深中通道鋼殼管節(jié)自密實(shí)混凝土制備及澆筑技術(shù)

王彭生， 黃文慧， 嵇 廷， 范志宏

(1. 中交四航工程研究院有限公司， 廣東 廣州 510230； 2. 中交四航局第二工程有限公司，廣東 廣州 510230； 3. 中交第四航務(wù)工程局有限公司， 廣東 廣州 510230)

0 引言

隨著我國社會、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，以及人們環(huán)保意識的提高，采用水下隧道方式跨越江河和海灣(峽)的需求越來越迫切。相比于橋梁，水下隧道可實(shí)現(xiàn)全天候通行，對航運(yùn)干擾少，同時(shí)也可較好地保護(hù)原有生態(tài)與自然環(huán)境[1-2]。

據(jù)國際隧道協(xié)會的統(tǒng)計(jì)資料，20世紀(jì)世界各國已建的沉管隧道中約有1/3的隧道均采用了鋼殼混凝土結(jié)構(gòu)[3]。在我國已建及在建的沉管隧道工程中，僅香港有1座單層鋼殼雙孔的沉管隧道，其他均為鋼筋混凝土沉管隧道[4]。2018年10月24日建成通車的港珠澳大橋主體工程沉管隧道為節(jié)段式鋼筋混凝土箱型斷面結(jié)構(gòu)的沉管隧道，為應(yīng)對大埋深、重荷載作用，采用了高強(qiáng)度混凝土、超厚結(jié)構(gòu)板及大配筋量等多項(xiàng)設(shè)計(jì)措施，對隧道結(jié)構(gòu)的施工提出了很高的要求[5]。

鋼殼沉管隧道采用鋼殼包裹素混凝土結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土沉管結(jié)構(gòu)相比，具有預(yù)制場地選址靈活(鋼殼預(yù)制與混凝土澆筑分離)、管節(jié)防水性能優(yōu)(鋼殼整體外包)、預(yù)制工期短(無裝拆模作業(yè))、不均勻沉降適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)[6-7]。

目前，位于港珠澳大橋上游的深圳至中山的過江通道工程(以下簡稱“深中通道”)是繼港珠澳大橋之后集“超寬超長海底隧道、超大跨海中橋梁、深水人工島、水下樞紐互通”于一體的又一超級工程，沉管隧道寬度及長度均為世界之最；同時(shí)鋼殼混凝土沉管隧道在國內(nèi)屬首次應(yīng)用，在國際上屬首次大規(guī)模應(yīng)用。工程規(guī)模、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、建造難度均是前所未有，其中較為突出的就是如何保障鋼殼內(nèi)澆筑的無法振搗的混凝土填充密實(shí)，尤其要保障混凝土與頂部鋼殼的密實(shí)接觸、不留大面積脫空等，從而保證混凝土與鋼殼協(xié)同受力，提高結(jié)構(gòu)承載能力。因此，高穩(wěn)健的自密實(shí)混凝土制備和澆筑工藝是保證鋼殼混凝土隧道質(zhì)量的關(guān)鍵。

1 深中通道鋼殼管節(jié)自密實(shí)混凝土配制技術(shù)

1.1 工程特點(diǎn)與難點(diǎn)

鋼殼混凝土管節(jié)采用雙層鋼殼內(nèi)部填充混凝土的結(jié)構(gòu)形式，混凝土需要在無振搗的條件下在鋼殼內(nèi)依靠自身流動性和填充性形成密實(shí)結(jié)構(gòu)，并最終與鋼殼共同作用達(dá)到協(xié)同受力的效果。因此，鋼殼自密實(shí)混凝土的配制是鋼殼混凝土管節(jié)制作的一項(xiàng)關(guān)鍵工作。由于鋼殼混凝土沉管在我國還沒有實(shí)際工程的應(yīng)用，鮮有關(guān)于鋼殼自密實(shí)混凝土的研究和應(yīng)用的報(bào)道，因此，相關(guān)的研究工作具有較高的探索性。首先，鋼殼混凝土管節(jié)這種特殊的結(jié)構(gòu)形式對混凝土性能指標(biāo)的要求不明確； 其次，滿足指標(biāo)要求且適合管節(jié)特殊結(jié)構(gòu)的鋼殼自密實(shí)混凝土的配制技術(shù)需要探索。鋼殼自密實(shí)混凝土一方面需要具備良好的工作性能，在鋼殼倉隔內(nèi)依靠自身流動性形成密實(shí)填充；另一方面，為了增加混凝土與鋼殼之間的協(xié)同作用效果，混凝土還需要具備良好的體積穩(wěn)定性，理論上要求盡量減少混凝土在澆筑到倉隔后的體積收縮； 同時(shí)，混凝土還需要具備足夠的強(qiáng)度，以起到應(yīng)有的結(jié)構(gòu)受力作用。因此，鋼殼自密實(shí)混凝土的配制需要解決高工作性能與高體積穩(wěn)定性之間的矛盾。同時(shí)，鋼殼混凝土管節(jié)的服役是一個(gè)長期過程，鋼殼自密實(shí)混凝土在這個(gè)長期過程中的性能演變對整個(gè)管節(jié)的正常服役具有重要影響，因此混凝土的長期性能需要明確。

1.2 鋼殼管節(jié)自密實(shí)混凝土性能關(guān)鍵控制指標(biāo)

我國自密實(shí)混凝土標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范CCES 02—2004《自密實(shí)混凝土設(shè)計(jì)與施工指南》、CECS 203—2006《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》和JGJ/T 283—2012《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》對自密實(shí)混凝土的工作性能指標(biāo)給出了詳細(xì)規(guī)定；日本及歐洲的自密實(shí)混凝土標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范也給出了自密實(shí)混凝土工作性能的評價(jià)方法，如表1所示。

表1 國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中自密實(shí)混凝土工作性能評價(jià)方法

由表1可知，自密實(shí)混凝土的填充性可以通過坍落擴(kuò)展度和擴(kuò)展時(shí)間(T500)來評價(jià)，間隙通過性可以通過L型儀和U型儀試驗(yàn)來評價(jià)，抗離析性可以通過離析率等指標(biāo)測試來評價(jià)?？紤]到施工過程中現(xiàn)場測試的適用性和質(zhì)量控制的需要，采用L型儀試驗(yàn)評價(jià)混凝土抗離析性和間隙通過性的基本技術(shù)指標(biāo)。在室內(nèi)研究過程中，也將U型儀試驗(yàn)作為自密實(shí)混凝土工作性能評價(jià)方法之一。

鋼殼沉管倉隔內(nèi)沒有布置鋼筋，但是設(shè)置有扁鋼和角鋼。混凝土要填充扁鋼、角鋼和鋼板之間的空間，需要具備一定的流動性和填充性。綜合考慮國外技術(shù)調(diào)研結(jié)果、我國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的相關(guān)規(guī)定和鋼殼管節(jié)倉隔的結(jié)構(gòu)特征，結(jié)合現(xiàn)場施工過程中質(zhì)量控制的可行性，確定鋼殼自密實(shí)混凝土的基本性能需求和施工關(guān)鍵控制指標(biāo)，如表2所示。

1.3 混凝土配合比設(shè)計(jì)

自密實(shí)混凝土的工作性能與膠凝材料用量有關(guān)，通常提高膠凝材料用量有利于提高自密實(shí)混凝土的工作性能。但是膠凝材料用量過高也會產(chǎn)生不良影響，如體積收縮增大、混凝土分層、混凝土成本增加等。砂率也是影響自密實(shí)混凝土工作性能的主要因素之一，砂率太低，混凝土流動性不足，太高則可能導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度降低、彈性模量下降、收縮量增大、成本提高等。減水劑對自密實(shí)混凝土工作性能起到關(guān)鍵作用，采用專屬聚羧酸系高效減水劑，可以保證混凝土擴(kuò)展度在650±50 mm內(nèi)仍具有較好的和易性。膠凝材料用量和砂率對自密實(shí)混凝土工作性能的影響如表3所示。

表2 自密實(shí)混凝土基本性能參數(shù)及指標(biāo)要求

表3 膠凝材料用量和砂率對自密實(shí)混凝土工作性能的影響

采用大摻量粉煤灰和小摻量礦粉復(fù)摻的混凝土具有較小的干縮值和較好的體積穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上，加入復(fù)合型膨脹劑，混凝土的收縮量進(jìn)一步下降，但是下降效果并不十分顯著。在鋼殼混凝土管節(jié)結(jié)構(gòu)中，自密實(shí)混凝土處于封閉狀態(tài)，混凝土中的水分不會向周圍環(huán)境中散失，因此混凝土的收縮主要為自收縮，總收縮值較小。模擬鋼殼密閉環(huán)境下，未加膨脹劑的自密實(shí)混凝土90 d內(nèi)收縮值測試結(jié)果如圖1所示。根據(jù)收縮發(fā)展曲線，自密實(shí)混凝土90 d內(nèi)收縮值接近200×10-6。此外，管節(jié)倉隔結(jié)構(gòu)中設(shè)置有L型肋，該結(jié)構(gòu)可對混凝土的收縮起到重要的約束作用，進(jìn)一步降低混凝土的收縮量。因此，在鋼殼自密實(shí)混凝土的配制中，可考慮采用不摻膨脹劑的低收縮混凝土[8]。

1.4 鋼殼自密實(shí)混凝土收縮性能預(yù)測研究

為預(yù)測混凝土的收縮變形，近年來國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和學(xué)者提出了多個(gè)混凝土收縮計(jì)算模型，不同模型的適應(yīng)情況分析如表4所示。

圖1 模擬鋼殼密閉環(huán)境自密實(shí)混凝土收縮測試結(jié)果

表4 不同混凝土收縮計(jì)算模型適用情況分析

表4(續(xù))

根據(jù)復(fù)摻礦粉和粉煤灰混凝土的自收縮預(yù)測研究結(jié)果，考慮到現(xiàn)有經(jīng)典模型對于混凝土自收縮預(yù)測的基本方程，建立鋼殼密閉環(huán)境下自密實(shí)混凝土收縮εca預(yù)測模型如下：

εca(t)=εca(∞)αβ(t)c。

(1)

εca(∞)=4.5fcu×10-6。

(2)

β(t)=1-exp[-0.6(t-t0)0.4]。

(3)

式中：fcu為鋼殼自密實(shí)混凝土的28 d立方體抗壓強(qiáng)度，MPa;α為與礦物摻合料有關(guān)的修正系數(shù);β(t)為與初凝時(shí)間有關(guān)的修正系數(shù);c為與約束有關(guān)的修正系數(shù);t0為鋼殼自密實(shí)混凝土的初凝時(shí)間，d。根據(jù)圖1的測試結(jié)果，確定模型參數(shù)。針對鋼殼自密實(shí)混凝土在管節(jié)倉隔內(nèi)的1年期(365 d)收縮進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果為206.8×10-6，混凝土長期體積穩(wěn)定性較好。

2 深中通道鋼殼混凝土澆筑技術(shù)

跨海隧道結(jié)構(gòu)鋼殼沉管作為一種新穎的設(shè)計(jì)，其混凝土材料應(yīng)用及預(yù)制工藝均與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土沉管結(jié)構(gòu)有著顯著的差異，且尚未在我國大型工程中應(yīng)用。因此，鋼殼混凝土管節(jié)的自密實(shí)混凝土澆筑施工工藝是深中通道工程鋼殼方案的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)管節(jié)高品質(zhì)、高工效預(yù)制的關(guān)鍵。

2.1 澆筑方法和速度

混凝土的澆筑方法和澆筑速度直接影響混凝土在鋼殼內(nèi)部的填充料，為保證混凝土澆筑后在鋼殼內(nèi)有較高的填充率，控制澆筑管口距液面下落高度不超過50 cm； 當(dāng)混凝土液面距頂板20 cm以上時(shí)，澆筑速度控制在30 m3/h； 當(dāng)距離倉隔頂板20 cm以內(nèi)時(shí)，澆筑速度控制在15 m3/h；同時(shí)，將排氣孔混凝土液面上升高度調(diào)整為30 cm，作為澆筑結(jié)束條件。

2.2 深中通道管節(jié)混凝土澆筑順序

2.2.1 橫向澆筑順序

深中通道鋼殼沉管截面尺寸為46.9 m×10.5 m×165 m，管節(jié)橫斷面較大。若按照日本那霸管節(jié)施工經(jīng)驗(yàn)，先完成全部墻體的澆筑，單次混凝土澆筑量過大，且可能對管節(jié)底板的變形控制不利，而底板的變形與管節(jié)的基床息息相關(guān)。因此采用跳倉對稱澆筑，澆筑順序先底板、再墻體、最后頂板，這樣可以有效控制管節(jié)變形。管節(jié)的澆筑分區(qū)如圖2所示。

圖2 混凝土澆筑分區(qū)斷面示意圖

2.2.2 縱向澆筑順序

管節(jié)在縱向的澆筑順序在長度方向劃分為16個(gè)混凝土澆筑施工段(S1～S16)。在澆筑橫斷面單個(gè)分區(qū)時(shí)，混凝土在管節(jié)縱向的總體安排為：第1次澆筑S6、S11施工段，第2次澆筑S2、S15施工段，第3次澆筑S8、S9施工段，第4次澆筑S4、S13施工段，第5次澆筑S5、S12施工段，第6次澆筑S1、S16施工段，第7次澆筑S7、S10施工段，第8次澆筑S3、S14施工段?？傮w澆筑順序如圖3所示。

圖3 混凝土縱向分段澆筑順序示意圖(單位： cm)

2.2.3 單次混凝土澆筑順序

根據(jù)豎向及縱向澆筑順序，管節(jié)混凝土澆筑共需進(jìn)行64次澆筑。單次澆筑時(shí)，“對稱”的總體要求采用4臺布料機(jī)分為2組分別在對稱的施工段澆筑，單個(gè)施工段澆筑時(shí)遵循從管節(jié)兩端向中間進(jìn)行澆筑原則。單次澆筑順序如圖4所示。

圖4 混凝土單次澆筑順序示意圖

2.3 鋼殼管節(jié)倉隔的下料管、排氣管設(shè)置

神戶港港島鋼殼管節(jié)倉隔下料孔、排氣孔設(shè)置如圖5所示。該鋼殼管節(jié)倉隔下料孔設(shè)置在倉隔中間部位，直徑為200 mm，排氣孔布置在倉隔四周邊，共8個(gè)，直徑為50 mm，間距約為1.3 m。為了使倉隔內(nèi)空氣有效排出，結(jié)合混凝土流動規(guī)律，深中通道鋼殼管節(jié)優(yōu)化了工藝孔的合理構(gòu)造，每個(gè)倉隔頂板排氣孔數(shù)量由原設(shè)計(jì)的8個(gè)調(diào)整為10個(gè)，如圖6所示。

圖5 神戶港港島隧道倉隔排氣孔布置圖(單位： mm)

圖6 深中通道倉隔排氣孔結(jié)構(gòu)布置圖(單位： mm)

2.4 肋板通氣孔設(shè)置

肋板通氣孔的有無對型鋼周邊的混凝土填充性有很大的影響，如果沒有肋板通氣，混凝土的澆筑情況就無法達(dá)到預(yù)期效果。另外，國外研究資料表明，肋板通氣孔的大小，一般為最大顆粒尺寸的2～3倍比較合適。自密實(shí)混凝土的最大顆粒尺寸要求不超過25 mm，所以肋板通氣孔尺寸為50～75 mm。

在對國外相關(guān)資料研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合肋板受力規(guī)范(孔洞高度不超過肋板高度1/2)，得到了以下參數(shù)設(shè)置：為降低肋板對混凝土的阻隔影響，在角鋼上設(shè)置通氣孔，角鋼通氣孔間距為250 mm，位于角鋼、扁鋼交叉點(diǎn)、以及交叉點(diǎn)中點(diǎn)部位，通氣孔底部高30 mm，寬30 mm，開孔頂角為R40半圓過渡。離澆筑孔最遠(yuǎn)端T肋通氣孔位置調(diào)整至與T肋緊挨，厚薄鋼板拼接處增設(shè)小通氣孔。T排氣孔間距設(shè)為300 mm。

3 鋼殼自密實(shí)混凝土澆筑效果

通過制定鋼殼自密實(shí)混凝土施工關(guān)鍵控制指標(biāo)，配制滿足指標(biāo)要求的自密實(shí)混凝土，并采用合理的鋼殼管節(jié)自密實(shí)混凝土施工工藝。目前，深中通道的管節(jié)已能夠高品質(zhì)、高工效預(yù)制。管節(jié)預(yù)制前的模型試驗(yàn)，驗(yàn)證了鋼殼自密實(shí)混凝土的澆筑效果。

3.1 自密實(shí)混凝土工作性

模型試驗(yàn)現(xiàn)場澆筑前，對鋼殼自密實(shí)混凝土拌合物各項(xiàng)性能進(jìn)行測試，如圖7所示，測試結(jié)果如表5所示。結(jié)果表明，在實(shí)際施工過程中，所配制的鋼殼自密實(shí)混凝土拌合物工作性良好，質(zhì)量穩(wěn)定，混凝土性能滿足控制指標(biāo)要求。在現(xiàn)場混凝土生產(chǎn)過程中，自密實(shí)混凝土的泵送和入模流暢，質(zhì)量可控，倉隔澆筑效率高。

(a) 擴(kuò)展度測試

(b) V型漏斗試驗(yàn)

(c) 含氣量測試

表5 自密實(shí)混凝土澆筑前拌合物性能測試結(jié)果

3.2 自密實(shí)混凝土強(qiáng)度

對硬化后的自密實(shí)混凝土取芯，檢測28 d抗壓強(qiáng)度，混凝土芯樣的抗壓強(qiáng)度結(jié)果如表6所示。根據(jù)抗壓強(qiáng)度結(jié)果，所有倉隔的芯樣混凝土抗壓強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。對單個(gè)倉隔不同高度處芯樣強(qiáng)度測試結(jié)果進(jìn)行分析，6#倉隔上部混凝土芯樣抗壓強(qiáng)度較下部混凝土強(qiáng)度要低，其他倉隔混凝土的強(qiáng)度分布較均勻，從頂部到底部沒有明顯的強(qiáng)度變化趨勢。結(jié)果表明，6#倉隔的自密實(shí)混凝土較其他倉隔混凝土勻質(zhì)性略差，1#、3#、7#、8#倉隔混凝土的勻質(zhì)性均良好。

表6 混凝土芯樣強(qiáng)度測試結(jié)果

3.3 自密實(shí)混凝土澆筑質(zhì)量

對模型試驗(yàn)頂部500 mm×527 mm區(qū)塊內(nèi)脫空大于5 mm的缺陷進(jìn)行標(biāo)識，并對其進(jìn)行垂直拍照，采用數(shù)值描點(diǎn)方法，統(tǒng)計(jì)其大于5 mm的脫空面積。頂部脫空拍照和描點(diǎn)如圖8所示。經(jīng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，頂面區(qū)塊內(nèi)脫空面積為7 620 mm2，即該區(qū)域內(nèi)的脫空面積率為2.89 %。

取芯混凝土的內(nèi)部形貌如圖9所示。芯樣分為頂、中、底3段，對比不同高度芯樣混凝土的骨料分布情況，對自密實(shí)混凝土內(nèi)部勻質(zhì)性進(jìn)行判斷。觀察結(jié)果表明，倉隔不同高度自密實(shí)混凝土的骨料分布較為均勻，沒有發(fā)生明顯的骨料下沉聚集情況，澆筑后的自密實(shí)混凝土勻質(zhì)性較好。此外，混凝土芯樣中均分布少量氣泡，但沒有大尺寸的缺陷，表明自密實(shí)混凝土填充較密實(shí)。

(a) 草圖

(b) 描點(diǎn)圖

圖9 模型試驗(yàn)混凝土形貌圖

4 結(jié)論與討論

1)在調(diào)研分析和試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，確定了鋼殼自密實(shí)混凝土拌合物基本性能控制指標(biāo)：坍落擴(kuò)展度650±50 mm、V型漏斗通過時(shí)間5～15s、L型儀H2/H1≥0.8mm、含氣量≤4%。通過這些控制指標(biāo)，保證混凝土具有良好的流動性、填充能力、間隙通過能力和抗離析性。

2)配合比設(shè)計(jì)結(jié)果表明，以大摻量粉煤灰和小摻量礦粉復(fù)摻的膠凝材料體系制備鋼殼自密實(shí)混凝土，所配制的混凝土拌合物性能滿足工作性要求，混凝土體積穩(wěn)定性較好，28 d抗壓強(qiáng)度可達(dá)到50 MPa以上。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和模型預(yù)測，鋼殼自密實(shí)混凝土在管節(jié)倉隔內(nèi)的1年期(365 d)收縮率為206.8×10-6。

3)澆筑工藝是影響鋼殼自密實(shí)混凝土填充質(zhì)量的主要因素之一，通過設(shè)置合理的澆筑速度、下料高度、下料孔、排氣孔和肋板通氣孔等澆筑工藝參數(shù)，可較好地實(shí)現(xiàn)自密實(shí)混凝土在鋼殼內(nèi)的流動、填充和密實(shí)。

4)通過模型試驗(yàn)，驗(yàn)證了鋼殼自密實(shí)混凝土澆筑效果，結(jié)果表明，頂部鋼殼與混凝土之間的脫空較小，大于5 mm的脫空面積占比低，同時(shí)，澆筑后自密實(shí)混凝土內(nèi)部勻質(zhì)性好，填充密實(shí)。

深中通道鋼殼混凝土沉管隧道結(jié)構(gòu)在國內(nèi)屬于首次應(yīng)用，在充分調(diào)研國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和工程案例的基礎(chǔ)上，通過試驗(yàn)研究，形成了一整套工藝技術(shù)，保障了鋼殼混凝土沉管管節(jié)的順利澆筑，也可為后續(xù)類似工程提供參考。