拆除隧洞混凝土襯砌模板

　　關(guān)鍵詞：有限元法,隧洞工程,臺(tái)車襯砌,拆模時(shí)間,拆模強(qiáng)度

　　1、工程概況

　　巴基斯坦杜伯華水電站項(xiàng)目位于巴基斯坦西北邊界省IndusKohistan區(qū),是一座高水頭、長(zhǎng)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(jì)水頭541m,引水隧洞長(zhǎng)4867m,裝機(jī)容量為130MW,年發(fā)電量約595GW.h。

　　引水隧洞長(zhǎng)4867m，斷面設(shè)計(jì)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(jìn)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(tái)車。

　　2、隧洞混凝土拆模時(shí)間

　　隧洞工程混凝土襯砌的拆模時(shí)間受圍巖的地質(zhì)條件、混凝土的設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)、水泥品種與標(biāo)號(hào)、跨度、荷載、溫度、濕度、施工工藝、外加劑類型、養(yǎng)護(hù)條件等諸多因素的影響和控制。頂拱承重模板的拆除時(shí)間，對(duì)隧洞混凝土襯砌施工進(jìn)度甚至整個(gè)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(shí)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(hù)錨桿對(duì)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(shí)間比其它現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的拆模時(shí)間短，可以在較短的時(shí)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(shí)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(tái)車，采用鋼模臺(tái)車襯砌隧洞混凝土具有移動(dòng)速度快、需要投入的勞動(dòng)力少、襯砌出的表面整潔的特點(diǎn)。鋼模臺(tái)車的模板采用大面積的整裝鋼模，拆裝和移位用配套的臺(tái)車。建造鋼模臺(tái)車需要耗用大量的鋼材，重達(dá)數(shù)十噸甚至上百噸，再加上液壓和行走機(jī)構(gòu)，單臺(tái)鋼模臺(tái)車造價(jià)很高。為節(jié)省施工成本，通過(guò)加快鋼模臺(tái)車襯砌循環(huán)以達(dá)到減少投入臺(tái)車數(shù)量的目的，提高鋼模臺(tái)車的使用效率。

　　提高鋼模臺(tái)車的周轉(zhuǎn)速度需要縮短鋼模臺(tái)車的周轉(zhuǎn)時(shí)間。鋼模臺(tái)車的周轉(zhuǎn)時(shí)間除了與臺(tái)車模板的安裝拆除、臺(tái)車的移動(dòng)、臺(tái)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(shí)間有關(guān)外，還與模板的拆除時(shí)間有關(guān)。襯砌澆筑完成以后，鋼模臺(tái)車必須等待一定的時(shí)間，在混凝土達(dá)到一定的強(qiáng)度后才能拆除。拆模時(shí)間的長(zhǎng)短會(huì)影響襯砌施工速度，特別是承重的頂拱模板拆除時(shí)間如果太長(zhǎng)，將會(huì)嚴(yán)重影響襯砌的施工進(jìn)度。如果能縮短拆模時(shí)間，對(duì)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(xiàng)目的關(guān)鍵線路上，關(guān)鍵線路上的項(xiàng)目一旦出現(xiàn)工期拖延，將會(huì)影響整個(gè)工程的完工期限。因此，縮短隧洞混凝土襯砌的模板拆除時(shí)間，加快臺(tái)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(shí)完工對(duì)保證整個(gè)工程的完工具有重要意義。

　　4、鋼模臺(tái)車襯砌混凝土荷載

　　引水隧洞采用鋼模臺(tái)車襯砌混凝土的荷載有以下特點(diǎn)：

　　(1)拆模時(shí)頂拱結(jié)構(gòu)僅承受混凝土的自重荷載。這是因?yàn)椋孩夙敼耙r砌時(shí)洞室開(kāi)挖和初期支護(hù)已完成，洞室已經(jīng)穩(wěn)定，洞室變形已經(jīng)很�。虎谟捎跐仓�混凝土設(shè)備的限制，頂拱混凝土澆筑時(shí)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(guò)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(huì)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?xí)r圍巖滲水往往通過(guò)預(yù)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(shí)，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(shí)，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(shí)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(shí)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(gè)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(dān)，不需要模板承擔(dān)。拆模時(shí)混凝土已達(dá)到一定強(qiáng)度，錨桿和鋼筋網(wǎng)一起在混凝土內(nèi)部形成一個(gè)個(gè)“支座”，相當(dāng)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(yīng)力。

　　(3)頂部拱的作用，減小了混凝土的拉應(yīng)力和拉應(yīng)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(dāng)于彈性固定于圍巖和下部混凝土上的無(wú)鉸拱。由于拱的作用，使頂拱混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)的拉應(yīng)力減小，甚至全部為壓應(yīng)力，這樣能盡量發(fā)揮混凝土的抗壓承載能力，對(duì)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(shí)間能承受自重和其它荷載。

　　5、混凝土拆模強(qiáng)度

　　有關(guān)混凝土的拆模強(qiáng)度，《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)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(shí)的混凝土強(qiáng)度應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求。當(dāng)設(shè)計(jì)無(wú)具體要求時(shí)，側(cè)模拆除時(shí)混凝土強(qiáng)度應(yīng)能保證其表面及棱角不因拆除模板而受損壞，底模的強(qiáng)度應(yīng)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(shí)，其強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)的混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的75％以上才能拆模；而跨度大于8m時(shí)，其強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)的混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的100％時(shí)才能拆模。如果按照上述強(qiáng)度拆模，拆模時(shí)間將長(zhǎng)達(dá)14～28d。

　　表1：底模拆除時(shí)混凝土強(qiáng)度要求

　　構(gòu)件構(gòu)件跨度按設(shè)計(jì)的混凝土抗壓強(qiáng)度

　　類型m標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)中“設(shè)計(jì)的混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值”系指與設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度等及相應(yīng)的混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

　　杜伯華水電站項(xiàng)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(duì)于拱型結(jié)構(gòu)拆除模板的時(shí)間為3天，見(jiàn)表2：Table11.4RemovalofFormwork。

　　但《水利水電工程模板施工規(guī)范》(DL／T5110—2000)同時(shí)也規(guī)定：經(jīng)過(guò)計(jì)算和試驗(yàn)復(fù)核，混凝土的實(shí)際強(qiáng)度已經(jīng)能夠承受自重及其它荷載時(shí)，可提前拆模。

　　6、提前拆模實(shí)例分析

　　巴基斯坦杜伯華水電站項(xiàng)目引水隧洞為馬蹄形，總長(zhǎng)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(tái)車，混凝土標(biāo)號(hào)為泵送混凝土C30，配合比見(jiàn)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(hào)類型混凝土

　　級(jí)別級(jí)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(guó)ACI211.1的標(biāo)準(zhǔn)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(kāi)挖時(shí)已采取初期支護(hù)，外部的圍巖應(yīng)力及內(nèi)部水壓力不考慮，因此，采用有限元法進(jìn)行混凝土應(yīng)力分析時(shí)僅考慮混凝土的自重。計(jì)算采用SAP2000V9有限元程序?qū)σ�水隧洞的頂拱混凝土進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算時(shí)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(yīng)力分析計(jì)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?jī)?nèi)側(cè)(圖2-2)；最大壓應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(guò)計(jì)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(yīng)力很小，最大壓應(yīng)力為113.5kPa，最大壓應(yīng)力為同期混凝土立方體抗壓強(qiáng)度的6%；隧洞受到的拉應(yīng)力也很小，最大拉應(yīng)力為51.23kPa,僅為同期混凝土立方體抗壓強(qiáng)度的2.7%。

　　通過(guò)采取有限元法對(duì)引水隧洞頂拱混凝土襯砌拆模時(shí)間進(jìn)行計(jì)算復(fù)核，證明雖然12～14h時(shí)混凝土的強(qiáng)度還很低（試驗(yàn)室檢測(cè)混凝土在14個(gè)小時(shí)的抗壓強(qiáng)度為1.88Mpa），但混凝土的實(shí)際強(qiáng)度已經(jīng)能夠承受自重及其它荷載。經(jīng)過(guò)計(jì)算和試驗(yàn)復(fù)核，顯示引水隧洞的頂拱混凝土強(qiáng)度已遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于拆模時(shí)所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)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(yǔ)

　　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(diǎn)，拆模時(shí)襯砌混凝土的內(nèi)應(yīng)力并不大，拉應(yīng)力及拉應(yīng)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(xì)觀察過(guò)提前拆模后的混凝土，未見(jiàn)任何異常，說(shuō)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(tái)車的循環(huán)周期，大大加快工程的進(jìn)度，降低工程成本。在保證質(zhì)量和安全的前提下，經(jīng)過(guò)采取有限元法分析計(jì)算和試驗(yàn)復(fù)核，混凝土的實(shí)際強(qiáng)度已經(jīng)能夠承受自重及其它荷載時(shí)，襯砌混凝土承重模板的拆模時(shí)間可以縮短至12～14h，通過(guò)對(duì)杜伯華水電站項(xiàng)目引水隧洞鋼模臺(tái)車襯砌混凝土施工，實(shí)踐證明提前拆模是可行的。