深中通道鋼殼沉管管節(jié)自密實混凝土智能化澆筑工藝

吳旭東，席俊杰，劉 輝，*，蘇宗賢，梁建文，劉少煒

(1.保利長大工程有限公司，廣東 廣州 510000；2.深中通道管理中心，廣東 中山 528454)

0 引言

隨著港珠澳大橋的建成通車，沉管隧道在我國實現(xiàn)了跨越式發(fā)展，但隨著經(jīng)濟的持續(xù)快速發(fā)展，普通鋼筋混凝土沉管隧道已不能滿足當今社會的發(fā)展需求。鋼殼混凝土沉管隧道因具有承載能力高、防水性能好、預(yù)制廠地要求低、施工方便快捷等顯著優(yōu)點，更加適用于大型沉管隧道[1-2]，但鋼殼沉管隧道在我國并沒有工程先例。

鋼殼混凝土沉管隧道最早出現(xiàn)在日本，是一種由鋼殼、隔板、肋板和內(nèi)填混凝土組成的隔倉式雙鋼板-混凝土組合沉管結(jié)構(gòu)[3]。隨著自密實混凝土技術(shù)的發(fā)展，該結(jié)構(gòu)在日本得到了應(yīng)用，并先后建成了神戶港港島隧道(1999年)、那霸隧道(2011年)及新若戶隧道(2012年)，所有已建及在建鋼殼沉管項目的預(yù)制質(zhì)量主要以人工過程控制為主，未形成或提出智能化預(yù)制理念[4-6]。依托神戶港港島隧道的建設(shè)，日本對隔倉式雙鋼板-混凝土組合結(jié)構(gòu)的受力性能、設(shè)計方法、構(gòu)造要求、高流動自密實混凝土配置方法、沉管預(yù)制工藝等開展了系列研究，并于1992 年頒布了《鋼コンクリートサンドイッチ構(gòu)造設(shè)計指針(案)》[7]。

鑒于以上鋼殼沉管預(yù)制現(xiàn)狀，本文結(jié)合深中通道鋼殼沉管管節(jié)澆筑施工技術(shù)特點與要求[8-9]，對項目實施的管節(jié)智能化澆筑施工工藝，包括自主研制的智能澆筑設(shè)備和自主研發(fā)的智能澆筑管理系統(tǒng)進行闡述分析。

深中通道沉管隧道施工分2個合同段實施：S09合同段負責(zé)E1—E23管節(jié)及最終接頭的實施；S08合同段負責(zé)E32—E24管節(jié)的實施。S09合同段沿用港珠澳大橋沉管隧道的桂山島預(yù)制廠進行澆筑預(yù)制，其施工環(huán)境及條件受外界干擾因素較小。S08合同段利用廣州南沙龍穴船廠的船塢進行澆筑預(yù)制，船塢內(nèi)作業(yè)空間、塢岸設(shè)施資源和塢期編排需兼顧管節(jié)鋼殼總拼、混凝土澆筑預(yù)制、一次舾裝以及造船業(yè)務(wù)，相互間存在一定影響。本文僅闡述S08合同段沉管管節(jié)船塢內(nèi)自密實混凝土澆筑工藝。

1 沉管結(jié)構(gòu)特點與混凝土性能

1.1 鋼殼沉管結(jié)構(gòu)特點

沉管隧道采用鋼殼混凝土組合結(jié)構(gòu)，鋼殼主要由內(nèi)外面板、橫縱隔板、橫縱加勁肋及焊釘組成。內(nèi)外面板和橫縱隔板連接形成受力框架、內(nèi)填混凝土的獨立隔倉，單個標準隔倉尺寸為3 m×3.5 m×1.5 m?？v向加勁肋采用T型鋼及角鋼，與焊釘保證面板與混凝土的有效連接，與橫向扁肋共同作用，以增強面板剛度。隔倉中央設(shè)置1個50 mm高的φ273 mm澆筑孔，周邊邊角及T肋附近設(shè)置10個50 mm高的φ89 mm排氣孔。隔倉澆筑時，澆筑孔外套管為長1 000 mm的PE管，排氣孔外套管為長600 mm的透明亞克力管，混凝土澆筑完成后進行等強水密封堵。單節(jié)標準管節(jié)的尺寸為165 m×46 m×10.6 m(長×寬×高)，其被縱橫隔板劃分為2 255個相互獨立的隔倉，混凝土澆筑方量約為2.93萬m3。鋼殼沉管管節(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)造見圖1。

(a)管節(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)造圖(半幅)

1.2 自密實混凝土性能要求

為保證鋼殼管節(jié)自密實混凝土在無需振搗的條件下依靠自身流動性和填充性在隔倉內(nèi)部形成密實結(jié)構(gòu)，并最終與鋼殼共同作用，達到協(xié)同受力的效果[2, 10-11]，要求采用的自密實混凝土具備良好的流動性、填充性、抗離析性等工作性能[12]，實現(xiàn)混凝土在鋼殼內(nèi)的流動和自動填充密實，同時還要有一定的黏聚性，防止混凝土發(fā)生分層。自密實混凝土工作性能主要以流動性、填充性、黏聚性、間隙通過性、抗離析性為主。

2 管節(jié)預(yù)制場布局

管節(jié)預(yù)制場選址在廣州南沙龍穴島黃埔文沖造船基地，管節(jié)澆筑期間按功能主要劃分為混凝土生產(chǎn)區(qū)和管節(jié)預(yù)制區(qū)，具體布置見圖2。

圖2 管節(jié)預(yù)制場總平面布置圖

混凝土生產(chǎn)區(qū)設(shè)置在項目營地附近。管節(jié)預(yù)制區(qū)設(shè)置在船廠船塢內(nèi)，船塢尺寸為358 m×96 m×14.3 m，塢內(nèi)兼顧管節(jié)預(yù)制和造船業(yè)務(wù)。船塢塢底采用雙向放坡形式，鋼殼管節(jié)總拼及澆筑工位布置在塢內(nèi)靠西側(cè)塢岸，東北側(cè)塢岸上設(shè)有信息化中控室、混凝土品控區(qū)、澆筑設(shè)備布置區(qū)及舾裝材料堆場等。塢內(nèi)管節(jié)預(yù)制區(qū)施工布置見圖3。

圖3 塢內(nèi)管節(jié)預(yù)制區(qū)施工布置圖

3 混凝土澆筑工藝與控制參數(shù)

3.1 混凝土澆筑工藝

為便于管節(jié)浮運，鋼殼管節(jié)在船塢內(nèi)進行澆筑預(yù)制，按照“底板—墻體—頂板”的總體澆筑順序依次完成澆筑施工。為適應(yīng)船塢內(nèi)外高差、行車道孔內(nèi)作業(yè)高度受限及管節(jié)超寬、變寬的特點，底板混凝土澆筑采用“混凝土運輸鋼通道+漏斗+澆筑臺車”工藝，即混凝土運輸車行駛至管面運輸鋼通道開設(shè)的卸料貫通孔處，通過“漏斗+導(dǎo)管”卸料至管內(nèi)澆筑臺車料斗內(nèi)；澆筑臺車通過管內(nèi)鋪設(shè)的鋼軌實現(xiàn)縱移，料斗在臺車橫梁上實現(xiàn)橫移，通過智能化控制，實現(xiàn)隔倉精確自動尋位、定速澆筑、速度自動切換及自動停止?jié)仓裙δ?。船塢內(nèi)管節(jié)底板混凝土澆筑見圖4。

圖4 船塢內(nèi)管節(jié)底板混凝土澆筑

墻體及頂板施工作業(yè)位于管頂開闊區(qū)域，機械設(shè)備工作不受空間限制，故采用布料靈活的折臂布料機澆筑，即 “混凝土輸送泵+布料機”澆筑工藝，通過智能化控制,實現(xiàn)隔倉的定速澆筑、速度自動切換及自動停止?jié)仓裙δ埽妶D5。

圖5 船塢內(nèi)管節(jié)墻體及頂板混凝土澆筑

3.2 混凝土預(yù)制主要控制參數(shù)

3.2.1 自密實混凝土性能要求

鑒于管節(jié)鋼殼隔倉的構(gòu)造特點，需要大規(guī)模應(yīng)用免振搗的高流動自密實混凝土，要求材料具備良好的流動性、填充性、黏聚性、間隙通過性和抗離析性。經(jīng)項目前期自密實混凝土配制與試驗研究，要求自密實混凝土主要工作性能控制指標見表1。

表1 鋼殼自密實混凝土主要工作性能控制指標[13]

3.2.2 主要時間控制要求

為保障自密實混凝土的工作性能相對穩(wěn)定地保持在指標要求的范圍內(nèi)，要求單車混凝土從出機到澆筑完成需嚴格控制在90 min內(nèi)；同時,單個隔倉澆筑開始到澆筑完成也需嚴格地控制在90 min內(nèi)。由于隔倉體量(標準隔倉約15.75 m3)基本上大于混凝土運輸車的裝載量(9 m3)，不能實施連續(xù)澆筑的隔倉也必須在規(guī)定的時間內(nèi)完成隔倉混凝土澆筑[14]。這對自密實混凝土運輸及澆筑的協(xié)同性和連貫性要求較高。

3.2.3 澆筑參數(shù)控制要求

經(jīng)過深中通道S08合同段前期小鋼殼模型試驗及足尺模型試驗，確定了隔倉澆筑主要控制參數(shù)，即: 隔倉下層130 cm厚按30 m3/h的速度澆筑，剩余上層20 cm厚按15 m3/h的速度澆筑；隔倉澆筑時，開始控制下料管距液面高度不大于1 m，后期控制下料口距液面高度不大于0.5 m，直至隔倉澆筑完成；以排氣管內(nèi)混凝土液面上升高度不低于30 cm判定隔倉澆筑結(jié)束。隔倉混凝土澆筑參數(shù)控制示意見圖6。

圖6 隔倉混凝土澆筑參數(shù)控制示意圖

4 智能澆筑設(shè)備研制

4.1 可變跨徑懸臂式澆筑臺車

深中通道S08合同段承擔的沉管管節(jié)包括超寬、變寬管節(jié)，為適應(yīng)管節(jié)變寬段底板隔倉澆筑施工需求，研制了可變跨徑懸臂式澆筑臺車,見圖7。澆筑臺車的主體結(jié)構(gòu)采用門架式鋼構(gòu)形式，整機以PLC控制，大、小車運行機構(gòu)，料斗閘閥，提管機構(gòu)均采用變頻調(diào)速的控制模式，并配以工控機檢測澆筑臺車運行狀況，配有無線傳輸功能，可以連接外部裝置傳送接收數(shù)據(jù)，澆筑過程可實現(xiàn)自動化及智能化。

圖7 可變跨徑懸臂式澆筑臺車

4.2 混凝土輸送泵+布料機

對于墻體和頂板的隔倉，在采用泵送工藝的基礎(chǔ)上為實現(xiàn)智能化澆筑，對混凝土輸送泵進行升級改造(見圖8)，即融合激光測距模塊和遠程控制模塊，通過監(jiān)測采集隔倉內(nèi)混凝土液面上升數(shù)據(jù)，智能化控制泵機，完成隔倉澆筑一系列規(guī)定的操作。

圖8 混凝土輸送泵升級改造

根據(jù)管節(jié)預(yù)制特點進行布料設(shè)備的定制，布料機臂架總長17 m，由3節(jié)臂桿組成，前端可實現(xiàn)10 m軟管的提升，滿足管節(jié)墻體、頂板及端鋼殼隔倉澆筑需求。定制布料機見圖9。

圖9 定制布料機

5 智能澆筑管理系統(tǒng)研發(fā)

5.1 智能澆筑管理系統(tǒng)介紹

在鋼殼混凝土澆筑預(yù)制過程中會產(chǎn)生一系列的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、攪拌運輸車數(shù)據(jù)、混凝土性能指標數(shù)據(jù)、澆筑過程監(jiān)控數(shù)據(jù)等。為自動處理這些龐大的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)澆筑過程的高效化、精細化、標準化管理，聯(lián)合“BIM+物聯(lián)網(wǎng)+智能傳感”技術(shù)，開發(fā)一個涵蓋原材料庫存管理、混凝土生產(chǎn)管理、混凝土指標檢測、混凝土智能澆筑、視頻監(jiān)控等工序的信息化智能管理系統(tǒng)，以操控各終端設(shè)備完成管節(jié)的智能化預(yù)制任務(wù)[15]。該管理系統(tǒng)的智能化實施主要是基于信息化、自動化，并結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)和BIM等技術(shù)，構(gòu)建虛擬施工信息模型, 根據(jù)實時監(jiān)測獲取的數(shù)據(jù)，對處于變化的外部環(huán)境作出決策和執(zhí)行動作(并非傳統(tǒng)地按固定的程序自動運行)，從而滿足沉管管節(jié)現(xiàn)場澆筑需求的混凝土輸送、澆筑速度控制，自動收放澆筑管，自動停止?jié)仓?，自動尋位等功能；同時，實現(xiàn)各種生產(chǎn)數(shù)據(jù)的集成化管理。管節(jié)智能化預(yù)制管理系統(tǒng)模塊劃分見圖10。

圖10 管節(jié)智能化預(yù)制管理系統(tǒng)模塊劃分

智能澆筑系統(tǒng)采用國際先進的多層技術(shù)構(gòu)架，通過C/S(client/server，客戶端/服務(wù)器模式)、B/S(browser/server，瀏覽器/服務(wù)器模式)、App、微服務(wù)等多種技術(shù)融合。C/S架構(gòu)：激光測距傳感器、澆筑設(shè)備、射頻識別傳感器設(shè)備。B/S架構(gòu)：系統(tǒng)應(yīng)用、系統(tǒng)支撐的所有模塊。App：質(zhì)量檢測模塊移動終端、車載定位移動終端。微服務(wù)：系統(tǒng)中各模塊服務(wù)耦合。建立智能化澆筑控制系統(tǒng)，以便準確、高效地控制澆筑設(shè)備，并與拌合站和運輸車輛實時聯(lián)動，實現(xiàn)智能的生產(chǎn)管控和物料運輸?shù)膭討B(tài)調(diào)配。同時，系統(tǒng)可以處理海量的數(shù)據(jù)，實時完成大容量數(shù)據(jù)處理，可提供具有開放性的數(shù)據(jù)接口，具備與其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)進行各類型數(shù)據(jù)的對接能力，并運用大數(shù)據(jù)處理機制，使用戶能夠快速準確地獲取所需的數(shù)據(jù)資源。

沉管鋼殼智能澆筑系統(tǒng)采用WIFI 2.4G無線傳輸通訊方式和mesh+ap組網(wǎng)方式，通過自動多點采集隔倉澆筑高度，并將數(shù)據(jù)實時傳輸給澆筑設(shè)備(澆筑臺車、混凝土輸送泵等)；澆筑設(shè)備接收到混凝土液面高度信息后，根據(jù)澆筑工藝工法的要求自動改變澆筑速度，達到隔倉澆筑的智能化施工。具體工作如下：

1)研發(fā)智能澆筑系統(tǒng)，多點采集隔倉混凝土液面澆筑高度，并在移動設(shè)備上可視化展示。

2)研發(fā)澆筑設(shè)備(澆筑臺車、混凝土輸送泵)控制器，實時接收激光數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)計算，發(fā)送指令控制澆筑速度，控制器同時采集澆筑設(shè)備(澆筑臺車、混凝土輸送泵)機電數(shù)據(jù)，并實時在移動設(shè)備上顯示。

3)研發(fā)車輛定位和車載設(shè)備，實時采集車輛位置和接收配送信息。

4)研發(fā)澆筑數(shù)據(jù)平臺，集成現(xiàn)場數(shù)據(jù)，實時分析后給出預(yù)警提示。

5)沉管BIM建模，利用 BIM 技術(shù)動態(tài)形象地展示澆筑進度和施工數(shù)據(jù)。

隔倉混凝土澆筑智能化控制流程見圖11。

圖11 隔倉混凝土澆筑智能化控制流程圖

5.2 智能澆筑管理系統(tǒng)應(yīng)用

5.2.1 “澆筑臺車”管節(jié)底板智能化澆筑

管節(jié)預(yù)制過程中，通過澆筑臺車與智能澆筑系統(tǒng)相結(jié)合實現(xiàn)管節(jié)智能化澆筑。即智能澆筑系統(tǒng)通過設(shè)置在管節(jié)隔倉四邊角的激光測距儀(工業(yè)級激光測距儀)實時反饋的混凝土液面上升數(shù)據(jù)，并經(jīng)系統(tǒng)處理，形成指令信號，發(fā)送給澆筑臺車控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)接收信號并控制澆筑臺車實現(xiàn)自動尋位、下料速度自動切換、下料管口高度控制、澆筑結(jié)束時機控制等功能，見圖12和圖13。

(a)澆筑前期(30 m3/h)

圖13 澆筑結(jié)束時機控制

5.2.2 “混凝土輸送泵+布料機”管節(jié)墻體及頂板智能化澆筑

管節(jié)預(yù)制過程中，通過融合在混凝土輸送泵中的激光測距模塊和遠程控制模塊，實現(xiàn)管節(jié)智能化澆筑。即智能澆筑系統(tǒng)通過設(shè)置在管節(jié)隔倉四邊角的激光測距儀實時反饋的混凝土液面上升數(shù)據(jù)，并經(jīng)系統(tǒng)處理，形成指令信號，發(fā)送給混凝土輸送泵的遠程控制系統(tǒng)，實現(xiàn)混凝土澆筑的下料速度自動切換、澆筑結(jié)束時機控制等功能?！盎炷凛斔捅?布料機”智能化澆筑見圖14。

圖14 “混凝土輸送泵+布料機”智能化澆筑

此外，在智能化自密實混凝土澆筑過程中，智能控制平板可以實現(xiàn)隔倉澆筑混凝土液面實時高度和澆筑速度的可視化展示，解決密閉隔倉“看不見”的問題。

6 實施效果

6.1 管節(jié)澆筑質(zhì)量驗收指標控制

鋼殼自密實混凝土澆筑質(zhì)量控制主要體現(xiàn)在隔倉頂板脫空高度、脫空面積比、脫空率等的控制，若其中一項指標出現(xiàn)不符合設(shè)計及相關(guān)規(guī)范要求，必須做同等強度的脫空補強，具體控制指標[9]如下。

1)混凝土允許脫空高度≤5 mm，針對底板頂和頂板頂進行分格脫空檢測，分格規(guī)格為30 cm×30 cm。

2)T肋位置的分格需要以T肋為中心、騎跨T肋進行(30 cm的分格須保證在T肋兩側(cè)各15 cm)。

3)騎跨T肋的單個分格(不連片)等效脫空高度>5 mm時需要注漿補強。

4)騎跨T肋的分格出現(xiàn)相鄰的2個及以上分格等效脫空高度均>3 mm時需要注漿補強(1個分格騎跨T肋、相鄰分格不騎跨T肋也適用本條)。

5)非T肋位置的分格等效脫空高度>5 mm時需要注漿補強。

6)脫空檢測采用沖擊映像法和中子法，由第三方獨立完成。沖擊映像法要求對底板頂和頂板頂進行100%檢測，采用沖擊映像法檢測出“分格存在脫空>5 mm的單點或單個分格中脫空>3 mm的面積大于30%”時，則采用中子法進行復(fù)測。

6.2 管節(jié)預(yù)制質(zhì)量驗收成果

鋼殼混凝土沉管預(yù)制完成后，對其澆筑質(zhì)量進行檢測，采用沖擊映像法全檢和中子法復(fù)檢相結(jié)合的方式進行檢測。這2種脫空檢測方法的有效性已在足尺模型工藝試驗中得到了驗證，可有效保證管節(jié)澆筑質(zhì)量檢測的準確性。

經(jīng)過第三方檢測單位對深中通道S08合同段已完成澆筑的E32和E31管節(jié)進行的脫空檢測，其澆筑質(zhì)量良好，滿足驗評標準。經(jīng)隔倉脫空檢測數(shù)據(jù)統(tǒng)計，平均疑似脫空面積占比約0.037 7%，針對疑似脫空區(qū)域經(jīng)中子法復(fù)測后，無需注漿補強。脫空檢測結(jié)果統(tǒng)計見表2。通過智能化澆筑控制，有效消除了人為的不規(guī)范或不統(tǒng)一操作對澆筑質(zhì)量的不利影響，降低了脫空補強風(fēng)險，保證了管節(jié)澆筑質(zhì)量，證明通過智能化的過程控制，可以達到預(yù)期的澆筑質(zhì)量。

表2 鋼殼混凝土管節(jié)脫空檢測結(jié)果統(tǒng)計

6.3 管節(jié)預(yù)制效率分析

由于已澆筑管節(jié)為曲線變寬管節(jié)，每個管節(jié)隔倉數(shù)量及澆筑方量各不相同，故單個管節(jié)的澆筑用時也不相同。數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，通過智能化自密實混凝土澆筑工藝，可實現(xiàn)日均混凝土澆筑方量約800 m3，其工效制約因素主要是高溫季節(jié)白天溫度對混凝土工作性能的影響，澆筑工藝和智能化管理系統(tǒng)可24 h連續(xù)作業(yè)。據(jù)項目籌備期到日本南北線沉管隧道工程考察獲悉，該工程日均澆筑方量約300 m3，主要受業(yè)主資金計劃影響。

7 結(jié)論與體會

鋼殼自密實混凝土在無需振搗的情況下要實現(xiàn)在鋼殼隔倉內(nèi)的流動和自動填充密實，必須嚴格要求自密實混凝土的工作性能和隔倉澆筑過程的參數(shù)控制。為適應(yīng)船塢內(nèi)外高差并盡可能降低自密實混凝土工作性能的損失，管節(jié)底板隔倉澆筑采用“混凝土運輸鋼通道+漏斗+澆筑臺車”工藝，墻體和頂板隔倉澆筑采用“混凝土輸送泵+布料機”工藝，避免了長距離泵送對混凝土工作性能的影響。通過融合智能化技術(shù)，降低了傳統(tǒng)的人為操作不穩(wěn)定性因素風(fēng)險，使得澆筑過程中的每一個關(guān)鍵參數(shù)均能得到有效控制，從而保障管節(jié)的澆筑質(zhì)量。

管節(jié)隔倉澆筑質(zhì)量第三方檢測結(jié)果表明，結(jié)合智能化技術(shù)的2種自密實混凝土澆筑工藝，均可有效保證管節(jié)隔倉澆筑密實度，實施效果良好。

此外，管節(jié)澆筑管理系統(tǒng)可實現(xiàn)原材料庫存、混凝土生產(chǎn)、混凝土指標檢測、混凝土智能澆筑及視頻監(jiān)控等工序的統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理，有助于工程項目提質(zhì)增效和實現(xiàn)多元化管理模式,從而減少人力資源投入，提高澆筑施工效率、車輛運輸效率和資源利用效率，減少施工機械對作業(yè)人員的傷害，降低安全風(fēng)險。