郭建清 張 浩 張橋梁

(中國華冶科工集團(tuán)有限公司)

大型異形結(jié)構(gòu)拼裝馬頭門鋼模板安全高效施工技術(shù)*

郭建清 張 浩 張橋梁

(中國華冶科工集團(tuán)有限公司)

以本溪思山嶺鐵礦SJ1副井工程為背景，為解決該工程施工過程中大斷面馬頭門安全高效施工技術(shù)問題，試驗使用大型異形結(jié)構(gòu)拼裝馬頭門鋼模板進(jìn)行支模澆筑。針對該異形結(jié)構(gòu)拼裝馬頭門鋼模板在制作加工過程中的難點，采取有效措施保證鋼模板準(zhǔn)確加工，同時依據(jù)工程實際條件對整套鋼模板的結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行驗算并進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用。結(jié)果表明：在思山嶺鐵礦SJ1副井工程+187，-480，-600 m馬頭門施工過程中，該套模板保證了馬頭門工程的安全高效施工，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

豎井 馬頭門 鋼模板 結(jié)構(gòu)受力 施工技術(shù)

經(jīng)過長時間的大規(guī)模開采，我國淺部礦產(chǎn)資源日漸枯竭，礦山開采逐漸向深部轉(zhuǎn)移，豎井作為深部礦產(chǎn)資源開發(fā)的首選開拓方式，其深度和斷面也逐漸擴(kuò)大。礦山建設(shè)中，井筒施工是關(guān)鍵，其工程量僅占全部工程量的4%～5%，工期卻約占35%[1]。馬頭門是井筒和巷道連接的關(guān)鍵部位，其斷面大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，極易出現(xiàn)質(zhì)量事故和安全事故，采用分層施工技術(shù)可降低施工難度，減小臨時支護(hù)面積，但支模澆筑工藝仍極大制約了馬頭門的安全高效施工[2-5]。在本溪思山嶺鐵礦SJ1副井掘砌工程施工中，井筒深1 497.9 m，凈直徑10.0 m，馬頭門凈寬8.4 m、高7 m、長7 m，采用錨網(wǎng)一次性支護(hù)+500 mm的雙層鋼筋混凝土永久支護(hù)方式。根據(jù)施工經(jīng)驗及工程實際情況，馬頭門澆筑模板采用大型異形結(jié)構(gòu)拼裝鋼模板，該模板可重復(fù)利用，安裝方便，混凝土支護(hù)整體觀感較好。但該大型異形結(jié)構(gòu)鋼模板的加工制作工藝難度較大，特別是馬頭門與井筒相貫線部分，通過圖紙無法確定異形板的具體尺寸，且馬頭門澆筑量較大、跨度大，因此有必要對該大型異形結(jié)構(gòu)拼裝馬頭門鋼模板進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力驗算。

1 工程概況

思山嶺鐵礦SJ1副井工程井口標(biāo)高+215.200 m，井底標(biāo)高1 282.700 m(含封底厚600 mm)，井筒深度1 497.9 m，井筒凈直徑10.0 m，井筒正常段采用600 mm厚素混凝土永久支護(hù)。設(shè)計共20個單側(cè)馬頭門、一個雙側(cè)馬頭門以及管子道平臺3個。井筒標(biāo)高-585.500 m以上支護(hù)混凝土強(qiáng)度為C30，-585.500 m以下支護(hù)混凝土強(qiáng)度為C40。馬頭門凈寬8.4 m，長7 m，傾斜式，前高后低，馬頭門開口凈高7 m，與巷道連接處凈高5.1 m。馬頭門拱部為三心拱，大拱半徑5 812 mm，小拱半徑2 192 mm，支護(hù)厚度500 mm，鋼筋保護(hù)層厚度40 mm。馬頭門處的操作硐室拱部為三心拱，操作硐室凈寬3 m，大拱半徑2 076 mm，小拱半徑783 mm，墻高2 m，操作硐室中心線距井筒中心線10 m，支護(hù)厚度400 mm，鋼筋保護(hù)層厚度40 mm，混凝土強(qiáng)度與井筒同等級。

2 馬頭門模板設(shè)計制作方案

2.1 馬頭門模板設(shè)計方案

2.1.1 拼裝式鋼模板

拼裝式鋼模板包括主硐室側(cè)墻模板、主硐室頂面模板、小硐室側(cè)墻模板、小硐室頂面模板等。鋼模板材料：面板為4 mm厚的鋼板，橫肋板為63 mm×6 mm鋼板，豎肋板為63 mm×6 mm鋼板。肋板間距300 mm(豎肋間距最大間距300 mm)，面板間采用AM12×40 mm連接螺栓，拼裝式鋼模板如圖1所示。

2.1.2 鋼支撐架

鋼支撐架包括主硐室不同截面的支撐架及拱支撐圈、小硐室支撐架及支撐圈等。鋼支撐架分為支撐架和拱支撐圈。支撐架是模板的骨架，又分為立柱和橫梁，立柱與橫梁采用16#工字鋼制作，立柱與立柱、立柱與橫梁的連接板采用12 mm厚的鋼板制作，立柱地腳板采用16 mm厚的鋼板制作，其余連接板均采用10 mm厚的鋼板制作。立柱的高度第一層1.5 m，第二層1.9 m，且保持水平(主要考慮便于搭設(shè)作業(yè)平臺)。橫梁根據(jù)馬頭門寬度分為2段。拱支撐圈主要作用為連接鋼支撐架(立柱)與鋼模板，可通過調(diào)節(jié)螺栓微調(diào)拱部高度，采用10#工字鋼制作成拱形，拱弧度與馬頭門一致，拱部支撐圈在其端部焊接鋼板，通過鋼板上螺栓進(jìn)行連接。鋼支撐架見圖2。

圖1 拼裝式鋼模板(單位：mm)

圖2 鋼支撐架(單位：mm)

2.1.3 連接支撐架及背楞調(diào)整螺栓(正反扣)

連接支撐架主要指兩側(cè)排與排間、立柱間的連接結(jié)構(gòu)，采用16#槽鋼制作，上下間距1.0 m，其長短根據(jù)馬頭門支護(hù)末端至井筒整體模板距離而定(亦可適當(dāng)減小)，連接架與立柱通過螺栓連接，與模板間通過鋼板制作托盤連接。背楞調(diào)節(jié)螺栓為正反扣，連接長度345 mm，可調(diào)節(jié)范圍±50 mm。

2.2 馬頭門模板加工工藝

在根據(jù)初步設(shè)計要求加工馬頭門鋼模板時，除去馬頭門與井筒相貫線部位模板外，其他部位模板按一定尺寸切割加工，盡量減少模板數(shù)量，同時確保單塊模板重量在一定范圍內(nèi)，便于安裝拆卸。馬頭門模板加工難點在于馬頭門與井筒整體模板相貫線部位以及無立柱支撐拱部模板的固定(靠井中馬頭門兩側(cè)拱部模板)。馬頭門與井筒整體模板相貫線部位的模板結(jié)構(gòu)異形，相貫線不規(guī)則，無法通過圖紙計算模板的具體尺寸，給加工帶來了極大困難?？烤旭R頭門兩側(cè)拱部模板無對應(yīng)立柱支撐，在馬頭門模板加工制作時有必要考慮該模板的固定問題。

針對上述情況，通過現(xiàn)場放樣、CAD軟件細(xì)化的方式確定了相貫線部位模板尺寸，具體措施：在現(xiàn)場仿作直徑10.06 m的井筒整體模板，在其一側(cè)按馬頭門規(guī)格放樣，確定相貫線，根據(jù)實際放樣大小，使用CAD軟件將相貫線部位的具體尺寸細(xì)化至單塊模板上。對于無立柱支撐拱部模板，通過分析比較，在靠井中立柱加橫向鋼梁作支撐面，在其上方平托拱支撐圈和連接調(diào)節(jié)絲杠以固定拱部模板。按上述措施加工完成了整套模板，在地表組裝后如圖3所示。

圖3 馬頭門鋼模板

3 模板結(jié)構(gòu)受力驗算

3.1 模板側(cè)壓力計算

模板側(cè)壓力分為振動側(cè)壓力和新澆筑混凝土側(cè)壓力，振動側(cè)壓力FZ為2 kPa。根據(jù)測定，新混凝土作用于模板的側(cè)壓力隨混凝土澆注高度的增加而增大，當(dāng)澆注高度達(dá)到某一臨界值時，側(cè)壓力便不再增大，此時的側(cè)壓力即為新澆注混凝土的最大側(cè)壓力。側(cè)壓力達(dá)到最大值的澆注高度稱為混凝土的有效壓頭。通過理論推導(dǎo)和相關(guān)試驗，選取《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工及驗收規(guī)范》(GB 50204-92)提及的新澆注混凝土作用于模板的最大側(cè)壓力計算公式，計算得最大側(cè)壓力為47.75 kN/m2。

3.2 設(shè)計強(qiáng)度驗算

3.2.1 面板驗算

(1)強(qiáng)度驗算。選擇面板小方格中最不利的情況即單跨雙向板四面簡支計算，面板直接承受混凝土的荷載，按均布荷載計算，鋼模板面厚4 mm，鋼楞橫向間距300 m，豎向最大間距300 m。經(jīng)計算，面板直接承受混凝土的荷載為18.03 N/mm，截面抵抗矩Wx=Wy=800 mm3，根據(jù)相關(guān)參數(shù)計算結(jié)果可知，制作的鋼模板面板滿足工程強(qiáng)度要求。

(2)撓度驗算。剛度為1 207 N·m2，根據(jù)受彎構(gòu)件的撓度限值可知，該情況下?lián)隙认拗?fmax)為1.5 mm，因此，面板撓度符合要求。

3.2.2 縱肋計算

縱肋間距300 mm，采用63 mm×6 mm鋼板，兩側(cè)的支撐點位于橫向肋板上。由于計算復(fù)雜，簡化為兩段固結(jié)、跨度0.3 m的單跨超靜定梁計算，寬6 mm，高63 mm，荷載18.03 N/mm，截面抵抗矩3 969 mm3，慣性矩12.5×104mm4，縱肋最大彎矩67 612.5 N·mm。

(1)強(qiáng)度驗算。δmax值為17 N/mm2<215 N/mm2，因此，使用該設(shè)計參數(shù)的縱肋在強(qiáng)度上可滿足工程需要。

(2)撓度計算。fmax值為0.1 mm<1.5 mm因此，使用該設(shè)計參數(shù)的縱肋在撓度上可滿足工程需要。

3.2.3 橫肋計算

橫肋與縱肋支撐方式完全一致，故驗算方式與縱肋驗算一致，相關(guān)計算結(jié)果表明，其強(qiáng)度和撓度均符合該工程條件下的施工要求。

4 結(jié) 語

針對思山嶺鐵礦SJ1副井工程馬頭門數(shù)量多、施工難度大的問題，引入大型異形結(jié)構(gòu)拼裝馬頭門鋼模板，采取有效措施解決了其制作加工的難點，并根據(jù)工程實際條件對其整體結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行了驗算，結(jié)果顯示鋼模板按原設(shè)計加工方案可滿足工程實際需要。通過前期的精確加工及結(jié)構(gòu)受力驗算，大型異形結(jié)構(gòu)拼裝馬頭門鋼模板在思山嶺鐵礦SJ1副井工程+187，-480，-600 m馬頭門成功投入使用，馬頭門施工工期大大縮短，整體支護(hù)效果良好，無安全事故及質(zhì)量事故發(fā)生，鋼模板在重復(fù)使用3次后變形微小，仍可繼續(xù)使用。

[1] 田 柯.深井大斷面馬頭門支護(hù)理論及技術(shù)研究[D].太原：太原理工大學(xué)，2011.

[2] 戴洪波，溫洪志.大斷面馬頭門整體施工技術(shù)[J].煤炭工程，2013(3)：35-36.

[3] 陳密武.馬頭門與井筒同時下行分層掘進(jìn)技術(shù)[J].建井技術(shù)，2013，34(3)：7-9.

[4] 侯進(jìn)山.副井馬頭門分層施工技術(shù)研究[J].煤炭工程，2014(1)：41-43.

[5] 錢魏魏.復(fù)雜地質(zhì)條件下馬頭門處新型井壁結(jié)構(gòu)研究及應(yīng)用[D].淮南：安徽理工大學(xué)，2013.

*財政部施工新技術(shù)研究與開發(fā)資金項目(編號：2013[235])；北京市科技計劃重大科技成果轉(zhuǎn)化落地培育項目(編號：Z141100003514012)。

2015-07-20)

郭建清(1966—)，男，教授級高級工程師，101760 北京市亦莊開發(fā)區(qū)康定街1號。