目前工地普遍使用的高墩模板有滑模、翻模、爬模、滑翻结合模板等^[1,2,3]。这些模板施工技术均有不足。

1) 滑模因对提升模板时间点难以掌控, 导致混凝土外观质量差, 滑模施工对各环节保障能力要求极严, 并需在混凝土中预埋众多立杆作为滑升承力竖杆。

2) 翻模因需使用起重设备进行模板装拆, 作业过程中安全风险极大, 安全事故频发。

3) 爬模需在混凝土中精确预埋专用埋件, 直接增加了材料及人工消耗数量;其安全风险由埋件本身质量、埋件安装质量及爬升时混凝土强度等诸多因素控制;爬模质量控制难度较翻模大;爬模爬升时间受混凝土强度限制, 特别是施工气温较低时工期延长明显。

4) 滑翻结合模板仍需在混凝土中预埋较多作为承力杆的立杆, 混凝土质量控制难度大, 人工操作偏多。

遵义市遵绥高速公路延长线2标段以桥梁为主, 标段全长4.6km, 桥梁总长3.6km, 桥隧比80%, 实心及空心矩形高墩占所有桥墩的比例为40%, 最高113m, 最低46m。

桥梁高墩施工管理是本标段进度、安全、质量、成本、环境保护管理的重点范畴^[4,5]。为最大限度地控制安全风险, 同时考虑进度、成本的需要, 部分高墩采用爬模施工, 部分高墩采用翻模施工。爬模施工过程中, 管理人员常发现工人安装爬模预埋件时, 未按埋件设计要求装配, 模板爬升后个别爬锥埋件处混凝土局部崩落, 这些因素决定了爬模安全性存在不足。高墩施工过程中, 有些工地因爬锥失效发生过坠架事故。翻模施工过程中, 工人经常歪拉斜吊, 指挥失当, 诸如此类的安全隐患众多, 因此, 现有翻模施工技术在目前高墩模板施工中安全风险最大、发生安全事故最多。爬模较翻模施工安全, 事故率低, 但安全事故仍时有发生, 爬模质量控制难度较翻模大。

在充分研究上述模板施工技术优缺点及潜在市场需求后, 提出研发更加安全、高效、低成本的模板施工技术及装备要求, 并通过了“桥梁高墩自升外架翻模施工技术研究与应用”的课题立项。

课题组经近2年研发, 设备化、智能化的液压翻模 (桥梁高墩自升外架翻模) 技术已成功应用于遵绥高速公路延长线2标段郑家湾大桥部分高墩施工中, 施工过程如图1所示。

液压翻模技术与以往较成熟技术相比, 取长补短, 优点主要体现在无须在混凝土中预埋任何专用埋件, 模板拉杆为工具式拉杆, 无需专用钢筋绑扎平台, 成本较低, 混凝土质量更易控制, 模板及构件的多维约束使桥墩模板施工安全度更高, 液压翻模翻升对混凝土强度要求低 (混凝土初凝后便可) , 高效的设备化操作使工人数量减少、工期更短。

液压翻模 (桥梁高墩自升外架翻模) 系统^[6,7]由模板系统、闭合梁系统、模板拆装系统、外支架系统、提升系统、防坠系统、操作平台、养护系统、钢筋绑扎平台等组成, 如图2所示, 各系统共同完成液压翻模支架及模板翻升功能, 可实现单面或多面翻升。

1) 模板系统由相对位置的上层模板和下层模板组成, 以便上、下层模板交替翻升。

2) 闭合梁系统由加强横背楞及其连接件构成, 闭合梁为主要传力构件。

3) 模板拆装系统由伸缩臂组成, 墩柱每节段的每面模板由4个伸缩臂构成, 其是完成模板拆装及提升时传力构件, 同时伸缩臂在提升外架时作为主要承力构件。

4) 外支架系统由曲臂横梁、导轨、直横梁及其间的连接基座、斜撑等组成, 外支架是模板翻升及各种操作平台的承力结构, 导轨将力传给曲臂横梁, 曲臂横梁再传给加强横背楞。

5) 提升系统由上、下滑箱及上、下滑块、其间连接传力杆件、导轨面上齿块及油缸、油管、泵站、线路、操作键盘等组成, 主要为拆装及提升模板、支架等提供动力及支撑, 实现伸缩臂上、下滑动和外架提升。

6) 防坠系统由导轨上的传力齿块和自动防坠滑块组成, 在翻升模板及自升外架时, 其能有效防止模板及外架下坠, 确保装置安全。

7) 操作平台由底部的装修平台、中部的液压翻模装置操作平台及顶部的钢筋绑扎平台等组成, 以确保操作者安全、方便堆放限重的工具及钢筋等半成品等。

8) 放置水箱供给墩柱上混凝土养护用水。

液压翻模技术^[8,9,10]是一种新的桥墩模板成套施工技术, 通过对现有桥梁高墩施工技术 (如爬模技术、翻模技术、滑翻结合技术) 进行深入研究, 取长补短, 创新形成液压翻模技术, 该技术使桥梁墩柱施工安全度更高、质量更易控制、工期更短、施工效率更高, 成本降低。液压翻模技术更易被操作者和施工管理者掌握和使用。

液压翻模技术基本原理如图4所示。下层模板通过伸缩臂液压缸收缩拆除模板并将模板水平向移至一定距离到达模板翻升位置, 随后启动液压提升系统 (可自动爬升, 也可手动爬升) , 将下层模板翻升至上层模板之上, 并通过液压伸缩臂伸展一定距离并安装好上层模板 (下层模板翻升至上层模板之上后变为上层模板, 原来的上层模板变为下层模板, 上、下是相对的) , 待本层混凝土浇筑完毕初凝后, 利用单侧模板的4个伸缩臂及2个斜向支撑作为承力构件, 操作液压提升系统微距提升外支架系统, 将外支架 (含各种平台) 重力由曲臂横梁承受转移至4个伸缩臂承受, 解除曲臂横梁相关约束并将外支架利用伸缩臂液压缸水平向外推移一定距离, 然后利用液压提升系统提升外支架 (可自动, 也可手动) 到达一定高度后, 收缩伸缩臂液压缸, 通过滑箱带动整个外架向桥墩中心移动, 到达一定距离后, 将曲臂横梁与加强横背楞连接 (通过单个销栓连接) , 此时将外支架全部重力再次转移至曲臂横梁, 然后下移伸缩臂及滑箱至下层模板处, 将伸缩臂与下层模板加强横背楞连接 (单个销栓连接) , 伸缩臂再次收缩拆除下层模板, 重复上述步骤和方法, 直至桥墩施工完毕。

液压翻模技术经过近2年研发, 现已形成空心墩、实心墩液压翻模成套施工技术, 制造了相关设备和装置, 并于2018年3月首次在遵义市遵绥高速公路延长线2标段郑家湾1号桥4号墩柱实施应用, 该墩柱为实心墩, 高46m, 断面6.5m×2.6m, 现已顺利完工。

液压翻模与液压爬模相比, 液压翻模待混凝土初凝后 (约4h) 即可翻升。而爬模最低要求为待混凝土强度达到设计强度的70%后且≥20MPa时方可爬升, 即液压翻模对混凝土强度依赖度低, 液压爬模依赖度高, 因此液压翻模进度更快。当施工气温较低时, 液压翻模施工进度优势更加明显。郑家湾1号桥4号墩采用液压翻模施工, 节段高3m, 平均每节工期为3～4d, 较液压爬模平均每节4～5d有进度优势。

液压翻模与常规翻模相同, 由于其上、下层模板互相约束, 接头处不易错位, 液压翻模支架刚度较大, 混凝土浇筑时, 液压翻模支架参与共同受力, 能更好地约束模板变形, 确保混凝土质量。

爬模每节段需在混凝土中预埋经过特殊处理的埋件, 且埋件施工精度要求高;滑模或滑翻结合模板均需在混凝土中预埋大量支撑杆。上述各种埋件费料费工。

液压翻模最大特点是无需专用埋件、墩柱断面较小时模板拉杆可设为工具式拉杆, 减少材料用量的同时, 也减少人工费用。

液压翻模设备化、智能化提高施工效率, 同样条件下, 液压翻模用工数量为液压爬模的70%, 减少人工成本。

液压爬模承力点均在预埋件上, 约束单一, 安全保证高度集中, 给液压爬模带来一定安全风险。液压翻模通过闭合梁与模板及拉杆共同作用, 通过混凝土与模板的摩擦力及拉杆的约束力, 上、下层模板间互相支撑的共同作用, 形成多维度安全约束, 液压系统采用多重安全保护措施设计, 从而使液压翻模施工技术安全度更高。

液压翻模装置设备化、智能化更符合绿色化施工要求。对于工期较紧的项目, 可充分利用外支架的支撑作用, 在顶部形成雨篷, 四周封闭, 这样雨天也可作业。

本工地采用一套液压翻模施工2个高墩 (混凝土共1 622m³) , 降低成本22.3万元 (137.6×1 622≈22.3万元) , 如表1所示, 经济效益显著。

液压翻模技术是更安全、更环保、更智能的施工技术, 该技术的推广应用将产生较大社会效益。

适用于桥梁墩柱及高耸小断面结构物施工, 矩形断面 (含空心断面) 、圆状断面 (含空心断面) ) 及外凸的多边形断面结构物施工。

液压翻模是设备化、智能化程度更高的模板施工装备, 液压翻模 (桥梁高墩自升外架翻模) 技术与现有桥梁墩柱常用模板施工技术有较大区别, 是一种新的高耸结构模板施工技术。

液压翻模技术在遵绥高速公路延长线2标段郑家湾1号桥高墩施工中的成功应用, 充分显示了液压翻模技术施工进度快、质量更可控、安全度更高、成本降低显著、外部施工环境对其影响小的优点。