米德湖3號(hào)隧道水下鋼管混凝土配合比設(shè)計(jì)的發(fā)展

J.Grayson+J.Nickerson+白楊

摘 要：論述與開發(fā)水下澆注混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)的挑戰(zhàn)和米德湖的深水混凝土澆注攝入。這是將導(dǎo)管混凝土應(yīng)用于橋梁、大壩和位于或接近水面的不尋常的工程，或者可以這樣說，地下水位于工作區(qū)域內(nèi)，不尋常的是大約8 410 m3的水下澆注混凝土在106.68 m深的水中，離海岸3 218.69 m，連續(xù)110 d的工期，作為米德湖3號(hào)隧道的豎井項(xiàng)目。這是指定的配合比，衰退期將穩(wěn)定幾個(gè)小時(shí)，需要表現(xiàn)出低到中度沖刷和低到中度熱增益。這需要在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試一個(gè)電池，并進(jìn)行理論建模。相關(guān)人員在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了大量的測(cè)試，并在項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)開發(fā)完成混凝土混合料配合比設(shè)計(jì)，根據(jù)需要對(duì)工作地點(diǎn)和施工手段方法進(jìn)行約束規(guī)范。最初，利用幾種外加劑，例如超級(jí)增塑劑和抗沖刷混合劑，設(shè)計(jì)開發(fā)高坍落度導(dǎo)管混凝土配合比。在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試導(dǎo)管混凝土的配合并不理想，因此，需要在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。作為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的結(jié)果，它被確定的導(dǎo)管混凝土配合比應(yīng)為修改后的自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)與批處理的黏度改性混合物，而不是反沖洗混合物。最后，實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的混凝土配合比與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果一樣，說明該實(shí)驗(yàn)是成功的。

關(guān)鍵詞：米德湖；隧道；混凝土；配合比

中圖分類號(hào)：U454 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-6835（2014）11-0077-03

1 介紹

目前，拉斯維加斯山谷接收到的飲用水大部分是來自位于大都會(huì)東部約32 200 m的米德湖。水通過現(xiàn)有的兩進(jìn)水口吸入阿爾弗雷德·梅里特·史密斯水處理設(shè)施（AMSWTF）。1號(hào)引入口位于海平面以上320 m，2號(hào)引入口位于海平面以上305 m，兩個(gè)引入口都要為拉斯維加斯山谷提供一定量的水。

由于干旱嚴(yán)重，達(dá)到美國(guó)西南地區(qū)的米德湖水位已經(jīng)從372 m的平均海拔高程退去。截至2010-12，米德湖水位跌至331 m平均海拔高程，比湖的最高水位低41 m。水位不斷下降令人擔(dān)憂。如果湖泊水位低于海拔320 m平均海拔時(shí)，1號(hào)引入口將不能使用，只剩2號(hào)引入口。失去1號(hào)引入口增加的風(fēng)險(xiǎn)和2號(hào)口可能存在的風(fēng)險(xiǎn)，促使南內(nèi)華達(dá)州水務(wù)局（SNWA）急需構(gòu)造一個(gè)新的、更深的第三引入口。3號(hào)引入口不僅位于一個(gè)較低的海拔，即262 m的平均海拔，而且新的3號(hào)引入口也將得到質(zhì)量更好的水資源。3號(hào)引入口每天可以引入54 553 m3水，滿足拉斯維加斯人口的用水需求。

南內(nèi)華達(dá)州水務(wù)局（SNWA）的3號(hào)引入口工程在阿爾弗雷德·梅里特·史密斯水處理設(shè)施（AMSWTF）附近，包括一個(gè)深183 m、直徑為9 m的接軸，一個(gè)大約長(zhǎng)4 828 m、內(nèi)徑為6 m的引水隧洞和一個(gè)大約30.5 m高的進(jìn)水提升管。接軸襯有現(xiàn)澆混凝土襯砌和引水隧洞內(nèi)襯預(yù)制萬能環(huán)襯段。該進(jìn)水提升管是由一個(gè)3 629 kg的復(fù)合結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土基座部分與A316L不銹鋼垂直立管和入口組成。進(jìn)水結(jié)構(gòu)置于一個(gè)基坑中，用11 000 m3的導(dǎo)管混凝土錨固。進(jìn)水結(jié)構(gòu)是自我整合的發(fā)展和安置。緩凝

和低水化熱混凝土配合比設(shè)計(jì)是本文的重點(diǎn)。

2 導(dǎo)管混凝土澆筑作業(yè)手段和方法

VTC計(jì)劃是用最佳可用技術(shù)進(jìn)行大規(guī)模水下混凝土的澆筑操作?；炷翝仓椒ㄊ抢米畛蹰_發(fā)的混凝土澆筑方法，并根據(jù)隧道實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整以滿足項(xiàng)目要求。該方法和設(shè)備是由比利時(shí)的Rik Pellegrims NV先生設(shè)計(jì)提出的。該系統(tǒng)是由鋼管和大墊板連接到底部。該大墊板是一個(gè)直徑約2.74 m的圓頂板，允許固定在塑性混凝土的表面，并使我們能夠水平移動(dòng)混凝土導(dǎo)管系統(tǒng)。該混凝土導(dǎo)管的水平移動(dòng)系統(tǒng)是必要的，因?yàn)檫@個(gè)質(zhì)量的混凝土澆筑比不可能控制到7∶1.“浮子”被用在混凝土導(dǎo)管的頂部，以均衡該系統(tǒng)的浮力，使大約0.1 m的大墊板保持嵌入到塑性混凝土中，并在任何時(shí)候都創(chuàng)造了必要的水平。

有幾個(gè)選項(xiàng)認(rèn)為使用商品混凝土，但最后確定使用現(xiàn)場(chǎng)澆筑所用的便攜式設(shè)備，這樣可以降低成本，縮短交付時(shí)間。使用的批生產(chǎn)工廠是一個(gè)便攜式干工廠，干物料和液體物料混合在攪拌車內(nèi)完成。該攪拌器包括標(biāo)準(zhǔn)后排放攪拌器和前置料攪拌器。所有攪拌車能夠進(jìn)行7.65 m3混凝土的攪拌。攪拌好的混凝土將被裝到運(yùn)輸船舶，一次能裝8卡車。被用于拖船和貨船之間操作的船舶有3只。每只運(yùn)輸船從岸邊裝載至到達(dá)的時(shí)間大約是45 min。一旦運(yùn)輸船到達(dá)起重船，混凝土將被從攪拌車送到皮帶運(yùn)輸機(jī)。混凝土經(jīng)皮帶輸送到7.65 m3的重復(fù)攪拌機(jī)，然后轉(zhuǎn)移到塔臂架泵車。塔臂最后到達(dá)混凝土料斗中，將混凝土以恒定的速度輸入鋼管系統(tǒng)。一個(gè)穩(wěn)定的填充重要的是要保持鋼管系統(tǒng)浮力不變，這樣不會(huì)反彈在失去浮子的大墊板上。該鋼管系統(tǒng)是手動(dòng)移動(dòng)在周圍區(qū)域的，以確保基于遠(yuǎn)程操作潛水器的高程位置讀數(shù)（ROV），這是用來觀察水下的操作面，水下視覺和圖形的獲得分別使用相機(jī)和聲吶系統(tǒng)。運(yùn)輸船上卡車?yán)锏幕炷烈坏┯猛?，便返回陸地交換滿載的卡車。鋼管內(nèi)混凝土水平增加時(shí)，剛性下料管會(huì)被移除。這一過程一直持續(xù)到混凝土到達(dá)244 m 平均海拔的設(shè)計(jì)標(biāo)高。

3 鋼管混凝土設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

鋼管混凝土配合比設(shè)計(jì)考慮到了布置和方法的要求，該鋼管混凝土的最低設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是由設(shè)計(jì)工程師和原征求建議書（RFP）文件和SNWA規(guī)定成立的。

配合比的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)基于這種業(yè)務(wù)固有風(fēng)險(xiǎn)的大小?；炷翝仓^程中一個(gè)潛在的大問題是水化過程中的高溫。為了降低這種風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)計(jì)工程師指定控制溫度為74 ℃，并限制混凝土配合物有至少20%的粉煤灰相對(duì)于配合物的總水泥含量。由于水化熱存在高風(fēng)險(xiǎn)，大體積混凝土可能受熱開裂。經(jīng)測(cè)定，這些裂縫可能足夠大，使湖水通過裂縫進(jìn)入到鋼管混凝土中。為了減少熱裂化，最大溫差被指定為1.7 ℃。此外，還需避免另一個(gè)問題，即混凝土冷卻收縮也會(huì)產(chǎn)生裂縫。為了避免這種情況，混凝土的初凝時(shí)間至少為24 h。

該導(dǎo)管混凝土塌落度需有一定的高度。鋼管混凝土的具體要求是要有一個(gè)單獨(dú)的自凝組合，以確保其濃密合適而無需使用機(jī)械振動(dòng)，但此操作需要一個(gè)引導(dǎo)流組合，以順利填滿開挖面。高坍落度混凝土的正常流動(dòng)造成了“脹流”現(xiàn)象。其中，舊的鋼管混凝土被不斷地推進(jìn)，遠(yuǎn)離新的混凝土。這一過程減少了暴露在混凝土表面的部分水，從而減少了沖洗和浮漿量。

水泥漿體的沖刷備受關(guān)注，最小的沖刷量為基于美國(guó)陸軍公司（美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)）的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法CRD-C61-89A的最低量。沖刷實(shí)驗(yàn)的初步結(jié)果符合規(guī)定要求。

美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)通過2 000 mm三次自由落下的水，測(cè)量一個(gè)塑性混凝土質(zhì)量的損失。質(zhì)量損失的測(cè)量是三次損失的和，用百分?jǐn)?shù)表示。設(shè)計(jì)需要在1 361 kg最低水壓下澆注混凝土28 d?；炷恋膹?qiáng)度在2 d內(nèi)達(dá)到45～136 kg，7 d以上達(dá)到1 361 kg，28 d的平均強(qiáng)度為2 994 kg。

4 混凝土配合比設(shè)計(jì)的發(fā)展

在VTC管理中包括測(cè)試，以確?；炷涟韬狭系脑O(shè)計(jì)符合混合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。對(duì)于技術(shù)支持，職訓(xùn)局聘請(qǐng)?jiān)笇?dǎo)水下大體積混凝土施工的史蒂夫塔特羅先生來進(jìn)行混凝土配合比的設(shè)計(jì)和評(píng)估。

塔特羅先生的工作是對(duì)現(xiàn)成材料的特性進(jìn)行評(píng)價(jià)，提供配合比設(shè)計(jì)的建議，監(jiān)督實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)配料，并評(píng)估最后的混合設(shè)計(jì)。同時(shí)，職訓(xùn)局指定另一名人員——東尼先生塔特羅，開發(fā)試驗(yàn)測(cè)試計(jì)劃，比較粉煤灰的變化，化學(xué)外加劑、水泥和總體的變化。

此外，塔特羅先生利用他的建模軟件確定潛在的裂紋發(fā)展和可能開裂的程度，并確定基于最初的水下澆筑混凝土混合料配合比。他的模型將位置、混凝土質(zhì)量、嵌入式結(jié)構(gòu)和湖底環(huán)境溫度考慮在內(nèi)。該模型表明，溫差熱增益不再是一個(gè)問題，也不會(huì)有任何形式的顯著開裂。經(jīng)測(cè)定，可能存在的裂縫由于本身的結(jié)構(gòu)將出現(xiàn)在凹角里。

在設(shè)計(jì)過程中，水化熱和混合穩(wěn)定性是影響混凝土配合比的主要因素，因此，降低水化熱和提高粉煤灰的混合穩(wěn)定性是提高混凝土配合比穩(wěn)定性的措施。進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)配料，該測(cè)試方案包括7種原料水泥含量。測(cè)試結(jié)果表明，砂率以及化學(xué)外加劑都有變化。

采用自然聚合骨料被認(rèn)為可以創(chuàng)建一個(gè)更流暢、穩(wěn)定的混凝土配合比。通過初步測(cè)試發(fā)現(xiàn)，天然砂和花崗巖骨料具有較高的吸收率，從而導(dǎo)致加工性損失更快。經(jīng)測(cè)試程序，確定本地石灰石骨料是最好的聚合材料。當(dāng)?shù)厥沂橇想m然是一個(gè)破碎物料，但其具有更好的散熱性和較低的吸收特性，因此可以創(chuàng)造一個(gè)更穩(wěn)定的組合。

在測(cè)試過程中確定化學(xué)外加劑的種類時(shí)，混合性能指標(biāo)是主要因素?；瘜W(xué)外加劑的選擇參考了外加劑制造商的建議。同時(shí)，為了保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和材料的塑性，使用了減少水化熱的外加劑。由于延長(zhǎng)了混凝土的運(yùn)輸時(shí)間，攪拌時(shí)間至少為2 h。該減水劑和減水劑外加劑被用來保持必要的水灰比，并且增加了混合物的塌落度。

5 試用配料

測(cè)試一旦建立，將收集的材料在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)材料按照使用40%～60%的水泥比例在1∶1中，混合料的總水泥含量均在7麻袋左右。配合比設(shè)計(jì)測(cè)試試驗(yàn)分批使用超塑化劑、坍落度保持外加劑和反沖洗化學(xué)外加劑。超級(jí)增塑劑是典型的F型品種，用來降低水在混合物中的使用量，同時(shí)增加混合物的流動(dòng)性。

化學(xué)外加劑對(duì)塑性混合物具有觸變效應(yīng)，一旦混合便不能施加到塑性混凝土中，因?yàn)閷?huì)導(dǎo)致塑性混凝土變成凝膠。這種效應(yīng)可能是非常突然的，混凝土將在試驗(yàn)中失去流動(dòng)性。顯然，這不利于自密實(shí)混凝土的流動(dòng)。一旦混合物凝膠化，除非有外部熱量加入，否則不會(huì)恢復(fù)其流動(dòng)性。

通常，初始設(shè)定的時(shí)間被用來確定混合物何時(shí)失去流動(dòng)性。確定混合物是否有觸變這是很困難的。我們發(fā)現(xiàn)凝膠的發(fā)生時(shí)間明顯比實(shí)驗(yàn)室測(cè)試設(shè)定的初始時(shí)間快?？焖倌z有利于某類型的工作，但在混凝土自我整合型中是有害的。快速凝膠似乎像是實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的貫入阻力。對(duì)鋼管混凝土初凝時(shí)間的控制是必要的，可由大量的粉煤灰和化學(xué)外加劑來控制。實(shí)驗(yàn)室最初227 kg的貫入阻力用時(shí)24 h，最后1 814 kg的貫入阻力用時(shí)30 h。含沙量和沖刷一樣，對(duì)降低流動(dòng)性是有用的，高達(dá)2%的含沙率可以使混合物具有較低的塌落度，高含沙量的混合物抵制沖刷比低含沙量的混合物要好。含砂量的平衡是混合設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵參數(shù)，因?yàn)橐粋€(gè)理想的含砂率具有較高的流動(dòng)性和較低沖刷性。為了減少?zèng)_刷的混凝土配合比，需要膠結(jié)材料額外水滲透的混合物。目前，市場(chǎng)上的防沖刷化學(xué)外加劑成分不同，基本上是膠結(jié)混凝土混合物。這些抗沖刷外加劑可以創(chuàng)造更高屈服強(qiáng)度的混凝土，從而減少混凝土混合物的和易性，增加混凝土膠凝的速度。

同時(shí)，大量使用高流速的鋼管混凝土容易引起混凝土離析。黏度調(diào)節(jié)外加劑（VMA）和抗沖刷外加劑（AWA）是必要的，用來容納在懸浮液中的所有混合成分，但大量使用VMA和AWA對(duì)其傳授的性能有約束作用。這是一個(gè)平衡——在獲得高流動(dòng)性的混合物同時(shí)，保持混合物的均勻和抵制沖刷的能力。有了適當(dāng)?shù)谋壤?，混合物蠕變的速度?huì)最大程度地減慢?；炷恋奶涠缺辉O(shè)計(jì)在0.58～0.68 m?；旌衔锏乃涑^0.68 m，證明易于分離。過度離析產(chǎn)生質(zhì)量差的混凝土將造成結(jié)塊、砂紋等現(xiàn)象。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，低于7 m的混凝土在鋼管中不容易流動(dòng)。在實(shí)驗(yàn)室對(duì)試拌混凝土樣品進(jìn)行測(cè)試是為在相似的湖底環(huán)境下混凝土施工提供參考數(shù)據(jù)。將冷藏集裝箱保持在53 ℃的水浴中，用來處理混凝土樣品。樣品維持在按照ASTM規(guī)定的固化條件下進(jìn)行比較。

6 鋼管設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

鋼管混凝土配合比設(shè)計(jì)的一個(gè)重要任務(wù)是在干燥條件下進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，確定該系統(tǒng)的運(yùn)行是否符合設(shè)計(jì)要求?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)置包括12 m一節(jié)的鋼管、料斗和振動(dòng)器。第一次迭代的下料管是一個(gè)直徑0.2 m的鋼管。料斗與鋼管扣是可拆卸的，在接口導(dǎo)管配置有一個(gè)可移動(dòng)的活塞。最初的料斗配置大小能夠容納混凝土約1.53 m3。這個(gè)確定通過計(jì)算足以提供足夠的質(zhì)量來克服靜水壓力。止動(dòng)件被鉸接和連接到起重機(jī)上。當(dāng)料斗被裝滿時(shí)，塞子被移除，鋼管混凝土塞下降來啟動(dòng)系統(tǒng)。

在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了幾種測(cè)試，每種都安裝了不同密度和幾何形狀的泡沫體。這些塞子分別安裝到鋼管正下方墊塊的頂部。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，圓形塞子會(huì)浮到水面上。這些塞子可以回收利用，但不能有效地封住鋼管。圓柱形塞子比圓形塞子密度小，一旦被水浸透便不會(huì)浮動(dòng)，可以有效防止沖刷，延緩初凝。

測(cè)試系統(tǒng)最初定位在水中。從船舶上升起的下料管上，封口的料斗裝滿導(dǎo)管混凝土，然后提升到一定高度。一旦料斗和管段連接，起重機(jī)將其吊到位于陸地上的具體位置。除去止動(dòng)件，導(dǎo)管混凝土自動(dòng)下落到鋼管中。早期的試驗(yàn)是不成功的，并得出結(jié)論：0.2 m的管道太小，需要將剛管直徑增大。后來，直徑增加到0.25 m。這樣增加了56%的面積，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)附加質(zhì)量是需要啟動(dòng)鋼管系統(tǒng)的。當(dāng)時(shí)料斗數(shù)量增加了1倍，料斗容量增加到2.3 m3。遇到的另一個(gè)問題與該混合物的凝膠時(shí)間有關(guān)。使用抗分散外加劑引起的觸變特性造成混凝土在鋼管中變硬和阻止混凝土自由流經(jīng)導(dǎo)管。混凝土突然凝膠會(huì)堵住鋼管和料斗。修改混合物的特性，防止混凝土在鋼管內(nèi)凝膠化，在現(xiàn)場(chǎng)證明是可行的。

7 鋼管混凝土的配合比設(shè)計(jì)

全面的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試不僅發(fā)現(xiàn)了鋼管系統(tǒng)問題，而且發(fā)現(xiàn)了混凝土配合比需要修改的幾個(gè)方面。缺點(diǎn)是造成鋼管堵塞的原因馬上從配合比中將其移除，換另一種外加劑VMA。當(dāng)我們從配合比設(shè)計(jì)中去掉AWA時(shí)，我們沒有預(yù)料到設(shè)定的時(shí)間會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)外加劑被替換為VMA時(shí)，AWA的阻滯效應(yīng)也丟失了。恢復(fù)設(shè)計(jì)，需要加入緩凝劑。混合物在批量測(cè)試過程中，在流動(dòng)性發(fā)生顯著變化前至少要有3 h處于理想狀態(tài)。

有人認(rèn)為美國(guó)陸局工程兵團(tuán)（USACE）抗沖刷測(cè)試并不能代表實(shí)際狀況下發(fā)生的沖刷。美國(guó)陸局工程兵團(tuán)（USACE）的測(cè)試需要新樣品以自由落體的狀態(tài)通過特定的水柱，測(cè)試三次以確定抗沖刷效果。這個(gè)測(cè)試在移動(dòng)的水中更為合適或?qū)⒒炷林糜谒?，例如在一個(gè)木桶中。正確使用漂浮系統(tǒng)時(shí)，只有少量新的混凝土與水接觸。另外，當(dāng)將混凝土放置在停滯不前的水中時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)，混凝土和水的界面受到最小的沖刷。通過凝土檢測(cè)儀器反饋的信息可以看出，實(shí)際受沖刷的區(qū)域僅為幾米。之后用ROV對(duì)混凝土進(jìn)行觀察和探測(cè)，結(jié)果沒有發(fā)現(xiàn)水泥漿。

8 結(jié)論

我們了解到，搭配50%的粉煤灰是最好的選擇，基于熱模擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試數(shù)據(jù)被收集。過少的粉煤灰會(huì)使混凝土穩(wěn)定性變得很差，過多的粉煤灰會(huì)對(duì)凝結(jié)時(shí)間有影響。使用VMA是滿足規(guī)定最小沖刷的需求。在使用AWA時(shí)，會(huì)造成凝膠，混凝土在鋼管中下落時(shí)會(huì)失去流動(dòng)性。然而，要想使高塌落度的混凝土保持穩(wěn)定性，則必須使用VMA和AWA外加劑，以保持混合物的穩(wěn)定性和減少泌水。對(duì)鋼管系統(tǒng)的改進(jìn)可以使其沿水平方向移動(dòng)，從而可以放置大量的混凝土。我們發(fā)現(xiàn)，鋼管系統(tǒng)的微小移動(dòng)可以減少混凝土的損失、改進(jìn)系統(tǒng)的密封和移動(dòng)性。取得了較好的效果。從這個(gè)項(xiàng)目中得到的經(jīng)驗(yàn)是，水下澆筑混凝土成功的關(guān)鍵是充分準(zhǔn)備和規(guī)劃，同時(shí)具備一個(gè)好的評(píng)估系統(tǒng)，并且做好澆筑前的測(cè)試工作。

原著名及編輯：World Tunnel Congress 2013 Geneva

Underground–the way to the future！

G.Anagnostou & H.Ehrbar（eds）

出版社：? 2013 Taylor & Francis Group，London.

刊號(hào)：ISBN 978-1-138-00094-0

作者：J.Grayson，J.Nickerson

本文為譯文，如有不當(dāng)之處，請(qǐng)加以指正。

〔編輯：劉曉芳〕