南干渠工程隧洞二次襯砌混凝土澆筑質(zhì)量的控制研究

張大成 李 震

(北京市南水北調(diào)工程質(zhì)量監(jiān)督站 100143)

1 南干渠工程二次襯砌混凝土施工特點(diǎn)

南干渠為地下暗涵輸水工程，全長(zhǎng)約27.2km。根據(jù)不同的施工方法將工程分為上、下兩段，上段為兩孔內(nèi)徑為3400mm的鋼筋混凝土隧洞，初期支護(hù)采用淺埋暗挖施工(鋼格柵+噴射C25混凝土);下段為一孔內(nèi)徑4700mm的鋼筋混凝土隧洞，初期支護(hù)采用盾構(gòu)法施工(盾構(gòu)管片)，初期支護(hù)完成后，隧洞淺埋暗挖段內(nèi)徑為4100mm(盾構(gòu)段為5400mm)，二次襯砌均采用針梁式全圓液壓襯砌模板臺(tái)車現(xiàn)澆C30W10自密實(shí)預(yù)拌商品混凝土，厚度為350mm(見圖1)。隧洞內(nèi)安裝φ22 HRB335的內(nèi)、外環(huán)向鋼筋，間距為100mm，縱向鋼筋采用φ14HPB235鋼筋，間距為200mm。環(huán)向鋼筋連接采用閃光對(duì)焊和雙面搭接焊，環(huán)向鋼筋與縱向鋼筋采用綁扎，留置迎水面和背水面各40mm的主筋保護(hù)層厚度(局部偏差不大于±1/4保護(hù)層厚度)，并有可靠的固定措施，二襯鋼筋布置(見圖2)。針梁式全圓液壓襯砌模板臺(tái)車是為全圓隧洞全斷面一次性混凝土澆筑而設(shè)計(jì)的專用臺(tái)車(長(zhǎng)約12m)，其針梁運(yùn)至初期支護(hù)的隧洞內(nèi)，使針梁豎橫向中心與隧洞中心重合。當(dāng)模板就位后支設(shè)好模板內(nèi)所有支撐絲杠和臺(tái)車兩端抗浮裝置。臺(tái)車就位后安裝模板和端頭模板，鋼模板的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求;端頭模板垂直，加固牢固、穩(wěn)定(見圖3)。

圖1 隧洞斷面圖

圖2 二次襯砌鋼筋示意圖

圖3 二襯鋼筋安裝和模板臺(tái)車圖

2 自密實(shí)混凝土性能及各項(xiàng)指標(biāo)

自密實(shí)混凝土是一種具有高流動(dòng)性、不離析、良好的均勻性和穩(wěn)定性，澆筑過程中依靠自身重力而流動(dòng)，無需振搗而達(dá)到密實(shí)的混凝土，較適用于鋼筋密集和振搗困難的部位。其自密實(shí)性能主要包括流動(dòng)性、抗離析性和填充性，主要控制指標(biāo)為坍落擴(kuò)展度(mm)、T50(s)、V形漏斗通過時(shí)間(s)和U形箱試驗(yàn)填充高度(mm)。自密實(shí)混凝土性能與原材料選擇、生產(chǎn)運(yùn)輸、施工工藝、結(jié)構(gòu)條件和環(huán)境有關(guān)。自密實(shí)混凝土自拌和完畢到進(jìn)入澆筑現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)重點(diǎn)檢測(cè)其流動(dòng)性和抗離析性，坍落擴(kuò)展度代表混凝土流動(dòng)性，具體來說就是保證澆筑施工正常進(jìn)行，其中包括混凝土保水性、流動(dòng)性和黏聚性;V形漏斗通過時(shí)間代表混凝土的抗離析性(即和易性)，具體指混凝土是否易于施工操作和具有均勻密實(shí)的性能，其中包含流動(dòng)性、黏聚性和保水性。

結(jié)合南干渠工程二次襯砌鋼筋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，根據(jù)《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(CECS 203:2006)要求，自密實(shí)混凝土原材料各項(xiàng)指標(biāo)和混凝土性能指標(biāo)應(yīng)滿足表1和表2的要求。其中，坍落擴(kuò)展度小于600mm時(shí)，自密實(shí)混凝土澆筑時(shí)容易發(fā)生鋼筋堵塞和填充不滿的現(xiàn)象，大于700mm時(shí)容易在泵送和澆筑中發(fā)生離析現(xiàn)象。

表1 自密實(shí)混凝土的各原材料指標(biāo)

表2 自密實(shí)混凝土性能指標(biāo)

3 自密實(shí)混凝土坍落擴(kuò)展度的變化規(guī)律及控制手段

3.1 坍落擴(kuò)展度的變化規(guī)律

自密實(shí)混凝土按照混凝土廠家確定的配合比進(jìn)行配置，各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足要求后采用混凝土罐車運(yùn)輸，運(yùn)輸途中保持混凝土拌和物的均勻性，防止出現(xiàn)離析、分層和前后不均的現(xiàn)象。根據(jù)規(guī)范要求，在90min內(nèi)運(yùn)輸至澆筑地點(diǎn)(當(dāng)最高氣溫低于25℃時(shí)，運(yùn)輸時(shí)間可延長(zhǎng)30min)。到場(chǎng)后，分別對(duì)到場(chǎng)的6車次自密實(shí)混凝土坍落擴(kuò)展度變化現(xiàn)象進(jìn)行了檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見表3和圖4。

表3 自密實(shí)混凝土坍落擴(kuò)展度損失檢測(cè)記錄

圖4 自密實(shí)混凝土坍落擴(kuò)展度變化記錄情況

通過分析認(rèn)為，自密實(shí)混凝土從出混凝土攪拌站到進(jìn)入澆筑現(xiàn)場(chǎng)，坍落擴(kuò)展度變化是動(dòng)態(tài)的?；炷脸鰪S和到場(chǎng)后的坍落擴(kuò)展度能滿足澆筑要求，但到場(chǎng)60min后，損失速度增快，基本不能滿足澆筑要求。

3.2 坍落擴(kuò)展度的控制手段

由于自密實(shí)混凝土拌和物中水泥的水化產(chǎn)物、骨料表面吸附水分以及水分蒸發(fā)等導(dǎo)致游離水減少，使膠凝材料漿體出現(xiàn)凝聚，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，水泥水化產(chǎn)物增多，混凝土拌和物的黏度增大，造成坍落擴(kuò)展度降低。損失過大以后，造成了混凝土泌水;和易性的降低造成混凝土離析，使得混凝土表面出現(xiàn)了砂線。出現(xiàn)氣泡和麻面是由于拌和物中氣體和水分在上浮過程中受到阻礙而停留在模板表面，混凝土硬化后，這些水分蒸發(fā)形成了孔洞。因此，為了避免水泥水化反應(yīng)，將混凝土拌和物中摻入粉煤灰和礦粉代替水泥，并摻入一定量的聚羧酸高性能減水劑和引氣劑。每0.5h對(duì)自密實(shí)混凝土的坍落擴(kuò)展度進(jìn)行一次檢測(cè)，檢測(cè)記錄見表4和表5。

表4 粉煤灰和礦粉代替水泥后坍落擴(kuò)展度的變化

表5 摻入聚羧酸高性能減水劑后坍落擴(kuò)展度的變化

由表4、表5可以看出，粉煤灰等量代替水泥后的混凝土在90min內(nèi)坍落擴(kuò)展度損失150mm，未摻入粉煤灰的混凝土在90min內(nèi)坍落擴(kuò)展度損失315mm;摻入聚羧酸高性能減水劑的混凝土在90min內(nèi)坍落擴(kuò)展度增加55mm，未摻入聚羧酸高性能減水劑的混凝土在90min內(nèi)坍落擴(kuò)展度損失225mm。因?yàn)椋勖夯业幕钚赃h(yuǎn)低于水泥，拌和物的早期水化速度明顯降低，粉煤灰的比表面積大，表面吸附了大量的水，改善了混凝土拌和物的保水性。隨著膠凝材料的增加，混凝土拌和物的黏性和流動(dòng)性有所增加，在一定程度上緩解了坍落擴(kuò)展度的過快損失。引氣劑的摻入，引入了微小封閉型小氣泡，迫使混凝土中不規(guī)則的氣孔分解為有規(guī)則的圓形氣泡。摻入減水劑，在單位用水量不變的條件下，可以提高混凝土的流動(dòng)性。因此，自密實(shí)混凝土中摻入一定量的粉煤灰、礦渣粉、聚羧酸高性能減水劑和引氣劑可以改善混凝土的黏性和流動(dòng)性，降低混凝土拌和物流動(dòng)性經(jīng)時(shí)損失率，減少混凝土坍落擴(kuò)展度的損失。

4 自密實(shí)混凝土澆筑工藝研究

4.1 入倉方式的選擇

受隧洞地上環(huán)境和洞內(nèi)結(jié)構(gòu)條件限制，澆筑一倉混凝土(淺埋暗挖段為10m，盾構(gòu)段為12m)可以選擇井下小罐車運(yùn)輸和泵管泵送兩種方式(見圖5)。下面以最遠(yuǎn)澆筑倉(距混凝土下料孔底端約490m)為例，對(duì)隧洞內(nèi)的兩種入倉方式進(jìn)行分析。各項(xiàng)性能指標(biāo)合格的自密實(shí)混凝土到場(chǎng)后先高速旋轉(zhuǎn)約1min后卸料，混凝土入倉溫度控制在28℃以下。

圖5 混凝土運(yùn)輸示意圖

a.小罐車運(yùn)輸入倉。通過竄筒(已用同等級(jí)水泥漿潤(rùn)滑)將混凝土運(yùn)至井下有攪拌能力的小罐車中，小罐車運(yùn)至臺(tái)車入倉澆筑，澆筑一倉總用時(shí)約9h。據(jù)測(cè)算每輛小罐車運(yùn)輸和澆筑時(shí)間約15min，一倉約使用小罐車20運(yùn)次。

b.泵管入倉。在距澆筑倉約300m地面處進(jìn)行打孔后采用泵管泵送入倉澆筑，澆筑一倉約6h。

c.結(jié)果分析。達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度拆模后發(fā)現(xiàn)，采用小罐車運(yùn)輸入倉方式澆筑的混凝土表面腰部及底拱均局部出現(xiàn)了大面積的砂線、麻面和氣泡現(xiàn)象，而采用泵管泵運(yùn)入倉的混凝土表面僅腰部局部出現(xiàn)了氣泡及麻面現(xiàn)象(見圖6)。

通過分析認(rèn)為，采用小罐車進(jìn)行運(yùn)輸增加了自密實(shí)混凝土的攪拌時(shí)間，因?yàn)榛炷翑嚢钑r(shí)間長(zhǎng)會(huì)造成骨料吸水量加大，使混凝土熟料中的自由水分減少，容易造成混凝土坍落度的損失;而隨著運(yùn)輸時(shí)間的增加，混凝土由于發(fā)生化學(xué)反應(yīng)、水分蒸發(fā)、骨料吸水等多方面原因，自由水分減少，也易造成混凝土坍落度經(jīng)時(shí)損失。再加上隧洞路況不平穩(wěn)，轉(zhuǎn)彎處增加了駕駛難度，并牽扯到車輛維護(hù)等因素，不能較好地保證混凝土連續(xù)性澆筑。

采用泵管泵送入倉可以避免上述出現(xiàn)的各種問題，能夠保證澆筑的連續(xù)性。但是，澆筑倉位距離下料口較遠(yuǎn)時(shí)，中間下料口的選擇是關(guān)鍵，要既不影響地上建筑物，又要在泵送有效范圍之內(nèi)，有條件的建議利用臨近排氣閥井或在澆筑倉地上打孔直接澆筑。

圖6 不同入倉方式澆筑效果

4.2 澆筑孔的選擇

針梁模板臺(tái)車(見圖7)的頂拱設(shè)有3個(gè)澆筑孔①、②、③，腰拱兩端設(shè)有澆筑孔④和⑤。下面選擇不同的澆筑孔進(jìn)行澆筑分析。

圖7 針梁模板臺(tái)車安裝示意圖

a.采用頂部澆筑孔一次性澆筑。將②、③、④和⑤澆筑孔封堵牢固后，利用澆筑孔①進(jìn)行混凝土澆筑(見圖8)，澆筑總用時(shí)約8h 28min，實(shí)際澆筑用時(shí)4h 30min，運(yùn)輸?shù)纫蛩赜脮r(shí)3h 58min。

圖8 混凝土澆筑示意圖

b.采用腰部澆筑孔和頂拱澆筑孔分層澆筑。將②、③澆筑孔封堵牢固后，先利用澆筑孔④和⑤同時(shí)進(jìn)行混凝土澆筑，保持兩側(cè)澆筑速度一致，混凝土上升平穩(wěn)，澆筑至距澆筑孔④和⑤200mm左右，封閉澆筑孔④和⑤后，換由澆筑孔①澆筑，換孔用時(shí)約15min。澆筑總用時(shí)約7h 50min，實(shí)際澆筑用時(shí)5h 9min，運(yùn)輸和換澆筑孔等因素用時(shí)2h 41min。

c.澆筑結(jié)果分析。達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度拆模后發(fā)現(xiàn)，采用兩種澆筑孔澆筑的混凝土表面腰部以下均出現(xiàn)了氣泡、麻面現(xiàn)象，但分層澆筑的較一次性澆筑輕微(見圖9)。

圖9 不同澆筑方式的澆筑效果

通過對(duì)兩種澆筑方式的過程和澆筑效果分析認(rèn)為，澆筑孔的選擇對(duì)澆筑質(zhì)量的影響較大。因?yàn)閺捻敹藵仓?，澆筑孔距離拱底澆筑位置約4m(盾構(gòu)段約6m)，澆筑孔選擇過高時(shí)混凝土在下落過程中容易產(chǎn)生離析和分層，并與倉內(nèi)的空氣過多接觸產(chǎn)生充氣，且骨料容易被鋼筋卡住;而選擇在腰部的兩個(gè)澆筑孔進(jìn)行同時(shí)澆筑，降低了澆筑高度，一定程度上也抑制了與空氣的過多接觸，縮短了腰部以下部位的澆筑時(shí)間，腰部以下出現(xiàn)氣泡是由于底拱模板抑制氣泡排出所致。

5 結(jié)論

隧洞內(nèi)的混凝土入倉方式和澆筑孔的選擇是澆筑質(zhì)量控制的關(guān)鍵點(diǎn)。澆筑過程中不建議采用小罐車運(yùn)輸，因?yàn)檫\(yùn)輸過程中涉及人為因素眾多，且容易發(fā)生翻車、遺灑事故。因此，遠(yuǎn)距離運(yùn)輸入倉時(shí)，在地上環(huán)境條件允許的情況下，應(yīng)盡可能將下料口選擇在距離澆筑倉近的地面上(以選擇澆筑倉正上方為佳)，然后使用泵管泵送入倉。距離遠(yuǎn)時(shí)要提前做好泵送試驗(yàn)，本著盡量使用直管、少用彎管的原則，確定泵管長(zhǎng)度和泵管彎頭數(shù)量，保證泵管接頭嚴(yán)密。垂直向下泵送時(shí)，首先用砂漿充滿泵管，然后才能夠泵送。再次，建議繼續(xù)選擇不同的澆筑孔進(jìn)行分層澆筑，并注意控制封孔和換孔時(shí)間，進(jìn)一步優(yōu)化工藝，提高澆筑效率。

為提高自密實(shí)混凝土的澆筑質(zhì)量，避免出現(xiàn)混凝土外觀質(zhì)量缺陷，提出以下幾點(diǎn)建議:

a.用粉煤灰和礦粉取代一部分水泥，以增加混凝土拌和物的黏性和流動(dòng)性，在一定程度上抑制坍落擴(kuò)展度的過快損失。

b.嚴(yán)格控制混凝土攪拌站原材料、中間產(chǎn)品質(zhì)量，確?；炷涟韬臀镄阅苤笜?biāo)滿足規(guī)范要求;掌握自密實(shí)混凝土性能變化規(guī)律，做好混凝土澆筑過程控制，同時(shí)加強(qiáng)混凝土坍落擴(kuò)展度、V形漏斗、U形箱、T50指標(biāo)檢測(cè)，確保合格混凝土入倉。

c.摻入減水劑，也能提高混凝土拌和物的流動(dòng)性;摻入引氣劑能迫使混凝土中不規(guī)則的氣孔分解為有規(guī)則的圓形氣泡，使氣泡變小。

d.模板表面平整光潔，自身剛度和支撐強(qiáng)度能夠抵抗自密實(shí)混凝土的壓力，接縫要嚴(yán)密，并涂抹能夠抑制氣泡產(chǎn)生的脫模劑;臺(tái)車要有有效的抗浮措施。

e.盡量縮短自密實(shí)混凝土的運(yùn)輸時(shí)間，混凝土出站和入倉的各項(xiàng)性能指標(biāo)宜按照規(guī)范上限進(jìn)行控制，在損失到規(guī)范要求的最低值之前完成澆筑，并保持連續(xù)性。

f.自密實(shí)混凝土澆筑過程中模板外側(cè)可隨混凝土填充進(jìn)度輔助敲擊或輕微振搗;建議每商品罐車的澆筑時(shí)間控制在60min以內(nèi)，間隔時(shí)間不宜過長(zhǎng)，運(yùn)輸頻率及方量不要相差太大。

g.自密實(shí)混凝土拌和物的狀態(tài)和性能指標(biāo)要穩(wěn)定，確保沉實(shí)速率基本一致。