水工高精混凝土施工技術(shù)創(chuàng)新與實踐

周厚貴

（中國能源建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100029）

1 前言

混凝土由于具有原材料易于獲取、外形可塑、施工簡便、成品敦實、堅固耐久等諸多優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于各類水工建筑物中，已有100多年歷史。然而，在如此悠久的發(fā)展與應(yīng)用歷程中，卻不曾有過規(guī)模性的“混凝土”與“高精”（高等精度）的融合，甚至迄今也依然有人會認(rèn)為“混凝土”與“高精”原本就是不能合在一起說的事，將“水工混凝土”與“高精”相融合是一種“妄談”。這也難怪，混凝土自誕生以來就被人們當(dāng)成一種粗制的、毛糙的、可隨意配的土工類材料。

隨著水利水電工程科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展和飛速進(jìn)步，加之包括長江三峽工程在內(nèi)的一批國家重大、特大型工程建設(shè)的迫切需要，水工混凝土的設(shè)計與施工理念已產(chǎn)生了巨大的升華。如今，水工建筑物在成功突破大壩大體積混凝土（如三峽三期大壩混凝土等）無裂縫難關(guān)之后，又勝利攻克高精混凝土重大施工技術(shù)難題，并在水工建筑物（如三峽升船機(jī)等）建設(shè)中成功地實施，打破了長期以來水工混凝土在人們心目中的傳統(tǒng)觀念，創(chuàng)造了水工混凝土發(fā)展史上的新的奇跡。為此，本文就水工高精混凝土的技術(shù)創(chuàng)新給出其涵義、施工技術(shù)要點以及工程實踐。

2 高精混凝土的涵義

對于水工混凝土來說，“高精”是一個全新的理念和標(biāo)準(zhǔn)。它是指以水工混凝土施工為實施載體，在混凝土生產(chǎn)、運輸、澆筑、護(hù)理等每一個環(huán)節(jié)，為滿足高等精度要求、應(yīng)用高度精湛的技術(shù)和高度精細(xì)的工藝，制造出高檔精致的混凝土成品。由于實現(xiàn)上述要求和目標(biāo)最關(guān)鍵的要素是人，所以實施的大前提是：必須將高精混凝土升華為理念。高精混凝土的要義，遠(yuǎn)不是把混凝土認(rèn)真地澆筑好那么簡單，它是整個混凝土施工“一條龍”系統(tǒng)的協(xié)同集成與整體提升，由全部環(huán)節(jié)和過程所產(chǎn)生的對所有結(jié)果的高精需求和要求，構(gòu)成行為準(zhǔn)則，形成了高精混凝土的理念。

高精混凝土理念的寓意是豐富而深刻的，但站在狹義和直觀的角度上，高精具有等級的要義，就好比旅游飯店行業(yè)中的“星級”。換言之，高精混凝土的理念除了包含混凝土成品本身的“星級”，還包含著建造施工的“星級”（或高精施工）以及相關(guān)聯(lián)的一切思想活動、人員行為和事物活動的集合。下面就從高等精度、高度精細(xì)（精湛）、高檔精致等方面具體加以闡述。

2.1 高等精度

與普通的水工混凝土相比，水工高精混凝土對于精度等級的要求有明顯的提高，這就從表觀或外構(gòu)上形成了嚴(yán)格的控制。普通的水工混凝土建筑結(jié)構(gòu)施工，精度要求通常在厘米的量級上，而高精混凝土的精度要求則提高到了毫米量級，相比之下高出了一個量級。這一精度量級已達(dá)到水工結(jié)構(gòu)中普通金屬結(jié)構(gòu)構(gòu)件加工的精度要求，因此，從某種角度上可以說，就是把混凝土澆筑當(dāng)作精加工的金屬結(jié)構(gòu)構(gòu)件來制作。

以三峽工程升船機(jī)的高精混凝土施工為例，結(jié)構(gòu)鋼筋的安裝精度如在筒體縱導(dǎo)向、平衡重、齒條等二期金屬結(jié)構(gòu)埋件部位，所要求的允許偏差為±5 mm，而普通水工混凝土鋼筋的允許偏差為1～2 cm。結(jié)構(gòu)形體的精度要求為：混凝土垂直度的允許偏差±8mm，截面允許偏差（-5，+8）mm，軸線允許偏差±5mm，而普通水工混凝土結(jié)構(gòu)形體要求截面尺寸允許偏差為2 cm。其他如測量精度、模板加工及安裝精度、金屬結(jié)構(gòu)埋件安裝精度等也都相應(yīng)成10倍地提高。

2.2 高度精細(xì)（精湛）

水工高精混凝土大幅度提高的精度要求必然引發(fā)施工方法和工藝的變革性改進(jìn)，這就從工藝流程上形成了全過程控制的高度精細(xì)。它一方面是在工藝操作的流程節(jié)點上，為提高精細(xì)程度而增添必要的作業(yè)工序，如工件或部位交接后實施適當(dāng)?shù)脑偬幚?、將混凝土平倉和振搗工序嚴(yán)格地分開操作等；另一方面是在單項工藝操作的過程中，嚴(yán)格按照工藝操作規(guī)程，充分保障操作持續(xù)時間的“飽和度”，使該項工藝達(dá)到“飽滿成熟”的程度。

在三峽工程升船機(jī)高精混凝土施工中，僅澆筑工序就細(xì)化或增加了多道工藝操作，形成了更加周密的工藝細(xì)節(jié)并加以節(jié)點控制，如混凝土澆筑前倉面設(shè)計中的責(zé)任細(xì)化；現(xiàn)場倉面設(shè)計交底與崗位責(zé)任落實；氣象信息定時更新；在倉面物體甚至是每一根豎向鋼筋上標(biāo)示出混凝土坯層線及收倉線；混凝土下料前將濺在模板面上的漿液用布巾擦拭干凈；對入倉的每一車混凝土進(jìn)行異常情況檢查等。其他各道工序的工藝操作也都相應(yīng)細(xì)化到位。

2.3 高檔精致

水工高精混凝土無論是其內(nèi)在質(zhì)地，還是其外在形體都具有高度的一致性；無論是在視覺、感官方面，還是在各項性能指標(biāo)方面，都要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通的水工混凝土，這就從混凝土成品的功能目標(biāo)上滿足了高精品質(zhì)，最終形成了高精產(chǎn)品。從外在的表象上，高精混凝土平展、光滑、輪廓尺寸準(zhǔn)確、色澤均勻，無表面瑕疵，給人以精致的表觀。從內(nèi)在的特性上，高精混凝土各項物理力學(xué)指標(biāo)滿足設(shè)計要求，堅固性、抗?jié)B性、耐久性等各項性能良好，結(jié)構(gòu)功能發(fā)揮優(yōu)異。

3 施工技術(shù)難點

3.1 施工測量

三峽工程升船機(jī)高精混凝土結(jié)構(gòu)測量精度允許誤差要求在2～10mm。放線、埋件測量、立模驗收的精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出水工建筑物常規(guī)混凝土精度要求，測量精度控制難度很大，具體體現(xiàn)在a.數(shù)量級從常規(guī)混凝土的20mm變化到現(xiàn)有的2～10mm。b.高薄壁型塔柱結(jié)構(gòu)受溫度、風(fēng)力及自重影響發(fā)生變形，變形值的大小對結(jié)構(gòu)尺寸的控制帶來難度，同時，受筒體結(jié)構(gòu)及周邊地形影響，對測量工作的實施帶來很大的難度。主要體現(xiàn)在：一是靠船廂室側(cè)通視困難，確保精度的測量轉(zhuǎn)點工作大；二是高空作業(yè)部位結(jié)構(gòu)埋件的測量定位難度大，需要借助輔助設(shè)施來完成，比如吊機(jī)、測量平臺等；三是為確?；炷辆?，對同一部位采用不同的測量方法及手段進(jìn)行檢校工作量大。

3.2 鋼筋安裝

為滿足后續(xù)埋件施工要求，對筒體縱導(dǎo)向、平衡重、齒條等二期金屬結(jié)構(gòu)埋件部位的鋼筋安裝精度提出較高的標(biāo)準(zhǔn)，允許偏差僅為±5mm，尤其是螺母柱部位鋼筋，需要按埋件定位精度精確定位。其精度要求遠(yuǎn)高于常規(guī)鋼筋允許偏差的10～20mm（保護(hù)層處的鋼筋允許偏差為保護(hù)層厚度的0.25倍，一般鋼筋的保護(hù)層為50mm）。塔柱倉位含筋量最高達(dá)25.4%（常規(guī)混凝土倉位含筋量為15%左右），安裝如此大量鋼筋的同時還需確保鋼筋埋設(shè)精度要求，其難度極大，鋼筋在原材料、鋼筋加工環(huán)節(jié)達(dá)到要求的同時，還要嚴(yán)格控制安裝精度。

3.3 模板施工

升船機(jī)塔柱混凝土垂直度偏差以±8mm為限差，截面偏差以（-5，＋8）mm為限差；軸線偏差以±5mm為限差，此精度要求遠(yuǎn)高于普通大體積混凝土軸線位置偏差1 cm、截面尺寸偏差2 cm的要求，且船廂室段塔柱建筑高度146m，如此大的高差，達(dá)到此施工精度標(biāo)準(zhǔn)的難度更大，對模板的要求也就更高。一般而言，常規(guī)的普通小鋼模采用人工架立，安裝速度慢，費工費力，外觀質(zhì)量差、施工精度難以滿足設(shè)計要求。升船機(jī)塔柱要達(dá)到美觀、精確、快速施工的目的，宜采用整體大型模板施工。

3.4 混凝土澆筑

塔柱混凝土結(jié)構(gòu)面成形后的垂直度偏差以±8mm為限差，截面偏差以（-5，＋8）mm為限差；軸線偏差以±5mm為限差。塔柱結(jié)構(gòu)混凝土結(jié)構(gòu)面要求平整光潔，曲面連續(xù)均勻光滑，混凝土表面顏色要求均勻一致，無污痕、無錯縫陡坎?；炷两Y(jié)構(gòu)上預(yù)留的孔洞、溝、槽等表面要求平整光潔、邊角平直。同時塔柱內(nèi)樓板、梁等頂面面層澆筑時抹平，保持清潔，表面顏色均勻一致，頂面輪廓邊線分明、平直。

3.5 混凝土養(yǎng)護(hù)與保護(hù)

塔柱為高層薄壁結(jié)構(gòu)，受外界環(huán)境溫度影響較大，混凝土溫升較快，當(dāng)溫度達(dá)到高峰值后迅速回落，溫降又較快。針對此情況，必須專題研究適用于薄壁混凝土結(jié)構(gòu)的溫控及養(yǎng)護(hù)措施。

4 施工技術(shù)要點

4.1 高精度測量

1）采用高精度的測量儀器。為了最大限度地控制好高精混凝土的形體偏差，在結(jié)構(gòu)放樣、模板驗收測量的過程中，應(yīng)選擇精度匹配的高一等級的測量儀器和設(shè)備。

根據(jù)垂直升船機(jī)建筑物施工的精度要求，為了有效地控制混凝土的形體偏差，測量儀器主要采用TCA2003全站儀（標(biāo)稱精度：測角0.5″，測距1mm+1 ppm，1ppm=10-6）和NET05全站儀（標(biāo)稱精度，測角0.5″，測距0.8mm+1 ppm）。垂直投影采用激光天頂儀，垂直投影標(biāo)稱精度1∶200 000。在測量方法上，常規(guī)混凝土倉面平面和高程基準(zhǔn)傳遞通常是在倉內(nèi)架設(shè)全站儀通過邊角交會或直接利用施工控制網(wǎng)點放點方法進(jìn)行；而三峽升船機(jī)因內(nèi)置埋件要求精度極高，加之結(jié)構(gòu)混凝土薄、鋼筋密，倉面無法架設(shè)儀器，故通過反復(fù)試驗，將天頂儀投點平面基準(zhǔn)傳遞法和光電測距高程基準(zhǔn)傳遞法應(yīng)用于混凝土及內(nèi)置埋件施工測量，確保了混凝土澆筑及內(nèi)置埋件施工質(zhì)量。

2）設(shè)置多個施工控制網(wǎng)點。施工測量控制采用逐級布置、分步控制的方案。升船機(jī)布設(shè)專用和局部平面控制網(wǎng)。利用升船機(jī)周圍現(xiàn)有的地形條件，在離升船機(jī)200m范圍內(nèi)（200m內(nèi)放樣、驗收精度可控制在±3mm）盡可能地布設(shè)多的施工控制網(wǎng)點，一部分可以作為直接架設(shè)測量儀器的測站點；另一部分可以作為測站的校核基準(zhǔn)點。三峽升船機(jī)在200m范圍內(nèi)共布設(shè)了施工網(wǎng)點14個。

你還笑？據(jù)說工作組正在調(diào)查侯局長呢。萬不可掉以輕心??！還有，手機(jī)不保密，說話注意。對了，你有事要和我商量？

3）采用多種測量方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)測量。混凝土測量驗收的常規(guī)測量方法是通過在施工控制網(wǎng)點或倉內(nèi)架設(shè)全站儀只采用極坐標(biāo)法就能完成所有的測量工作；三峽升船機(jī)因結(jié)構(gòu)埋件多且精度要求高，故將極坐標(biāo)法、綜合測量法、小鋼尺量測法分別用于倉面混凝土結(jié)構(gòu)線放樣測量、垂直度測量、截面尺寸測量和混凝土形體數(shù)據(jù)測量中，實現(xiàn)了混凝土澆筑結(jié)構(gòu)精度控制。

一般混凝土套管內(nèi)置埋件測量因其精度要求不高，采用的常規(guī)測量方法是直接采用全站儀測量管口上下左右4點坐標(biāo)計算管子中心坐標(biāo)即可；三峽升船機(jī)因單根和根與根之間的相對精度都要求高，故單根套管空間定位測量采用了直接測量、間接測量、投測傳遞法3種方法；每組套管相對空間定位運用了絕對比對法和相對比對法；實現(xiàn)了內(nèi)置埋件精度控制。

4）模板測量驗收采用初調(diào)、精調(diào)方式。在模板、預(yù)制（埋）件安裝完成后，進(jìn)行空間位置和形體輪廓的檢測，以確定結(jié)構(gòu)物的立模形體精度是否滿足設(shè)計要求。在模板檢查驗收過程中，測量人員可以實時指導(dǎo)模板安裝人員進(jìn)行精細(xì)調(diào)整，直到所有模板都符合設(shè)計要求的限差。

模板驗收測量分兩步進(jìn)行，一是直接利用全站儀進(jìn)行模板初調(diào)；二是利用激光天頂儀采用投測方法進(jìn)行模板終調(diào)。測量精度與施工放樣精度相同，平面點位中誤差最大不超過±3mm，高程中誤差可控制在±5mm以內(nèi)。常規(guī)模板驗收采用全站儀一次驗收完成，模板安裝精度控制不高。

4.2 混凝土施工

1）優(yōu)選采用布料均勻、連續(xù)、可左右回轉(zhuǎn)360°的自升式布料桿澆筑混凝土。根據(jù)升船機(jī)塔柱薄壁、含筋量高、框架結(jié)構(gòu)特點，改變常規(guī)水工混凝土采用垂直起吊手段掛罐澆筑的方式，首次將布料桿應(yīng)用于水工建筑物混凝土澆筑。在船廂室段每側(cè)兩個電梯井內(nèi)分別布置1臺38m臂長和1臺32m臂長的倉面布料桿，混凝土采用倉面布料桿配HBT60型混凝土泵和HBT80型高壓混凝土泵入倉，以滿足混凝土布料均勻、連續(xù)，較好地控制坯層厚度及坯層覆蓋時間等要求。

2）研制異形鋼筋加工檢測平臺，采用型鋼樣架以及測量定位技術(shù)控制鋼筋安裝精度。a.由于塔柱為薄壁鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)部布置了多個豎井，部位集中、結(jié)構(gòu)復(fù)雜且鋼筋布置密集，各種形狀鋼筋交叉布置，且與金屬結(jié)構(gòu)埋件交替施工。鋼筋加工精度不高，將造成現(xiàn)場鋼筋穿插、綁扎困難；為控制各種形狀鋼筋加工精度，自主研發(fā)新型鋼筋加工檢測平臺裝置。在平臺上設(shè)置各種角度標(biāo)準(zhǔn)靠樁及標(biāo)準(zhǔn)靠尺，檢驗鋼筋長度及彎折角度的精度。具體為根據(jù)鋼筋尺寸在平臺上按1∶1比例放樣，在轉(zhuǎn)角控制點部位設(shè)置100mm高?20mm圓鋼立樁或角鋼靠尺，立樁、靠尺與平臺點焊，將加工成形的鋼筋放在平臺上，以立樁、靠尺來檢驗鋼筋相應(yīng)控制點的加工精度?？蓽?zhǔn)確、快速地檢測各種形狀的鋼筋加工精度，一種型號的鋼筋檢測完后，可將立樁、靠尺撤掉，按照需要檢測的鋼筋尺寸重新定位點焊，可重復(fù)使用。這一方法顯著提升了檢測精度。b.升船機(jī)塔柱金屬結(jié)構(gòu)一期埋件多，精度要求高，需與鋼筋穿插施工，因此需確保鋼筋安裝精度。常規(guī)鋼筋安裝時采用鋼筋作為樣架筋，在樣架筋上畫點確定鋼筋綁扎位置控制鋼筋間排距，采用常規(guī)的定位方法，存在鋼筋定位不準(zhǔn)、垂直度偏差大、鋼筋間排距和保護(hù)層控制精度低等問題。為確保鋼筋定位精確，研發(fā)了在墻體內(nèi)設(shè)置鋼筋精確定位（樣架）裝置，其方法是采用型鋼作為鋼筋樣架，在倉內(nèi)按照合適間距先埋設(shè)豎向定位型鋼，然后采用縱向型鋼將豎向型鋼兩兩連接，按照鋼筋定位樣架提供的準(zhǔn)確位置進(jìn)行鋼筋安裝施工。

4）針對升船機(jī)高層建筑物及人工骨料特點，研發(fā)高性能、高泵送混凝土技術(shù)。a.塔柱混凝土均為高強(qiáng)度等級混凝土，骨料為人工骨料，泵送高度達(dá)112m，為確保混凝土和易性，滿足泵機(jī)可泵性要求，隨著泵送高度的增加，經(jīng)多次研究和試驗，對混凝土級配進(jìn)行適時調(diào)整。先后研制使用了小石∶中石=70∶30二級配混凝土、中石粒徑為20～30mm的二級配混凝土、一級配混凝土澆筑塔柱暗柱暗梁鋼筋密集部位，確保人工骨料混凝土能夠連續(xù)泵送112m高度，解決了人工骨料混凝土泵送困難問題。b.針對薄壁混凝土鋼筋密集、混凝土澆筑易污染鋼筋問題，經(jīng)過多次試驗，確定了壓力風(fēng)槍處理鋼筋污染方式。在混凝土下料過后及時跟進(jìn)采用壓力風(fēng)槍對鋼筋污染進(jìn)行清理，消除了常規(guī)混凝土澆筑完后采用人工處理難度大、處理質(zhì)量低的問題。

5）研究并實施薄壁混凝土施工綜合溫控技術(shù)。a.冷卻水管間排距精細(xì)布置，高溫季節(jié)將冷卻水管層間距布置由原來的1 000mm改為750mm布置，3m升層的澆筑倉位，第一層直接鋪設(shè)在倉面上；第二層布置在澆筑層中間高程；第三層布置在距收倉面300mm左右位置。通水回路根據(jù)墻體厚度獨立設(shè)置，根據(jù)不同位置的溫度變化情況，調(diào)整通水流量，進(jìn)行個性化通水。避免了常規(guī)冷卻水管布置間距大、混凝土內(nèi)部溫度易超標(biāo)的問題。b.根據(jù)不同時段、不同部位采用了保水保濕、流水、養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)多種措施，其中收倉面覆蓋棉氈保水保濕養(yǎng)護(hù)，側(cè)立面掛花管流水養(yǎng)護(hù)，對于受其他作業(yè)干擾不能采用流水養(yǎng)護(hù)的側(cè)立面，則采用涂刷養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)。解決了常規(guī)養(yǎng)護(hù)措施單一、養(yǎng)護(hù)不到位的問題。

4.3 實施效果

1）形體檢測。三峽工程升船機(jī)塔筒高精混凝土形體跟蹤檢測的成果統(tǒng)計見表1。

從表1可以看出，塔筒混凝土形體偏差平均合格率均在99.5%以上，表明結(jié)構(gòu)形體精度控制優(yōu)良，筒體各項變形均處于高度受控狀態(tài)。

表1 塔筒混凝土形體檢測結(jié)果統(tǒng)計表Table1 Physical test results for tower concrete

2）混凝土密實性檢查。為評判升船機(jī)塔柱結(jié)構(gòu)混凝土澆筑質(zhì)量，對升船機(jī)結(jié)構(gòu)受力的關(guān)鍵部位，包括齒條、螺母柱、縱導(dǎo)向?qū)к?、平衡重?dǎo)軌和縱向聯(lián)系梁等部位的混凝土澆筑質(zhì)量進(jìn)行超聲波檢測，檢測方法為超聲波斜對穿CT（Computed Tomography）。共進(jìn)行超聲波檢測307個部位，結(jié)果顯示，合格率100%，優(yōu)良率達(dá)95.3%。

5 結(jié)語

水工高精混凝土已隨著重大工程建設(shè)的需要和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展應(yīng)運而生，三峽工程升船機(jī)高精混凝土施工的實踐證明，水工混凝土完全能夠?qū)⑼凉げ牧系闹T多優(yōu)點帶入高精領(lǐng)域，去建造美觀、實用、耐久、精致的水工建筑物，為人類造福。

高精混凝土施工的精要在于高精理念指導(dǎo)下的精湛技術(shù)和精細(xì)工藝的展寬、細(xì)化與足量，而精要中的關(guān)鍵又在于精細(xì)工藝每一個細(xì)枝末節(jié)的不折不扣與足額到位，如果抓不住這個關(guān)鍵，再精妙的設(shè)想也只是一句空話，甚至還會帶來相背的結(jié)果。由此可見，高精混凝土給水工混凝土施工領(lǐng)域帶來的將是一場巨大而深刻的變革。