杨立伟

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。endprint

3.2.4 在遇到断面变化处，其边墙模板东侧宽出已浇筑的砼挡头模，其边墙模板西侧应与原砼面平齐，为了使西侧模板与砼面有压缝长度，其西侧边墙模板接长20cm长短钢模压缝。

3.2.5 当模具移向变断面时，钢轨呈“之”字形逐步变换到新的位置，鉴于仰拱断面高低不平，容许用于模具行走的轨面标高提高5～10cm。

3.2.6 在进入5型断面施工时，台架、轨距要加宽，操作时，其台架底部必须搭设牢固的台架进行支承，确保安全。

4 施工方案

4.1 施工顺序

4.1.1 施作仰拱，分4个作业段施作完毕。

4.1.2 施作拱墙，由北向南每段5.1～6.0m（具体见图2-1），分15个作业段。

4.2 施工方法

4.2.1 仰拱衬砌施工

（1）采用跳格法破除中隔壁、设置临时钢支撑。间距2.0m，利用中隔壁工字钢22a，底部割去8～10cm；钢支撑周边80×80cm范围施作找平层、防水层、保护层；然后垫钢板，给钢支撑施加预应力后，焊填密实；（2）破除其余中隔壁仰拱部分，施作找平层、防水层、保护层；防水板与钢支撑周边预留防水板焊接牢固；（3）绑扎仰拱钢筋。注意错开预留边墙搭接或焊接长度；（4）矮边墙支模、浇筑砼。

4.2.2 拱墙衬砌施工

（1）破除初期支护，作业面按流水作业段布置，注意观察其沉降量，不容许多破；注意7型～9型断面需要保留的中隔板部位；（2）施作拱墙防水层、钢筋；（3）支模、浇筑砼。采用变断面隧道衬砌模具支模，注意挡头模封堵严密，加固牢固；采用泵送砼，输送泵入模，附着式震动器振捣；注意首先采用三通管对称浇筑两侧边墙，然后浇筑拱部；注意拱顶设置观察钢管，当接近灌满时，放慢进料速度，一旦灌满立即停泵，防止涨模跑模现象。

4.3 重点注意事项

4.3.1 本模具纵向距离短，浇筑砼受力后，台架容易前后移动，需要设置临时支撑对台架进行纵向锁定；边墙部位顶丝较长，其边墙模板与台架之间容易摆动发飘，需要在顶丝之间设置水平斜撑，确保边模纵向稳定；

4.3.2 本模具7型、8型、9型断面中隔板底部，需要设置临时支撑进行加固，中隔板上部立杆要横向锁定，防止台架晃动，边墙支撑要垂直于拱架，斜撑要凿坑并设钢筋桩固定，防止支撑滑动。

5 效益分析

5.1 本工程效益

将变断面移动模具施工方案与人工架子管支模方案相比较：变断面模具制作费用与架子管、方木、多断面模具加工费用大体相等；仰拱、防水、钢筋工程两种方案相等，只比较支模，浇筑砼。

5.1.1 采用架子管人工支模方案费用计算：15段，平均：15天/每段， 20个工/每天； 150元/个工。所需工期：15×15=225天； 所用工天：225×20=4500工天；所需费用：150×4500=675000元。

5.1.2 采用变断面模具支模方案费用计算：15段，平均：7天/每段， 7个工/每天， 150元/个工，安装模具增加15天。所需工期：15×7+15=120天； 所用工天：120×7=840工天；所需费用：150×840=126000元。

5.1.3 效益计算：缩短工期225-120=105天； 节约人工费：675000-126000=549000元；每缩短工期一天创效益2000元；合计创效益2000×105+549000=759000；效率比较：（675000+2000×102）/126000=7.023；结论：本工程变断面隧道衬砌模具创效益75.9万元；变断面模具效率是人工支模的7倍。

5.2 社会效益

在公路、铁路、地铁隧道工程中，在海底隧道工程中，经常遇到大喇叭口变断面隧道；这种工程在模具的资金投入上等于普通隧道的5倍以上，其施工效率只有普通隧道的1/7，是施工单位最讨厌、最头痛的地段；有了变断面隧道衬砌模具，问题就迎刃而解了；变断面隧道衬砌模具节约了大量的资金投入和劳动力资源，可使大量的建筑工人告别繁重的体力劳动，大大提升了建筑企业的施工及管理水平，社会效益特别显著。

6 结语

综上所述：变断面隧道衬砌模具方案可行性强、效率高超、势在必行；在本方案模具加工、使用过程中，难免会遇到新的问题，我们将一如既往，全身心地继续研究、改进，为变断面模具技术的开发与应用献计献策。

参考文献

[1] 中铁隧道勘测设计院有限公司.南锣鼓巷站[J].中国美术馆站区间结构设计图，2011年10月.endprint

3.2.4 在遇到断面变化处，其边墙模板东侧宽出已浇筑的砼挡头模，其边墙模板西侧应与原砼面平齐，为了使西侧模板与砼面有压缝长度，其西侧边墙模板接长20cm长短钢模压缝。

3.2.5 当模具移向变断面时，钢轨呈“之”字形逐步变换到新的位置，鉴于仰拱断面高低不平，容许用于模具行走的轨面标高提高5～10cm。

3.2.6 在进入5型断面施工时，台架、轨距要加宽，操作时，其台架底部必须搭设牢固的台架进行支承，确保安全。

4 施工方案

4.1 施工顺序

4.1.1 施作仰拱，分4个作业段施作完毕。

4.1.2 施作拱墙，由北向南每段5.1～6.0m（具体见图2-1），分15个作业段。

4.2 施工方法

4.2.1 仰拱衬砌施工

（1）采用跳格法破除中隔壁、设置临时钢支撑。间距2.0m，利用中隔壁工字钢22a，底部割去8～10cm；钢支撑周边80×80cm范围施作找平层、防水层、保护层；然后垫钢板，给钢支撑施加预应力后，焊填密实；（2）破除其余中隔壁仰拱部分，施作找平层、防水层、保护层；防水板与钢支撑周边预留防水板焊接牢固；（3）绑扎仰拱钢筋。注意错开预留边墙搭接或焊接长度；（4）矮边墙支模、浇筑砼。

4.2.2 拱墙衬砌施工

（1）破除初期支护，作业面按流水作业段布置，注意观察其沉降量，不容许多破；注意7型～9型断面需要保留的中隔板部位；（2）施作拱墙防水层、钢筋；（3）支模、浇筑砼。采用变断面隧道衬砌模具支模，注意挡头模封堵严密，加固牢固；采用泵送砼，输送泵入模，附着式震动器振捣；注意首先采用三通管对称浇筑两侧边墙，然后浇筑拱部；注意拱顶设置观察钢管，当接近灌满时，放慢进料速度，一旦灌满立即停泵，防止涨模跑模现象。

4.3 重点注意事项

4.3.1 本模具纵向距离短，浇筑砼受力后，台架容易前后移动，需要设置临时支撑对台架进行纵向锁定；边墙部位顶丝较长，其边墙模板与台架之间容易摆动发飘，需要在顶丝之间设置水平斜撑，确保边模纵向稳定；

4.3.2 本模具7型、8型、9型断面中隔板底部，需要设置临时支撑进行加固，中隔板上部立杆要横向锁定，防止台架晃动，边墙支撑要垂直于拱架，斜撑要凿坑并设钢筋桩固定，防止支撑滑动。

5 效益分析

5.1 本工程效益

将变断面移动模具施工方案与人工架子管支模方案相比较：变断面模具制作费用与架子管、方木、多断面模具加工费用大体相等；仰拱、防水、钢筋工程两种方案相等，只比较支模，浇筑砼。

5.1.1 采用架子管人工支模方案费用计算：15段，平均：15天/每段， 20个工/每天； 150元/个工。所需工期：15×15=225天； 所用工天：225×20=4500工天；所需费用：150×4500=675000元。

5.1.2 采用变断面模具支模方案费用计算：15段，平均：7天/每段， 7个工/每天， 150元/个工，安装模具增加15天。所需工期：15×7+15=120天； 所用工天：120×7=840工天；所需费用：150×840=126000元。

5.1.3 效益计算：缩短工期225-120=105天； 节约人工费：675000-126000=549000元；每缩短工期一天创效益2000元；合计创效益2000×105+549000=759000；效率比较：（675000+2000×102）/126000=7.023；结论：本工程变断面隧道衬砌模具创效益75.9万元；变断面模具效率是人工支模的7倍。

5.2 社会效益

在公路、铁路、地铁隧道工程中，在海底隧道工程中，经常遇到大喇叭口变断面隧道；这种工程在模具的资金投入上等于普通隧道的5倍以上，其施工效率只有普通隧道的1/7，是施工单位最讨厌、最头痛的地段；有了变断面隧道衬砌模具，问题就迎刃而解了；变断面隧道衬砌模具节约了大量的资金投入和劳动力资源，可使大量的建筑工人告别繁重的体力劳动，大大提升了建筑企业的施工及管理水平，社会效益特别显著。

6 结语

综上所述：变断面隧道衬砌模具方案可行性强、效率高超、势在必行；在本方案模具加工、使用过程中，难免会遇到新的问题，我们将一如既往，全身心地继续研究、改进，为变断面模具技术的开发与应用献计献策。

参考文献

[1] 中铁隧道勘测设计院有限公司.南锣鼓巷站[J].中国美术馆站区间结构设计图，2011年10月.endprint

3.2.4 在遇到断面变化处，其边墙模板东侧宽出已浇筑的砼挡头模，其边墙模板西侧应与原砼面平齐，为了使西侧模板与砼面有压缝长度，其西侧边墙模板接长20cm长短钢模压缝。

3.2.5 当模具移向变断面时，钢轨呈“之”字形逐步变换到新的位置，鉴于仰拱断面高低不平，容许用于模具行走的轨面标高提高5～10cm。

3.2.6 在进入5型断面施工时，台架、轨距要加宽，操作时，其台架底部必须搭设牢固的台架进行支承，确保安全。

4 施工方案

4.1 施工顺序

4.1.1 施作仰拱，分4个作业段施作完毕。

4.1.2 施作拱墙，由北向南每段5.1～6.0m（具体见图2-1），分15个作业段。

4.2 施工方法

4.2.1 仰拱衬砌施工

（1）采用跳格法破除中隔壁、设置临时钢支撑。间距2.0m，利用中隔壁工字钢22a，底部割去8～10cm；钢支撑周边80×80cm范围施作找平层、防水层、保护层；然后垫钢板，给钢支撑施加预应力后，焊填密实；（2）破除其余中隔壁仰拱部分，施作找平层、防水层、保护层；防水板与钢支撑周边预留防水板焊接牢固；（3）绑扎仰拱钢筋。注意错开预留边墙搭接或焊接长度；（4）矮边墙支模、浇筑砼。

4.2.2 拱墙衬砌施工

（1）破除初期支护，作业面按流水作业段布置，注意观察其沉降量，不容许多破；注意7型～9型断面需要保留的中隔板部位；（2）施作拱墙防水层、钢筋；（3）支模、浇筑砼。采用变断面隧道衬砌模具支模，注意挡头模封堵严密，加固牢固；采用泵送砼，输送泵入模，附着式震动器振捣；注意首先采用三通管对称浇筑两侧边墙，然后浇筑拱部；注意拱顶设置观察钢管，当接近灌满时，放慢进料速度，一旦灌满立即停泵，防止涨模跑模现象。

4.3 重点注意事项

4.3.1 本模具纵向距离短，浇筑砼受力后，台架容易前后移动，需要设置临时支撑对台架进行纵向锁定；边墙部位顶丝较长，其边墙模板与台架之间容易摆动发飘，需要在顶丝之间设置水平斜撑，确保边模纵向稳定；

4.3.2 本模具7型、8型、9型断面中隔板底部，需要设置临时支撑进行加固，中隔板上部立杆要横向锁定，防止台架晃动，边墙支撑要垂直于拱架，斜撑要凿坑并设钢筋桩固定，防止支撑滑动。

5 效益分析

5.1 本工程效益

将变断面移动模具施工方案与人工架子管支模方案相比较：变断面模具制作费用与架子管、方木、多断面模具加工费用大体相等；仰拱、防水、钢筋工程两种方案相等，只比较支模，浇筑砼。

5.1.1 采用架子管人工支模方案费用计算：15段，平均：15天/每段， 20个工/每天； 150元/个工。所需工期：15×15=225天； 所用工天：225×20=4500工天；所需费用：150×4500=675000元。

5.1.2 采用变断面模具支模方案费用计算：15段，平均：7天/每段， 7个工/每天， 150元/个工，安装模具增加15天。所需工期：15×7+15=120天； 所用工天：120×7=840工天；所需费用：150×840=126000元。

5.1.3 效益计算：缩短工期225-120=105天； 节约人工费：675000-126000=549000元；每缩短工期一天创效益2000元；合计创效益2000×105+549000=759000；效率比较：（675000+2000×102）/126000=7.023；结论：本工程变断面隧道衬砌模具创效益75.9万元；变断面模具效率是人工支模的7倍。

5.2 社会效益

在公路、铁路、地铁隧道工程中，在海底隧道工程中，经常遇到大喇叭口变断面隧道；这种工程在模具的资金投入上等于普通隧道的5倍以上，其施工效率只有普通隧道的1/7，是施工单位最讨厌、最头痛的地段；有了变断面隧道衬砌模具，问题就迎刃而解了；变断面隧道衬砌模具节约了大量的资金投入和劳动力资源，可使大量的建筑工人告别繁重的体力劳动，大大提升了建筑企业的施工及管理水平，社会效益特别显著。

6 结语

综上所述：变断面隧道衬砌模具方案可行性强、效率高超、势在必行；在本方案模具加工、使用过程中，难免会遇到新的问题，我们将一如既往，全身心地继续研究、改进，为变断面模具技术的开发与应用献计献策。

参考文献

[1] 中铁隧道勘测设计院有限公司.南锣鼓巷站[J].中国美术馆站区间结构设计图，2011年10月.endprint