一种变断面的隧道衬砌模具

摘 要：介绍一种变断面的隧道衬砌模具，为变断面隧道衬砌模具的诞生奠基、铺路。
　　关键词：地铁；隧道；渡线；变断面；衬砌模具；施工技术
　　衬砌模具是隧道进入二次衬砌施工的主要设备，目前较先进的施工方法是按照隧道的标准断面制作衬砌台车，进入连续的衬砌作业；但是这种方法遇到断面变化地段就不灵了，传统的方法只能是采用人工立模，这种方法费工、费料，质量进度难以保证，劳民伤财；能否制作一种变断面的隧道衬砌模具、适应多种断面的需要？这是建设者多年的期盼与梦想！针对以上情况，我们经过研究，拟定了变断面隧道衬砌模具施工方案，力求抛砖引玉。
　　1 工程概况
　　北京地铁八号线“南-中”（南锣鼓巷-中国美术馆）区间渡线变断面隧道工程，位于美术馆东街，韬奋图书中心以西，里程：YDK21+267.825～YDK21+345.800；长68.975m，结构净宽5.55m～12.40m，净高5.41～7.98m，二次衬砌混凝土厚度0.3～0.7m，结构形状呈喇叭口状，分八种断面类型（2型～9型）逐步加大，见（图2-1）。
　　图2-1 “南-中”区间渡线变断面隧道工程平面图
　　覆土厚10.1～6.3m；地质：覆土部分分别为杂填土、粉质粘土、中细砂；拱部及以下分别为卵石、园粒、粉粘土、粘土、中细砂、卵石层；开挖方法：2型断面采用台阶法、3型～6型断面采用CRD法、7～9型断面采用双侧壁导坑法；目前隧道开挖即将完毕，准备进入二次衬砌施工，鉴于每种断面长度平均仅有5～10m，台车方案显然不经济；钢格构拱架方案需要投入大量的钢材；架子管支模方案存在劳动强度大、操作空间狭窄、断面尺寸难以控制、工期长等缺陷，模具问题成了一道难题。
　　2 模具设计
　　支承模板的钢拱架有受力大，刚度大的特点，进行变换断面设计难度的确很大；柔性结构受力又不够，怎么办呢？我们从以下几方面的研究得到了启示：
　　2.1 断面对比
　　采用7、8、9型拱架断面进行比较，见（图3.1-1）。
　　图3.1-1 拱架7、8、9型断面对比图
　　得出以下结论：
　　2.1.1 边墙拱架（AB段），7、8、9型其外轮廓线基本一致，有微量误差，忽略不计.
　　2.1.2 肩部拱架（BC段），7、8、9型其外轮廓线基本一致，C点有0～36mm误差，可取3个断面的平均值或最大断面外边线重新拟定C点。
　　2.1.3 变断面拱架（CD段），以C点为铰链；对于7型断面，两片CD在拱中部合拢，即完成拱架全部；对于8型断面，D7向上旋转至D8的位置，中线两面对称，加上活动拱架（长1.281m）即完成拱架全部；对于9型断面，D7向上旋转至D9的位置，中线两面对称，加上活动拱架（长2.616m）即完成拱架全部；CD段弧长2.894m，3个断面半径不一致，取其平均值，通过检验，最大误差2～7mm，其精确度完全满足要求。
　　2.1.4 活动拱架（DE段），D7～E7=0；D8～E8=1.281m；D9～E9=2.616m；它们都按各型拱架的设计尺寸制作。
　　2.2 变断面拱架制作原理
　　2.2.1 利用顶丝原理。采用什么构件使变断面拱架升高、加宽呢？开始我们想到的是工字钢、钢板连接件、螺栓连接，这种连接件的缺点是：（1）无动力，沉重的模具系统靠人力进行移动不能实现；（2）模具升降频繁，工字钢连接件无法升高降低。当提到“升降”二字，我们就联想起了“顶丝”，采用顶丝进行变断面的升高、加宽恰到好处；顶丝的缺点是铰链节点过多，变断面拱架横向必然晃动不稳定；采取加大铰链长度、加强纵向连接、设置临时剪刀撑的措施弥补顶丝的不足；顶丝工作原理见（图3.2.1-1，3.2.1-2）。
　　图3.2.1-1 拱架升高、加宽原理图
　　图3.2.1-2 拱架加宽顶丝布置平面图
　　通过图3.2-1可以看出：拱架体系分成左右两半，坐落在台架上，通过导向槽可以向两侧同步加宽，其变断面拱架一端铰链支座，一端升降，起到了变断面的过渡作用；按照所需要的变换断面尺寸，完成加宽、升高后，加上拱中部的活动拱架，就达到了变断面的目的。
　　2.2.2 利用千斤顶的动力。从图3.2-1可以看出：支承模具的台架系统由横梁、纵向连接件、立柱、底纵梁、顶丝、钢轨、枕木组成；为了使模具能纵向走动，垂直升降，达到支模、脱模的目的，需要在台架底部安装四个轮轴。
　　轮轴系统由盒套、千斤顶、垫块、轮轴组成，其千斤顶、垫块、轮轴均安装于盒体内，通过千斤顶的动力对模架体进行升降，其最大下降高度为300mm；顶丝的最大下降高度为330mm；通过挖掘最大的下降高度来满足脱模后，模板清污、涂抹脱模剂操作净空的需要。
　　3 模具加工
　　变断面模具比普通模具结构稍复杂，通常委托工厂或专业施工队加工，加工前，要详细绘制施工图纸，详细的进行技术交底，然后进料、检验、放线、下料、焊接、试拼装、检查验收、运往工地、现场组装。本工程衬砌方案见图2-1， 7型～9型断面需要6.0m长模具一台；按照以上理论及要点绘制施工图。
　　3.1 变断面7型～9型模具施工图（见图4.1-1）。
　　3.2 变断面模具加工及组装注意事项
　　3.2.1 变断面2型～6型模具边墙顶丝的伸长范围需要≥60cm，以适应各种断面的需要。
　　3.2.2 模板安装顺序以边墙铰链中心为缝中起始点，分别向上、下铺设，其规格型号按设计图，注意进料、振捣窗口的位置，模板与拱架之间采用钩头螺栓拉紧，注意边墙焊钢筋头承担其重量，局部点焊，防止模板整体下滑。
　　3.2.3 因模架弧线取的是平均值，部分断面及部位会出现线形不圆顺现象，采取的措施是对照设计图所标注的部位，在模板内侧垫木片进行调整，横断面图点画线表示设计外轮廓线，模板外线已加大3cm。