析[8]。

图3 结构计算模型(状态1)

横肋采用[10槽钢，其受力情况见图4。可见：横肋最大组合应力为85.6 MPa，小于组合容许应力160 MPa。

图4 横肋组合应力(单位：MPa)

模板结构的整体位移见图5。可见：最大整体位移3.1 mm，小于容许挠度5 mm，满足要求。

图5 模板结构整体位移(单位：mm)

3.3.2 状态2

对台车整体建模(见图6)分析，不再逐一对杆件进行分析。

图6 结构计算模型(状态2)

台车整体杆件组合应力见图7。可见：在最不利组合荷载作用下台车整体杆件最大组合应力为26.4 MPa，小于组合容许应力160 MPa，满足要求。

图7 台车整体杆件组合应力(单位：MPa)

台车整体杆件弯曲应力见图8。可见：在最不利组合荷载作用下台车整体杆件最大弯曲应力为14.4 MPa，小于弯曲容许应力145 MPa，满足要求。

图8 台车整体杆件弯曲应力(单位：MPa)

4 中隔墙模板台车在工程中的应用及验证

海底隧道用中隔墙模板台车安装施工流程如图9所示[9]。

图9 中隔墙模板台车安装施工流程

4.1 居中I型中隔墙模板台车关键施工技术

1)测量确定钢轨中心位置，摆放枕木铺设钢轨。

2)安装相应门架、竖向模板、液压千斤顶、丝杆等支撑系统。

3)在中隔墙模板上刷涂脱模剂(浓缩型乳白色脱模剂(SH-96B))，通过调节水平液压系统，使得中隔墙模板就位于设计位置，通过投料窗口浇筑混凝土，中隔墙模板之间通过丝杠紧固，浇筑混凝土。

浇筑顺序采用地泵逐层逐窗浇筑，下一环浇筑前先将台车固定端顶紧已完成衬砌，每环搭接长度5～7 cm，搭接处粘贴双面胶条，搭接过长或不粘贴胶条会造成环形施工缝处漏浆和出现错台现象，搭接过短会造成台车对已浇筑混凝土产生压力，出现裂缝等现象[10]。

4)每环浇筑完毕后台车推往未绑扎钢筋地段，对模板台架进行打磨作业，并涂刷脱模剂，确保台车模板面板光亮。

4.2 加宽I型中隔墙模板台车关键施工技术

1)通过测量，确定台车中心位置、高程等信息，与居中I型中隔墙模板台车不同之处在于隧道断面加宽，门架一侧不能放置在水沟平台上，在该侧添加调整块加高门架，使门架的两侧同时放置在底板上。

2)将居中I型中隔墙模板台车顶部调整块卸下，安装新的加长调整块，满足浇筑高度的要求。

4.3 T型中隔墙模板台车关键施工要点

1)测量放线，铺设钢轨。浇筑方法同上。

2)拆除支撑扁担、水平千斤顶及斜向丝杠撑，旋转I型中隔墙顶部模板作为T型中隔墙模板底板，在顶板的最外侧设置调节块，铺设小木方块与隧道二次衬砌密贴。台车模板利用液压油缸和台车下部滚轮横向移动，整体门架竖向移动脱模。

5 采用T-I型中隔墙模板台车的效益分析

以瓦贵区间海底隧道为例，进行经济效益测算。投入2台9 m中隔墙模板台车施工3.886 km中隔墙，二次衬砌施工完成1个月后中隔墙全部完成。将传统方法(小模板拼装搭设脚手架)和新工法(采用T-I型中隔墙模板台车)的费用和工期对比，见表2和表3。

表2 小模板拼装搭设脚手架费用及工期

表3 T-I型中隔墙模板台车费用及工期

对比表2和表3可以得出：在不考虑该工法工期提前减少相关费用的情况下，比传统方法节省费用135.02万元。

6 结论

针对大断面海底隧道用中隔墙模板台车的设计，采用MIDAS软件，对中隔墙模板台车的2种受力状态进行了数值模拟分析，验算了结构设计的合理性，并在青岛地铁1号线瓦贵区间海底隧道中应用，取得较好效果。得出结论如下：

1)瓦贵区间海底隧道中隔墙施工中，中隔墙模板台车施工1环9 m，24 h可循环1次。而传统的脚手架简易模板则需要96 h，大大加快了中隔墙的施工进度。从拆模效果来看，采用中隔墙模板台车施工衬砌表面平整光洁，达到了混凝土施工内实外美的效果。同时也节约了成本，保证了施工安全。

2)T-Ⅰ型中隔墙模板台车可完成居中Ⅰ型、加宽Ⅰ型、T型中隔墙的施工，其关键技术可靠、经济环保、工艺成熟。

3)采用中隔墙模板台车施工极大减少了人工、材料的支出，为项目节省了成本，保证了工期，并且提高了工程施工效率，具有环保、经济、高效、快速施工的优势，有着广阔的发展前景。