大型沉管混凝土澆筑質(zhì)量控制方法

黃文慧，李子杰

（1、中交四航局第二工程有限公司 廣州510230；2、中交第四航務(wù)工程局有限公司 廣州510290）

1 工程概況

港珠澳大橋一橋飛架三地，使粵港澳三地之間的各項(xiàng)交往更加頻繁、便捷，全橋長(zhǎng)達(dá)55 km，是集橋、島、隧為一體的大型跨海通道［1］。這座將要使用120年的跨海大橋最關(guān)鍵之處就在于沉管隧道，是我國(guó)基建史上技術(shù)最復(fù)雜、標(biāo)準(zhǔn)最高、體量最大的沉管隧道，是我國(guó)沉管隧道建設(shè)新的里程碑，同時(shí)它也處在目前世界上沉管隧道綜合難度排行榜的前列［2-5］。

港珠澳大橋的沉管隧道部分總長(zhǎng)5.664 km，由33節(jié)沉管拼接而成，其橫斷面為兩孔一管廊形式，斷面高度為11.4 m、寬度為37.95 m、最大厚度為1.7 m，由8個(gè)22.5 m的節(jié)段組成180 m長(zhǎng)的標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)，對(duì)沉管選用強(qiáng)度為C45的混凝土進(jìn)行澆筑，采用自防水設(shè)計(jì)，沉管結(jié)構(gòu)斷面如圖1所示。

沉管全部由工廠化預(yù)制的方式生產(chǎn)，按特有的流水生產(chǎn)線布置施工工藝［6］，所有的沉管預(yù)制相關(guān)工序均可在生產(chǎn)車間全天候持續(xù)進(jìn)行，與其他同類工廠相比，其預(yù)制工藝體現(xiàn)出以下幾個(gè)特點(diǎn)：

圖1 預(yù)制沉管結(jié)構(gòu)斷面Fig.1 Prefabricated Immersed Tube Cross Section

⑴ 沉管的橫斷面為雙孔單管廊，其具有約束復(fù)雜、斷面面積大的顯著特征，進(jìn)而增加了把控沉管裂隙的難度。

⑵ 沉管澆筑選用泵送工藝進(jìn)行全斷面澆筑，單次不間斷作業(yè)澆筑混凝土方量高達(dá)3 413 m3，具有單次澆筑方量大、澆筑設(shè)備及人員多、單次澆筑持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)，對(duì)整個(gè)澆筑過(guò)程的作業(yè)人員工作狀態(tài)、澆筑外部環(huán)境、振搗提出了高要求。

⑶ 沉管的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段所需鋼筋用量約為1 100 t，且鋼筋最小凈距約60 mm，具備高密集鋼筋網(wǎng)的特征，這就要求澆筑的混凝土具有良好的和易性以及確?；炷猎谡駬v過(guò)程中無(wú)盲區(qū)，保證混凝土在沉管的鋼筋密集處的振搗質(zhì)量。

2 混凝土澆筑溫度控制

2.1 控制混凝土生產(chǎn)溫度

⑴ 控制混凝土原料進(jìn)場(chǎng)溫度。通過(guò)與混凝土原料生產(chǎn)廠家簽署相關(guān)約束合同，嚴(yán)格把關(guān)入場(chǎng)膠凝材料的溫度，其中水泥進(jìn)場(chǎng)溫度不超過(guò)60℃、粉煤灰不超過(guò)40 ℃、礦粉不超過(guò)50 ℃［7］。

⑵ 延長(zhǎng)混凝土原料存放時(shí)間?，F(xiàn)場(chǎng)針對(duì)低熱、低收縮混凝土膠凝材料系統(tǒng)構(gòu)成，水泥、粉煤灰與礦粉各裝置2個(gè)800 t中轉(zhuǎn)儲(chǔ)蓄倉(cāng)，另外在混凝土拌合區(qū)域裝置8個(gè)500 t水泥儲(chǔ)料灌，通過(guò)中間存儲(chǔ)倉(cāng)與儲(chǔ)料罐之間的轉(zhuǎn)運(yùn)、倒倉(cāng)，延長(zhǎng)原材料的存放時(shí)間。并在儲(chǔ)蓄倉(cāng)與儲(chǔ)料罐的外壁涂刷白色涂料，如圖2所示。高溫天氣時(shí)，對(duì)儲(chǔ)蓄倉(cāng)采用噴水淋灑，起到降溫的效果。

圖2 中間存儲(chǔ)倉(cāng)降溫Fig.2 The Middle Cooling Storage Storehouse

⑶ 降低混凝土原料堆場(chǎng)區(qū)溫度。在砂、石料堆場(chǎng)區(qū)，設(shè)置噴霧系統(tǒng)，結(jié)合天氣情況，對(duì)砂、石料堆場(chǎng)進(jìn)行不同頻率的噴霧降溫。

⑷ 降低原材料上料溫度。原材料上料通道，設(shè)置遮陽(yáng)、遮雨棚，減少上料過(guò)程陽(yáng)光、雨水的影響。優(yōu)化上料通道調(diào)整通道寬度、角度，使上料過(guò)程中的摩擦生熱降低。

⑸ 控制混凝土出機(jī)溫度。在混凝土開(kāi)始拌合之前，將制冰機(jī)組提早制備好的冷卻水存于恒溫水池使水溫＜5℃；將提前生產(chǎn)好的碎冰存于溫度＜-8℃的冰庫(kù)中，碎冰經(jīng)由外覆隔熱層的水平螺旋運(yùn)輸機(jī)送至攪拌系統(tǒng)中，以達(dá)到控制混凝土出機(jī)溫度的目標(biāo)，如圖3所示。

2.2 混凝土運(yùn)輸過(guò)程溫度控制

混凝土出站之后運(yùn)到預(yù)制廠房側(cè)門處的放料點(diǎn)，車內(nèi)混凝土放料至拖泵中由拖泵泵送至混凝土澆筑現(xiàn)場(chǎng)。在混凝土的運(yùn)輸過(guò)程中，陽(yáng)光直曬、摩擦生熱以及空氣對(duì)流等因素都會(huì)不同程度導(dǎo)致到達(dá)澆筑現(xiàn)場(chǎng)的混凝土較出機(jī)時(shí)溫度有所升高，其主要控制措施有：

⑴ 攪拌車加保溫布。攪拌車罐體表面包一層吸水布，運(yùn)輸途中不斷噴水，削弱罐體因日光照射而產(chǎn)生的溫度升高現(xiàn)象，如圖4所示。

圖3 制冰機(jī)Fig.3 The Ice Maker

圖4 攪拌車加保溫布Fig.4 The Mixers with Insulation Cloth

⑵ 設(shè)置遮陽(yáng)棚。在拖泵處，搭設(shè)固定的遮陽(yáng)、遮雨棚，防止混凝土從攪拌車下料至拖泵時(shí)，陽(yáng)光照射、雨水進(jìn)入，影響混凝土溫度及含水率。

⑶ 管道保溫。露天泵管固定后用經(jīng)過(guò)定型加工的海綿進(jìn)行外部包裹用以吸收水分，防止在日光暴曬的情況下泵管內(nèi)溫度過(guò)度升高，在澆筑狀態(tài)時(shí)，間接對(duì)泵管進(jìn)行噴水處理，用以削弱混凝土在泵送過(guò)程中所產(chǎn)生的摩擦升溫現(xiàn)象，如圖5所示。

圖5 管道保溫Fig.5 Pipe Insulation

⑷ 優(yōu)化管路。減少泵送管路泵管彎頭數(shù)量，盡量布置直線管路，降低混凝土在管內(nèi)的摩擦溫度。

3 混凝土澆筑方法控制

3.1 澆筑順序

根據(jù)模板設(shè)計(jì)受力標(biāo)準(zhǔn)，澆筑混凝土的順序按照先中隔墻后側(cè)墻進(jìn)行，斷面上按先中間后兩側(cè)進(jìn)行，沉管節(jié)段的澆筑截面共劃為4個(gè)區(qū)域進(jìn)行，縱向則按由遠(yuǎn)及近逐層推進(jìn)；斷面橫向按照：Ⅰ區(qū)?Ⅱ區(qū)?Ⅲ區(qū)?Ⅳ區(qū)順序進(jìn)行布料澆筑。其中Ⅰ區(qū)為底板澆筑；Ⅱ區(qū)為墻體下部及底板上部；Ⅲ區(qū)為墻體上部；Ⅳ區(qū)為頂板，詳細(xì)的澆筑分區(qū)如圖6所示。

圖6 澆筑分區(qū)Fig.6 Casting Partition

3.2 人員管理

在混凝土澆筑過(guò)程中，人員的作業(yè)水平是保證混凝土澆筑質(zhì)量的最主要因素，有效加強(qiáng)人員的管控以及提高現(xiàn)場(chǎng)振搗人員的整體振搗水平，對(duì)提高沉管混凝土澆筑質(zhì)量至關(guān)重要，其措施有：

⑴ 制定振搗班組準(zhǔn)入制度。明確了振搗人員的主要工作內(nèi)容及要求、任職資格及條件、工作權(quán)限等內(nèi)容，保障現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的綜合素質(zhì)。

⑵ 加強(qiáng)對(duì)振搗人員的培訓(xùn)教育和交底。通過(guò)會(huì)議室理論及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)操考核，階段性進(jìn)行總結(jié)，強(qiáng)化培訓(xùn)不斷提升振搗人員的振搗水平，如圖7所示。

圖7 人員交底Fig.7 Personnel Clarificaiton

⑶ 按區(qū)域劃分責(zé)任制，明確作業(yè)人員質(zhì)量責(zé)任。明確各個(gè)部位的振搗人員，在混凝土澆筑完成后，根據(jù)混凝土外觀質(zhì)量，按區(qū)域?qū)φ駬v人員實(shí)行獎(jiǎng)罰、教育制度，對(duì)班組長(zhǎng)加強(qiáng)職務(wù)考核力度。

⑷ 安排管理人員現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)識(shí)振搗點(diǎn)，澆筑過(guò)程，對(duì)振搗人員振搗時(shí)間、振搗間距、分層布料等進(jìn)行記錄、登記，重點(diǎn)關(guān)鍵部位，安排全程跟蹤監(jiān)督，如圖8所示。

3.3 下料點(diǎn)設(shè)置

縱向長(zhǎng)度過(guò)大，為確?；炷料铝系木鶆?，側(cè)墻和中隔墻下料點(diǎn)縱向每2.5 m設(shè)置1個(gè)，采用定點(diǎn)布設(shè)長(zhǎng)10 m的拆卸式串筒，串筒隨著混凝土面升高而逐節(jié)拆卸，確保混凝土的自由下落高度小于2 m。

圖8 振搗點(diǎn)標(biāo)識(shí)Fig.8 Vibrating Point Identification

底板和頂板混凝土澆筑時(shí)，底板腔內(nèi)的布料機(jī)及頂板移動(dòng)式布料機(jī)可全覆蓋，將混凝土直接輸送至澆筑位置，安排熟練的專職布料工人引導(dǎo)布料機(jī)布料。

3.4 振搗通道

沉管配筋率大，特別是墻體受剪力區(qū)及預(yù)留、預(yù)埋區(qū)域更是振搗困難區(qū)域，若振搗人員不能接近這些區(qū)域，則會(huì)形成振搗盲區(qū)，不能保證振搗密實(shí)，為此，在墻體及鋼筋密度高的區(qū)域設(shè)置振搗通道以及選用專用振搗引導(dǎo)器。

⑴ 考慮到墻體結(jié)構(gòu)受力的影響，在距離底板4.5 m的位置設(shè)置縱向振搗通道，并在每個(gè)縱向振搗通道的底部，設(shè)置12個(gè)1 m×1.5 m豎向振搗通道，如圖9所示。

⑵ 在剪力鍵、端模中埋式止水帶附近，采用4個(gè)5 cm寬的扁鐵與10 cm鋼圓圈焊接而成的專用振搗通道，在倒角位置，按1 m的間距設(shè)置70 mm×50 mm×2 m的角鋼進(jìn)行引棒。

3.5 振搗器的選擇

沉管預(yù)制，基本采用插入式振搗器，個(gè)別位置輔助采用外置振搗器，目前國(guó)內(nèi)插入式振搗器多以直徑φ50 mm和φ70 mm為主，但受限于國(guó)內(nèi)振搗器有效振搗半徑過(guò)小、振動(dòng)頻率過(guò)低的影響，在大截面、鋼筋密集、結(jié)構(gòu)厚、混凝土使用壽命要求高的沉管中，多采用進(jìn)口振搗棒，兩者參數(shù)對(duì)比如表1所示。

圖9 振搗通道設(shè)置Fig.9 Vibrating Channels Set

表1 國(guó)產(chǎn)與進(jìn)口振搗器參數(shù)對(duì)比Tab.1 Domestic and Imported Vibrator Parameter Comparison

3.6 混凝土的搗實(shí)

⑴ 混凝土在端部的振搗間距，主要通過(guò)在端部標(biāo)示的振搗點(diǎn)，中間部位的間距控制，以鋼筋間距作為控制點(diǎn)，墻體內(nèi)的振搗間距，除按鋼筋間距控制外，安排專人進(jìn)入鋼筋籠內(nèi)全程跟蹤。

⑵ 混凝土分層澆筑和振搗，確保每個(gè)振搗點(diǎn)的振搗時(shí)間在15～30 s，做到快插慢拔。振搗時(shí)把控好棒頭插入混凝土的跨距和深淺，振搗棒的有效作用半徑約為35 cm，過(guò)程中振搗棒挪動(dòng)的距離應(yīng)≤52.5 cm。振搗高一層混凝土要在低一層混凝土初凝之前進(jìn)行，且進(jìn)入下層深度控制在5～10 cm，如圖10所示。

圖10 振搗半徑Fig.10 Vibrating Radius

⑶ 通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置時(shí)鐘，控制每個(gè)下料點(diǎn)的下料時(shí)間，從而更加準(zhǔn)確地控制墻體內(nèi)的分層厚度。

⑷ 人員振搗過(guò)程中，通過(guò)定期的現(xiàn)場(chǎng)振搗測(cè)試，判斷和檢驗(yàn)振搗人員的水平，不斷進(jìn)行改進(jìn)、提高，并實(shí)行定人定崗，誰(shuí)振搗，誰(shuí)負(fù)責(zé)，采取可追溯性制度，從而更好地提高振搗人員的責(zé)任心。振搗過(guò)程，采用前面、后面跟隨振搗，根據(jù)振搗半徑采用一字排開(kāi)的方式，避免漏振，如圖11所示。

⑸ 振搗模板和預(yù)應(yīng)力管道附近的混凝土?xí)r，既要保證振搗到位，又不得碰撞模板、管道、預(yù)埋件和鋼筋。

⑹ 側(cè)墻和中隔墻混凝土澆筑時(shí)，及時(shí)對(duì)人孔位置的鋼筋進(jìn)行同類鋼筋綁扎搭接接頭修復(fù)，確保鋼筋數(shù)量和安裝質(zhì)量滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求；特殊位置處（如剪力鍵位置、倒角位置等）需加強(qiáng)混凝土的振搗。

4 澆筑環(huán)境控制

圖11 現(xiàn)場(chǎng)振搗示意圖Fig.11 Field Vibrating Schematic

混凝土在澆筑過(guò)程中，受澆筑方量大的影響，單次澆筑時(shí)間達(dá)34 h，夏天澆筑時(shí)，澆筑環(huán)境溫度過(guò)高，進(jìn)一步影響工人的振搗效果，尤其是墻體鋼筋籠內(nèi)，鋼筋密集、空間狹小，人員移動(dòng)又頻率，更易受澆筑環(huán)境的影響［8-10］。

傳統(tǒng)澆筑過(guò)程，常采用鼓風(fēng)機(jī)對(duì)墻體進(jìn)行降溫，但鼓風(fēng)機(jī)只能達(dá)到送風(fēng)的效果，無(wú)法進(jìn)行高效降溫，且墻體高度過(guò)高，鼓風(fēng)機(jī)難以將風(fēng)送到底部的區(qū)域［11］。為此采用空調(diào)冷風(fēng)機(jī)進(jìn)行降溫，空調(diào)冷風(fēng)機(jī)通過(guò)風(fēng)管將冷風(fēng)送至墻體內(nèi)，降低鋼筋籠內(nèi)環(huán)境溫度，從而大大改善澆筑環(huán)境。

5 混凝土養(yǎng)護(hù)

沉管混凝土在拆模之前用土工布覆蓋24 h蓄水養(yǎng)護(hù)，拆模之后采用養(yǎng)護(hù)棚+噴霧系統(tǒng)恒濕進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，確保濕度滿足設(shè)計(jì)要求。

⑴ 沉管底模脫模后，在澆筑區(qū)未頂推前，底板采用活動(dòng)式噴霧系統(tǒng)，伸到底板與底模區(qū)進(jìn)行噴霧養(yǎng)護(hù)。頂推出澆筑后，通過(guò)養(yǎng)護(hù)棚噴霧系統(tǒng)養(yǎng)護(hù)，沉管外側(cè)、內(nèi)廊道均設(shè)置噴霧系統(tǒng)，定時(shí)、自動(dòng)開(kāi)關(guān)，控制養(yǎng)護(hù)區(qū)相對(duì)濕度環(huán)境大于90%。

⑵ 通過(guò)對(duì)拆模之后沉管溫度的監(jiān)測(cè)，及時(shí)改進(jìn)養(yǎng)護(hù)方法，確保內(nèi)表溫差不超過(guò)25℃。

6 結(jié)語(yǔ)

本文從控制混凝土澆筑溫度、振搗通道設(shè)置及養(yǎng)護(hù)等方面，對(duì)混凝土澆筑過(guò)程的質(zhì)量控制進(jìn)行簡(jiǎn)單闡述。目前隨著跨江跨海隧道發(fā)展，大截面、大體積的鋼筋混凝土沉管越來(lái)越被人們所選用，而混凝土的澆筑質(zhì)量對(duì)于沉管混凝土的抗?jié)B、抗裂以及使用壽命均起到至關(guān)重要的作用。本文對(duì)混凝土澆筑質(zhì)量的控制方法，能為后續(xù)大型沉管預(yù)制提供參考和借鑒。