一种适用于大跨度洞室穹顶二次衬砌模板装置及施工方法与流程

1.本发明涉及一种适用于大跨度洞室穹顶二次衬砌模板装置及施工方法，属地下工程技术领域。


背景技术：

2.近年来，我国地下能源储备发展呈良好态势，愈来愈多的大跨度洞室进入规划和施工阶段。二次衬砌是在初期支护内侧施作的模筑混凝土或钢筋混凝土衬砌，与初期支护共同组成复合式衬砌。传统的隧道二次衬砌主要配合衬砌台车施工，施工方便且施工效果好。
3.然而，地下大跨度洞室穹顶结构复杂，跨度较大，工作面与地面距离较远，存在工人施工困难、机械操作效率低、混凝土浇筑困难、无法保证衬砌质量等问题，并且存在安全隐患。
4.普通隧道衬砌结构无法满足大跨度洞室穹顶的二衬要求，需要在此基础上进行创新改进得出一种新型的衬砌系统以满足大跨度洞室穹顶二衬的要求。


技术实现要素：

5.本发明的目的是，为了解决大跨度洞室穹顶的二次衬砌要求，提出一种适用于大跨度洞室穹顶二次衬砌模板及施工方法。
6.本发明实现的技术方案如下，一种适用于大跨度洞室穹顶的二次衬砌模板装置，包括穹顶模板、顶模立柱、顶模弦梁、上纵梁、加强撑、主立柱、液压缸、调节丝杆千斤和底部垫板；所述顶模立柱垂直于地平面通过焊接的连接板与穹顶模板下端螺栓连接；所述顶模弦梁和顶模立柱交接处设置一直角焊接板；所述加强撑通过焊接板上预留的螺栓孔固定在顶模弦梁和顶模立柱上；所述上纵梁与顶模弦梁、顶模立柱之间焊接连接；液压缸通过螺钉固定在上纵梁和主立柱之间；主立柱底端焊接连接板，与丝杆千斤上部垫板螺栓连接；丝杆千斤底部搭设锁脚装置，固定在地面20mm厚的底部垫板上。
7.所述穹顶模板整体呈球面状，由中心整圆和四组圆环组成；四组圆环在圆周方向被分别均匀分成4种不同规格尺寸的扇形模块；除中心整圆的圆状钢模块为整体，为第五环可拼装模板；其他每一组圆环由30块相同型号钢模块构成，由圆心往外分别为第四环可拼装模板、第三环可拼装模板、第二环可拼装模板和第一环可拼装模板；所述穹顶模板上分布了多个浇筑窗口，浇筑窗口大小为500mm
×
500mm，每个浇筑窗口预留4个注浆孔，注浆孔孔径为32mm；第五可拼装模板设有两个对称分布的浇筑窗口；第四环可拼装模板有10个浇筑窗口，每隔2个扇形模块设有一个浇筑窗口；第三环可拼装模板有15个浇筑窗口，每隔1个扇形模块设有一个浇筑窗口；第二环可拼装模板有30个浇筑窗口，每个扇形模块都设有一个浇筑窗口；第一环可拼装模板不设浇筑窗口。
8.一种适用于大跨度洞室穹顶二次衬砌模板的施工方法，步骤如下：
9.(1)排查施工区域内临时设施管线，完成场地的布置，临时用电、安全设施准备就
绪；
10.(2)底部环形分层铺设，每层不超过1.5m；下层铺设完毕后，再进行上一层施工，最后铺设穹顶区域，人工使用风镐对初支表面进行凿平处理，然后铺设土工布，土工布不小于400g/
㎡
，在土工布表面安放与防水卷材相同材料的垫片，并打入射钉固定土工布，固定间距不超过1m，再铺设1.2mm厚高分子自粘胶膜(丁基胶)防水卷材；
11.(3)防水卷材铺设检验完毕后、搭设作业台架，确定出钢筋固定断面，标出定位点，在定位点处搭设固定钢筋的骨架；
12.(4)钢筋安装按照先穹顶下层钢筋，后穹顶上层钢筋；先主筋，后纵向连接筋、箍筋的顺序施做；主筋要进行预弯加工处理，确保钢筋能够满足穹顶弧度的要求；
13.(5)在钢筋外侧环形挂设小型摄像头，分4层均匀分布，竖直距离为1.5m，由下到上依次递减，分别为15、10、7、5个，用于浇筑混凝土时监测模板内混凝土浇筑情况；内层钢筋挂设5cm厚砂浆垫块，以确保混凝土浇筑后钢筋净保护层厚度；
14.(6)将所有模板在底部拼装成一个整体，然后通过4m高的支撑立柱将穹顶曲面模板安装好；其次利用10条液压油缸将穹顶模板上升到衬砌位置，最后将所有的主立柱安装好，替换液压缸；
15.(7)混凝土采用自动计量拌合站集中搅拌，拌合站按试验室出具的配料通知单进行配料；
16.(8)灌注混凝土之前，曲面模板外表面涂抹脱模剂，以减少脱模时的表面粘力；浇筑时，先从模板最下排窗口注入，最下排窗口共30个，同时施工，在穹顶模板内侧安装附着式振捣器，利用监控设备观看混凝土浇筑情况，对振捣不理想的部位，要配合人工手持振捣器进行振捣；
17.(9)对穹顶模板孔隙要用薄海绵条堵塞密实，若发现穹顶模块之间发生错台现象，需要调节底部调节丝杆千斤，对向钢筋侧突出的模板，通过丝杆千斤使顶升这份模板的支架稍微往下，与其他模板重合；对向洞内凹陷的模板，需要调节丝杆千斤升高支架，将其顶升回原来的位置；
18.(10)二衬浇筑完成后2h内进行衬砌背后注浆，利用穹顶顶部预留的四个注浆孔，配合注浆一体机施工，保证衬砌背后饱满密实；
19.(11)混凝土强度达到设计值的80％时拆除模板，拆模完成6～18h后，开始对混凝土进行洒水养护，保持混凝土表面湿润。对有缺陷部分在拆模后24h内完成整修。
20.本发明的有益效果是，
21.本发明中的穹顶模板可满足大跨度洞室穹顶的二衬施工要求，安全可靠，可以保证施工人员及施工设备的安全；本发明中的二次衬砌模板为可拼装式模板，灵活性较强，可以快速组装和拆卸，并且便于运输和存放；本发明中的支架底部安装调节丝杆千斤，顶升过程中配合液压缸可以精确地将模板顶升到衬砌位置，在浇筑混凝土过程中，穹顶模板出现错台现象，可以通过丝杆千斤将模板调至原来的位置；本发明中的穹顶模板在浇筑混凝土时，多数工人从不同窗口同时浇筑，一次性浇筑完成，极大地缩短了施工周期，并且可以保证衬砌质量；本发明通过在钢筋外侧挂设的小型摄像头，可以实时监测混凝土浇筑情况，对浇筑情况不利的部位，可以及时进行处理。
22.本发明通过调节其中一些关键参数，可以使本发明二次衬砌模板适用于其他不同
规模的地下洞室穹顶二衬施工。
附图说明
23.图1为本发明中的二衬模筑混凝土曲面模板俯视图；
24.图2为本发明中的二衬模筑混凝土曲面模板a-a截面图；
25.图3为本发明中的加强撑-顶模立柱-顶模弦梁部位连接示意图；
26.图4为本发明中浇筑窗口及监控设备安装位置图；
27.图5为本发明中顶模立柱和连接板连接俯视图；
28.图6为本发明中顶模立柱和连接板连接正视图；
29.图7为本发明中的顶模立柱-顶模弦梁-上纵梁-主立柱部位连接示意图；
30.图8为本发明中的主立柱和剪刀撑连接示意图；
31.图9为本发明中的丝杆千斤示意图；
32.图10为本发明中的工作方法流程图；
33.图中：1是底部垫板；2是调节丝杆千斤；3是笼梯；4是液压缸；5是剪刀撑；6是穹顶模板；6-1是第一环可拼装模板；6-2是第二环可拼装模板；6-3是第三环可拼装模板；6-4是第四环可拼装模板；6-5是第五环可拼装模板；7是主立柱；8是浇筑窗口；9是上纵梁；10是螺孔；11是连接板；12是拱架；13是监控设备；14是顶模弦梁；15是顶模立柱；16是固定板；17是螺栓；18是焊接板；19是加强撑；20是防护网；21是注浆孔。
具体实施方式
34.本发明的具体实施方式如附图所示。
35.如图2所示，一种适用于大跨度洞室穹顶的二次衬砌模板装置包括穹顶模板6、浇筑窗口8、拱架12、连接板11、螺栓17、顶模立柱15、顶模弦梁14、上纵梁9、加强撑19、主立柱7、液压缸4、调节丝杆千斤2、底部垫板1等。特别地，穹顶模板6选用δ＝8mm钢板；连接板11选用δ＝12mm钢板；加强撑19选用l80
×
6等边角钢；顶模立柱15选用20b#工字钢；顶模弦梁14选用20b#工字钢；上纵梁9选用h294
×
200h型钢；主立柱7选用h200
×
200h型钢。
36.如图1所示，穹顶模板6整体呈球面状，由5种不同规格尺寸的钢模块组成，每一环钢模块为同一型号模块，除中间圆状钢模块6-5为整体，其他钢模块各30个，中间模块中心预留4个注浆孔21，注浆孔21孔径为32mm；浇筑窗口8大小为500mm
×
500mm，分4圈、由内到外均匀设置在4种不同规格尺寸的钢模块上；穹顶中心最高点为极点，竖直向上为极轴建立坐标系，第一圈窗口共2个，坐标为(1000mm,81
°
)；二圈窗口共10个，坐标为(4000mm,71
°
)；三圈窗口共15个，坐标为(6400mm,62
°
)；四圈窗口共30个，坐标为(8000mm,53
°
)；在穹顶模板6下方紧贴着相同弧度的拱架12，用于支撑穹顶模板6；
37.加强撑、顶模立柱与顶模弦梁部位的连接如图3所示；顶模立柱和连接板连接如图5和图6所示；顶模立柱、顶模弦梁、上纵梁和主立柱部位的连接如图7所示；主立柱和剪刀撑连接如图8所示。
38.顶模立柱15通过焊接的连接板11与拱架12下端螺栓连接；顶模悬梁14和顶模立柱15交接处设置一直角焊接板18，同时焊接板18上预留着螺栓孔，加强撑19通过焊接板18上预留的螺栓孔固定，使得支架更加稳固牢靠，上纵梁9与顶模悬梁14、顶模立柱15之间焊接
连接；液压缸4通过螺钉固定在上纵梁9和主立柱7之间，用于模板上升过程中，将穹顶模板6顶升到衬砌位置；主立柱7底端焊接连接板，与丝杆千斤2上部垫板螺栓连接；主立柱7设置在两块模板交接处的下方位置，总共分3圈，最外圈30根立柱，第2圈同时与上纵梁9连接，共15根，最内圈6根；丝杆千斤2底部搭设锁脚装置，固定在地面20mm厚的底部垫板1上。
39.为了指导调整不同工况下曲面模板的设计方案，需要对影响曲面模板安全系数的关键参数设计校核方法，关键参数包括穹顶模板强度及刚度、加强撑强度及刚度、连接板强度及刚度、顶模立柱强度、顶模悬梁强度及刚度、上纵梁强度及刚度、主立柱强度，具体校核方法如下：
40.1、定衬砌模板荷载设计值
41.①
穹顶模板最大侧压力计算方法：
[0042][0043]
f＝γch
[0044]
取其中较小值。
[0045]
式中：f为新浇筑混凝土对模板的最大侧压力；γc为混凝土的重力密度；v为混凝土的浇灌速度；t0为新浇混凝土的初凝时间，可按实测确定。当缺乏试验资料时，可采用t0＝200/(t 15)(t为混凝土的温度)；β1为外加剂影响修正系数。不掺外加剂时取1.0；掺具有缓凝作用的外加剂时取1.2；β2为混凝土坍落度影响修正系数。当坍落度小于30mm时，取0.85；坍落度为50～90mm时，取1.00；坍落度为110～150mm时，取1.15。h为混凝土侧压力计算位置处至新浇混凝土顶面的总高度。
[0046]
②
衬砌模板荷载设计值＝新浇筑混凝土对穹顶模板的最大侧压力 混凝土浇筑时的振动荷载。
[0047]
2、穹顶模板强度及刚度校核：
[0048]
①
简化为受均布荷载的简支梁：
[0049]
最大弯矩m＝0.125
×
ql2；
[0050]
最大挠度
[0051]
q＝pb；
[0052]
式中：q为均布荷载；p为衬砌模板荷载设计值；b为连接板间距；l为加强撑间距；e为穹顶模板弹性模量；i为穹顶模板惯性矩。
[0053]
②
判断校核穹顶模板整体强度，是否满足若满足，则通过校核；
[0054]
③
判断校核穹顶模板整体刚度，是否满足f≤[f]；若满足，则通过校核；
[0055]
3、加强撑强度及刚度校核：
[0056]
①
简化为受均布荷载的两端固定梁：
[0057]
最大弯矩m＝0.042
×
ql2；
[0058]
最大挠度
[0059]
式中：q为均布荷载；l为连接板间距；e为加强撑弹性模量；i为加强撑惯性矩。
[0060]
②
判断校核加强撑整体强度，是否满足若满足，则通过校核；
[0061]
③
判断校核加强撑整体刚度，是否满足f≤[f]；若满足，则通过校核；
[0062]
4、顶模立柱强度校核：
[0063]
①
简化为等截面直杆中心压缩：
[0064]
最大正应力
[0065]
式中：p
max
为穹顶模板对顶模立柱的最大竖向荷载；a为顶模立柱的横截面面积。
[0066]
②
判断校核顶模立柱整体强度，是否满足δ≤[δ]；若满足，则通过校核；
[0067]
5、顶模悬梁强度及刚度校核：
[0068]
①
简化为受集中荷载的两端固定梁：
[0069]
最大的荷载p＝穹顶模板对顶模立柱的最大竖向荷载 穹顶模板和顶模立柱自重；
[0070]
最大弯矩m＝0.125
×
ql2；
[0071]
最大挠度
[0072]
式中：l为上纵梁间距；e为顶模悬梁弹性模量；i为顶模悬梁惯性矩。
[0073]
②
判断校核顶模悬梁整体强度，是否满足若满足，则通过校核；
[0074]
③
判断校核顶模悬梁整体刚度，是否满足f≤[f]；若满足，则通过校核；
[0075]
6、上纵梁强度及刚度校核：
[0076]
①
简化为受集中荷载的简支梁：
[0077]
最大弯矩m＝0.25
×
pl；
[0078]
最大挠度
[0079]
式中：p为最大荷载；l为简支梁跨距；e为上纵梁弹性模量；i为上纵梁惯性矩。
[0080]
②
判断校核上纵梁整体强度，是否满足若满足，则通过校核；
[0081]
③
判断校核上纵梁整体刚度，是否满足f≤[f]；若满足，则通过校核；
[0082]
7、连接板强度及刚度校核方法与穹顶模板校核方法一致，主立柱强度校核方法与顶模立柱强度校核方法一致。
[0083]
本实施例一种适用于大跨度洞室穹顶二次衬砌模板的工作方法，步骤如下：
[0084]
s1.熟悉施工现场布置情况、施工环境，排查施工区域内临时设施管线，完成场地的布置，临时用电、安全设施等准备就绪。
[0085]
s2.底部环形分层铺设，每层不超过1.5m，下层铺设完毕后，再进行上一层施工，最后铺设穹顶区域，厚人工使用风镐对初支表面进行凿平处理，然后铺设土工布(不小于400g/
㎡
)，在土工布表面安放与防水卷材相同材料的垫片，并打入射钉固定土工布，固定间距不超过1m，再铺设1.2mm厚高分子自粘胶膜(丁基胶)防水卷材。
[0086]
s3.防水卷材铺设检验完毕后、搭设作业台架，确定出钢筋固定断面，标出定位点，在定位点处搭设固定钢筋的骨架。
[0087]
s4.钢筋安装按照先穹顶下层钢筋，后穹顶上层钢筋；先主筋，后纵向连接筋、箍筋的顺序施做。主筋要进行预弯加工处理，确保钢筋能够满足穹顶弧度的要求。
[0088]
s5.在钢筋外侧环形挂设小型摄像头，分4层均匀分布，竖直距离为1.5m，由下到上依次递减，分别为15、10、7、5个，用于浇筑混凝土时监测模板内混凝土浇筑情况；内层钢筋挂设5cm厚砂浆垫块(砼垫块用衬砌同级砼预制)，以确保混凝土浇筑后钢筋净保护层厚度。
[0089]
s6.安排10名工人将所有模板在底部拼装成一个整体，然后通过4m高的支撑立柱将穹顶曲面模板安装好，其次利用10条液压油缸将圆顶模板上升到衬砌位置，最后将所有的主立柱安装好，替换液压缸，整个过程大致需要7天。
[0090]
s7.混凝土采用自动计量拌合站集中搅拌，拌合站按试验室出具的配料通知单进行配料，6采用砼运输罐车运送，在运输过程中要避免出现离析、漏浆等现象，确保入模混凝土的质量。
[0091]
s8.灌注混凝土之前，曲面模板外表面涂抹脱模剂，以减少脱模时的表面粘力。浇筑时，先从模板最下排窗口注入，最下排窗口共30个，同时施工，在穹顶模板内侧安装附着式振捣器，利用监控设备观看混凝土浇筑情况，对振捣不理想的部位，要配合人工手持振捣器进行振捣。
[0092]
s9.要密切关注模板在浇筑过程中是否会出现漏浆等现象，对穹顶模板孔隙要用薄海绵条堵塞密实，若发现穹顶模块之间发生错台现象，需要调节底部调节丝杆千斤，对向钢筋侧突出的模板，通过丝杆千斤使顶升这份模板的支架稍微往下，与其他模板重合；对向洞内凹陷的模板，需要调节丝杆千斤升高支架，将其顶升回原来的位置。
[0093]
s10.二衬浇筑完成后2h内进行衬砌背后注浆，利用穹顶顶部预留的四个注浆孔，配合注浆一体机施工，保证衬砌背后饱满密实。