沉管预制全断面大型液压模板台车设计与应用技术

朱金波， 王 聪

(1.中交第二航务工程局有限公司第五工程分公司, 湖北 武汉 430040; 2.中交第二航务工程局有限公司，湖北 武汉 430040； 3.长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室， 湖北 武汉 430040； 4.交通运输行业交通基础设施智能制造技术研发中心， 湖北 武汉 430040)

0 引言

沉管隧道具有埋深浅、地质适应能力强、两岸连接线短、对环境影响小等优点，因此在国内外城市水下隧道工程中应用越来越广泛[1]。沉管预制可分为全断面预制和分次预制，常规项目一般采用分次预制，分为上下2次浇筑[2]。已建成的洲头咀沉管隧道、南昌红谷隧道[3]、天津海河隧道[4]和广州生物岛隧道[5]采用分次预制，其施工相对容易，但增加了施工缝的数量，容易产生渗水通道和因底板约束引起的外墙裂缝，造成质量缺陷，影响沉管的使用寿命。

混凝土自防水是沉管隧道防水的根本[6]，应尽可能地减少温度裂缝的出现，使混凝土自身成为永久的防水屏障[7]。全断面预制工艺能有效减少施工缝的数量，降低混凝土开裂的风险，提高沉管混凝土的自防水功能[8]。

沉管全断面预制工艺对模板的要求高。传统的沉管预制模板多采用钢木混合体系[9]，内模支撑多采用门式桁架结构[4,9]，廊道模板采用满堂支架结构，混凝土外观质量控制难度大、模板拆除时间长、施工效率低；外模通常采用对拉螺杆与内模板连接固定[4,5]，使外墙的渗水通道增加，降低了沉管的自防水性。因此随着沉管隧道建设的发展，传统钢木混合体系的散拼式模板难以满足全断面沉管的预制要求[8]。

港珠澳大桥沉管为工厂化预制，采用液压模板台车进行全断面预制，施工工艺先进，但其沉管为节段式，各小节沉管独立预制，纵向钢筋断开，相邻节段通过临时预应力拉索连接在一起[10]， 施工时模板固定不动，预制完成分段管节整体移动，无法满足干坞内整体顺浇法沉管预制。韩国釜山沉管为干坞内全断面预制，成品质量高，但其沉管采用跳舱法施工，节段为柔性接头，预制场地利用效率较低，施工周期较长。本文以襄阳市东西轴线项目沉管预制为工程背景，从设计、拼装及应用3个方面介绍全断面模板车台。该项目沉管为干坞内预制，首次采用全断面顺浇法工艺，消除了横向施工缝，提高了管节的自防水性[11]。项目共投入3套全断面液压模板台车，刚度及稳定性良好，有效保证了沉管的质量，同时工期和成本得到有效控制。

1 工程概况

襄阳市东西轴线项目沉管采用两孔一管廊结构，其中东汊沉管包含5 m小管节和6个标准管节(4个120.5 m+2个86.5 m), 沉管断面如图1所示。结构侧墙及顶底板厚度均为1.25 m，中隔墙厚0.6 m，行车道净宽12.55 m,结构全宽31.2 m，高9.2 m，管节总长120.5 m(或86.5 m)，分5(或4)个节段进行预制，单个节段长度为24.1 m(或21.625 m)。沉管底部设置8 mm的钢板作为防水结构和底模，侧墙及顶板设计聚脲防水涂料作为外包防水。

图1 沉管断面(单位： m)

2 液压模板台车设计

液压模板台车主要包括外模台车、内模台车、端模、液压和电气控制系统，如图2和图3所示。其中，内模台车包括行车道台车和廊道台车。

图2 模板台车横断面

图3 模板台车实物

2.1 设计原则

模板台车设计中需遵循以下原则：

1)预制管节固定不动，模板系统需整体移动；

2)混凝土为全断面一次浇筑；

3)行车道台车和廊道台车使用过程中，行走支腿需过底板钢筋，同时行走和就位时可左右纠偏；

4)两侧外模间距较大，行走需确保同步；

5)模板台车质量大，自身液压系统可完成脱模与合模；

6)单次浇筑混凝土方量大，模板刚度需满足规范要求；

7)施工缝端头钢筋伸出，并设有中埋式止水带，需考虑端模安装和拆除；

8)外模系统需提升顶板钢筋，完成体系转换。

2.2 设计参数

考虑混凝土为对称浇筑，荷载组合包括： 自重荷载、混凝土侧压力、施工荷载、顶板钢筋悬吊荷载和风荷载等。模板台车总体技术参数如表1所示。

表1 模板台车总体技术参数

2.3 总体结构

2.3.1 外模台车

外模台车主要包括顶层桁架、斜支撑侧模系统和行走系统，如图4所示。外墙模不设拉杆，这对提高墙体耐久性具有重要意义[9]。

图4 外模台车示意图

斜支撑侧模系统由桁架、面板、支撑结构和液压系统组成。为了保证模板的整体刚度，单侧侧模设17片桁架，每片桁架设置斜支撑和水平支撑；设纵向通长支撑墩作为反力结构。为防止模板上浮，单侧外模设34组抗浮拉杆，采用预埋螺杆+精轧螺纹钢结构。为便于模板开合，模板顶部和底部设横移油缸，上角模背部设开合油缸，外模台车背架设支腿提升油缸。

为确保外模台车行走同步性，在单侧外模底部设3组滑移小车，每组小车安装2个行走电机，且所有行走电机为集成控制。

2.3.2 行车道台车

行车道台车主要包括内模系统、支撑系统和液压自行走系统，如图5所示。模板的动作通过液压系统完成，移动到位后，再以人工方式用机械锁定装置固定[12]。

为满足刚度和整体性要求，内模面板由6 mm钢板和框架式背带组成，面板之间采用高强螺栓连接。支撑架与三角主桁架采用横向丝杆连接，便于模板净宽精调。

图5 行车道台车示意图

液压行走系统包括液压自行走机构、固定支腿和活动支腿等，滑移轨道设于主桁架底部，卡槽50 cm/道。台车采用步履式行走方式，即固定支腿持力，提升活动支腿，取出限位销，行走油缸送油，滑靴在轨道上进行滑移至挡块掉入卡槽，然后插入限位销，行走油缸回油，使模板台车整体行走0.5 m,依次重复即可，液压自行走机构如图6所示。

图6 液压自行走机构

为保证模板台车行走过程中可自行纠偏，活动支腿上部设横移油缸及限位丝杆。当模板台车横向位置需要纠偏时，支撑固定支腿，提升活动支腿，调节横向限位丝杆和横移油缸，至活动支腿到位后落地，然后提升固定支腿，调节油缸至模板台车到位。

2.3.3 廊道台车

廊道台车主要由面板、主桁架、行走系统和对拉螺杆组成，如图7所示。

图7 廊道台车示意图

主桁架为上下2层，纵向3段，共6块，相邻2桁架采用高强螺栓连接；廊道面板分块与行车道模板大致相同，按9排9列布置，共81片；行走系统包括2个固定支腿和2个活动支腿，行走原理与行车道台车相同。

为保证模板台车整体稳定性，中隔墙两侧的行车道台车和中管廊台车间设置对拉杆，按1.5 m×1.5 m布置，对拉杆采用φ25 mm精轧螺纹钢。

2.3.4 端模

端模系统分为钢端壳端模和节段端模。

由于钢端壳质量和体积较大，安装定位精度高，且受混凝土侧压力和焊接变形的影响，钢端壳端模采用刚度较大的槽型结构，单块质量为1 000 kg左右，由面板、加劲板和背支撑组成。

节段端模采用小型组合钢模结构，单块钢模质量小于20 kg，便于人工安装和拆除。施工缝端头有纵向主筋伸出，并有中埋式钢边止水带，因此节段端模上、下部采用了梳齿板形式，中间分块由6 mm的钢面板和"田"字形加劲板组成，上下分块间预留止水带安装空间，相邻分块采用螺栓连接，如图8所示。

图8 节段端模示意

2.3.5 液压和电气控制系统

2.3.5.1 液压系统

两侧行车道与廊道分别设置一套液压系统(如图9所示)，外模两侧距离较远，各设置一套液压系统，统一控制。

由于台车内部空间狭窄，采用分离式泵站，油箱+分布式阀块，其中内模台车泵站安装于台车端部，外模台车泵站安装于台车中部。泵站采用三联的联轴泵，单个电机控制，每块模板单独供油。每个阀块入口设置顺序阀，尽量减小油管长度的影响。采用液压锁进行油缸保压，同时采用变频调速的方式调节不同规格油缸动作时的速度。

2.3.5.2 电气控制系统

电气控制系统核心采用西门子S7-1200CPU，两侧行车道台车、廊道台车和外模台车单独控制，共4套控制系统，如图9所示。

图9 液压与电气控制系统布置示意

由于外模两侧间距较大，采用了分布式I/O，将两侧控制系统集成。操作面板采用工业级触摸一体机触摸屏控制。视频监控系统采用高清网络摄像头，可加装无线网桥与施工现场监控系统进行对接。系统搭配了智能远程控制终端，实现远程电脑、手机端实时监控，同时预留了RS-232、RS-485、RS-422、TCP/IP、USB等多种数据接口，可灵活整合施工现场各类数据。

2.4 主要受力构件核算

采用ANSYS有限元对模板台车进行仿真模拟，外模台车及行车道台车的应力及位移计算结果分别如图10和图11所示。

(a) 结构应力(单位： MPa)

(b) 位移(单位： mm)

Fig. 10 Diagram of structural stress and displacement of outer formwork trolley

由图10可知，外模台车桁架锚梁位置应力最大，σ=182.1 MPa

由图11可知，行车道台车的骨架最大应力σ=65.7 MPa

3 液压模板台车拼装

液压模板台车在工厂内分块加工并编号，按拼装顺序运输至现场。模板台车拼装遵循先下后上、先中后边、对称安装、整体调试的原则。

3.1 外模台车

3.1.1 拼装顺序

1)安装行走小车和侧模桁架，支撑丝杆斜撑于支撑墩上，整体向支撑墩方向微倾；

2)安装立模和上角模，并安装丝杆固定；

3)安装横移小车、油缸、油管及泵站；

4)单片顶层桁架拼装成整体，采用2台50 t的吊车抬吊，由中间向两端依次对称安装；

5)安装顶层连接桁架。

(a) 结构应力(单位： MPa)

(b) 位移(单位： mm)

3.1.2 注意事项

端部顶层桁架包含轨道梁，吊装过程中，为保证连接板竖直，轨道梁上设调节葫芦与吊钩连接。

3.2 行车道台车

3.2.1 拼装顺序

1)安装定位活动支腿、固定支腿及支撑油缸；

2)安装支腿底座、联系梁、滑靴及行走油缸；

3)依次安装主桁架、支撑丝杆、脱模油缸和支撑架；

4)依次对称安装顶模、上角模、立模和下角模；

5)安装人行道、爬梯、护栏、泵站、泵管、电气柜和电路。

3.2.2 注意事项

支撑架安装时采用型钢作为临时支撑。

3.3 廊道台车

3.3.1 拼装顺序

1)安装定位固定支腿、活动支腿及支撑油缸；

2)安装支腿底座、联系梁、滑靴及行走油缸；

3)依次安装上下层桁架、顶面板、开合油缸及丝杆；

4)上倒角模、立模、下角模拼装成整体，一次性起吊安装；

5)安装人行道、爬梯、护栏、泵站、泵管、电气柜和电路。

3.3.2 注意事项

桁架拼装完成后，两侧采用型钢作斜撑，防止倾倒。

4 液压模板台车应用

4.1 工艺流程

襄阳市东西轴线项目沉管预制采用五舱顺序流水法施工工艺，各工序可同时进行，相互干扰少， 显著提高了管节生产效率和质量[13]。防水底钢板铺设完成后，依次绑扎底板钢筋和侧墙钢筋，采用钢筋台车绑扎顶板钢筋，然后进行体系转换。内模台车与外模台车到位并加固，最后安装和加固端模，采用4台混凝土泵车全断面一次浇筑成型，五舱顺序流水法及沉管预制工艺流程如图12和图13所示。

图12 五舱顺序流水法施工示意

图13 沉管预制工艺流程

4.1.1 外模台车

外模台车行走前，驱动液压油缸，上倒角模翻转，背部支撑丝杆提升，侧模脱离混凝土面。外模台车采用电机驱动，沿轨道行走，30 min内可完成模板行走。

外模上倒角开设振捣孔和下料孔，其中振捣孔按1 m/道布置，下料孔按3 m/道布置。混凝土浇筑前，打开外模倒角的所有振捣孔和下料孔，浇筑至开孔位置，及时封闭孔洞。

4.1.2 内模台车

内模台车模板行走前，拆除行车道台车和廊道台车间的对拉杆，调节支撑丝杆，回收油缸至脱模状态。通过行走油缸驱动，步履式行走。台车就位后进行测量定位，采用液压油缸粗调，支撑丝杆精调，顺序依次为里程-标高-偏距。

中管廊台车底板需满铺竹胶板作为压模，预留振捣孔，防止中隔墙浇筑过程发生翻浆；行车道台车顶板按3 m/道设置下料孔，混凝土浇筑前安装6 m的长PE管作为串桶，底板浇筑完成后，拔出串桶，封闭下料孔。

4.1.3 梳齿型钢端模

底板钢筋绑扎完成后，将底部梳齿板卡入底部纵向主筋，下部"田"字板与梳齿板用螺栓连接；然后，装入中埋式钢边止水带，最后装入上部"田"字板和梳齿板，将止水带进行固定，如图14所示。

图14 端模加固

底部端模采用槽钢作为竖向背楞与纵向主筋焊接，并设斜向支撑与防水底钢板焊接；竖墙端模采用丝杆支撑，固定于内模和外模背楞上；顶板端模与底板端模基本相同，设竖向背楞，与纵向主筋焊接固定。纵向钢筋与端头模板孔洞间隙采用土工布和泡沫胶封堵，混凝土初凝后，立即清除。

4.2 体系转换

底板和竖墙钢筋绑扎完成后，将钢筋台车移入钢筋笼，进行顶板钢筋绑扎。外模台车位于已浇筑节段，在其顶层桁架下方悬挂手拉葫芦，每列手拉葫芦下方悬挂数根吊梁。顶板钢筋绑扎完成后，将外模台车调至脱模状态，行驶至顶板钢筋笼完成节段，每个吊梁下部悬挂花篮螺栓，最后采用钢丝绳将花篮螺栓与顶板劲型骨架连接。顶板钢筋体系转换如图15所示。

外模台车上的吊具均持力后，钢筋台车缓慢调至收缩状态并驶出钢筋笼。然后内模台车调至脱模状态驶入钢筋笼，内模台车到位后，测量定位，调至合模状态，同时紧固支撑丝杆。最后拆除外模台车上的钢丝绳及花篮螺栓，安装端模并加固。

图15 顶板钢筋体系转换

4.3 变形监测

混凝土浇筑过程中，采用全站仪和应力计对模板台车面板进行检测，平均2 h记录1次数据，累计最大变形值为3 mm，满足规范要求。拆模后，混凝土外观平整度高，相邻节段无明显错台，说明外模台车斜支撑桁架结构达到了预期效果，监测结果如表2所示。

表2 模板台车变形监测

5 结论与讨论

沉管全断面浇筑已成为行业发展的趋势，本文以襄阳市东西轴线项目为背景，探讨全断面液压模板台车的设计与应用。该项目共投入3套全断面液压模板台车，目前东汊6节沉管已全部预制完成，总结如下：

1)外模采用无拉杆斜支撑桁架结构，全断面一次浇筑成型，可减少侧墙渗水通道。

2)内模台车采用液压自行走机构，可实现台车的快速顺序移位，1个工作日内可完成拆模、行走与合模，提高了施工工效，减少了人工投入，降低了施工成本。

3)梳齿型组合钢端模拆除和安装方便，内模脱模前可完成安装；钢模、丝杆和型钢均可重复利用，减少了资源的浪费。

4)模板台车采用液压驱动系统、集成控制系统和后台远程监控系统，操作方便，整体运行稳定，为施工安全和进度提供了保障。

5)通过体系转换，可提前绑扎顶板钢筋，相邻节段浇筑时间控制在14 d以内，较同类项目，混凝土开裂风险大幅降低。

6)混凝土浇筑过程中，模板变形小，相邻管节无错台，成品尺寸偏差均在3 mm以内，满足相关规范要求。

尽管该模板台车的稳定性和实用性已得到很好的验证，但部分结构仍然有改进与优化的空间，针对一些特殊的要求或工况, 如: 曲线管节、变截面管节等, 还需进行针对性的研究。