鋼殼沉管自密實混凝土澆筑質(zhì)量控制

彭英俊，趙 偉

(1. 深中通道管理中心，廣東 中山528454；2. 廣東交科檢測有限公司，廣州 510550)

0 引言

港珠澳大橋和深中通道建設(shè)項目是國內(nèi)外著名的世界級跨海工程，兩者均采用了沉管隧道施工技術(shù)，前者隧道管節(jié)采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)預(yù)制，后者采用鋼殼混凝土預(yù)制。兩者相比，鋼殼混凝土結(jié)構(gòu)具有承載能力強、抗不均勻沉降和抗震適應(yīng)性好、預(yù)制工期短等優(yōu)勢[1]，更具有不需考慮混凝土自身裂縫引起結(jié)構(gòu)耐久性下降的優(yōu)點，但鋼殼沉管內(nèi)部腔體混凝土填充密實性是影響鋼殼混凝土結(jié)構(gòu)安全性和耐久性的重要因素之一[2]。

鋼殼沉管自密實混凝土技術(shù)已在日本進行了應(yīng)用，此外中國香港以及歐美一些國家或地區(qū)也有少量使用[3]，自密實混凝土的應(yīng)用是鋼殼混凝土結(jié)構(gòu)施工的重要環(huán)節(jié)之一。自密實混凝土最早由日本提出，是指在澆筑過程中無需施加任何振搗，僅依靠混凝土自身性能就能完全填充結(jié)構(gòu)的高性能混凝土，在國內(nèi)房建管樁工程及鐵路板式無砟軌道[4]已有應(yīng)用。

深中通道跨海工程隧道建設(shè)采用鋼殼沉管的結(jié)構(gòu)形式。鋼殼內(nèi)部是一種相對封閉的結(jié)構(gòu)，采用自密實混凝土施工是首選，然而我國在大型鋼殼沉管自密實混凝土質(zhì)量控制方面的研究較少。本文針對鋼殼沉管自密實混凝土技術(shù)，從混凝土的質(zhì)量控制指標、配合比設(shè)計及施工質(zhì)量控制要點等進行探討，以達到自密實混凝土澆筑質(zhì)量控制的目的，確保深中通道鋼殼沉管隧道管節(jié)預(yù)制質(zhì)量，同時對鋼殼沉管脫空檢測及缺陷修補進行了探討，為國內(nèi)同類工程建設(shè)提供實踐經(jīng)驗。

1 工程概況

深中通道隧道全長6 845m，其中沉管段長 5 035m，采用鋼殼混凝土管節(jié)結(jié)構(gòu)，斷面呈兩孔一管廊型式，由31節(jié)鋼殼管節(jié)和1節(jié)鋼殼管節(jié)+最終接頭組成。鋼殼沉管分為直線段標準管節(jié)和非標準管節(jié)，標準管節(jié)橫斷面尺寸為46.0m×10.6m，非標準管節(jié)橫斷面尺寸為46.0m～55.4m×10.6m。標準管節(jié)鋼殼自重1.2萬t，由2 257個封閉隔倉構(gòu)成，封閉隔倉內(nèi)部澆筑C50自密實混凝土，單個管節(jié)所需自密實混凝土約2.92萬m3，澆筑完成后，鋼殼混凝土管節(jié)重約8萬t。本項目鋼殼沉管管節(jié)分別于桂山島陸域和龍穴島船塢內(nèi)澆筑預(yù)制，受鋼殼節(jié)段拼裝、管節(jié)舾裝、管節(jié)移位等交叉施工影響，三年完成約95萬m3自密實混凝土澆筑任務(wù)的施工組織難度大，同時跨越不同季節(jié)，自密實混凝土的質(zhì)量管理和控制面臨較大挑戰(zhàn)。

2 鋼殼沉管自密實混凝土質(zhì)量控制指標

自密實混凝土在日本和歐美國家發(fā)展較早，也有大規(guī)模施工的成功實例，但有關(guān)自密實混凝土的性能分類及質(zhì)量控制指標存在稍許差異[5]。國內(nèi)建工標準、協(xié)會標準及電力標準也對自密實混凝土的性能分類及質(zhì)量控制指標進行了規(guī)定，有效地指導(dǎo)了我國自密實混凝土的施工應(yīng)用。

目前，交通行業(yè)自密實混凝土質(zhì)量控制主要依據(jù)《自密實混凝土設(shè)計與施工指南》(CCES 02)和《自密實混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(JTG/T 283)兩項標準。兩者均主要從填充性、間隙通過性與抗離析性等方面評價自密實混凝土的性能，前者主要測試技術(shù)參數(shù)有坍落擴展度、擴展時間T500、L型儀、U型儀及跳桌試驗；后者主要測試技術(shù)參數(shù)有坍落擴展度、擴展時間T500、J環(huán)擴展度、離析率與粗骨料振動離析率等。此外，《自密實混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(CECS 203)規(guī)程增加了V型漏斗試驗。

自密實混凝土性能是影響鋼殼沉管管節(jié)預(yù)制質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，開展相關(guān)質(zhì)量控制指標的研究和明確指標要求，是進行質(zhì)量控制的前提。深中通道建設(shè)項目鋼殼沉管參考類似工程經(jīng)驗，通過前期科研咨詢與充分論證，綜合考慮自密實混凝土的填充性、間隙通過性、沉管結(jié)構(gòu)密實性、溫度變形與浮運安全性等多項因素，主要從坍落擴展度、擴展時間T500、V型漏斗流出時間、L型儀、含氣量、容重與溫度等7項技術(shù)參數(shù)進行控制。自密實混凝土強度等級為C50，具體的質(zhì)量控制指標見表1。

表1 自密實混凝土質(zhì)量控制指標

本項目采用出機后和入倉前雙控檢測形式，以確保自密實混凝土的質(zhì)量。檢測頻率為每60m3一次，各項技術(shù)指標均滿足要求后方可進行自密實混凝土的澆筑。

3 原材料及配合比

3.1 原材料

鋼殼沉管自密實混凝土采用的原材料及性能指標見表2。

表2 原材料性能指標

3.2 配合比

鋼殼沉管自密實混凝土的配合比設(shè)計參照《自密實混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(JTG/T 283)，自密實混凝土膠凝材料用量不宜超過550kg/m3，采用雙摻技術(shù)，且粉煤灰和礦渣粉摻量不低于膠材總量40%，水膠比不宜超過0.34，在保證粉煤灰品質(zhì)與貨源穩(wěn)定的情況下，宜多摻粉煤灰，少摻礦渣粉，以減少自密實混凝土的黏度；在考慮混凝土含氣量存在波動的情況下，配合比計算容重不宜大于2 360kg/m3。

為了保證自密實混凝土具有良好的流動性、減少泌水離析現(xiàn)象及確保其抗壓強度，通過室內(nèi)大量拌合試驗，將每m3總膠凝材料用量調(diào)整為550kg，砂率調(diào)整為50%，得到調(diào)整優(yōu)化后的室內(nèi)混凝土配合比。計算配合比與室內(nèi)優(yōu)化配合比見表3，自密實混凝土各項性能見表4。從表4可見，優(yōu)化后的自密實混凝土各項性能均滿足質(zhì)量控制指標要求，且坍落擴展度90min經(jīng)時損失較小，自密實混凝土仍具有較好的流動性。

表3 自密實混凝土配合比(單位：kg/m3)

表4 自密實混凝土質(zhì)量控制指標

4 澆筑試驗及質(zhì)量控制指標優(yōu)化

本工程沉管隧道采用矩形雙層鋼殼內(nèi)部填充自密實混凝土的“ 三明治” 結(jié)構(gòu)形式在國內(nèi)尚無成熟的經(jīng)驗，近百萬m3自密實混凝土澆筑施工面臨較大挑戰(zhàn)。為了驗證自密實混凝土澆筑工藝的可行性，施工前進行了小鋼殼模型與亞克力模型、1/4足尺和全斷面足尺鋼殼模型試驗研究，掌握自密實混凝土工作性變化、填充密實性、鋼殼管節(jié)應(yīng)力分布及變形規(guī)律，指導(dǎo)后續(xù)全面的澆筑施工。

4.1 雙控檢測混凝土工作性能變化

在鋼殼沉管封閉隔倉內(nèi)澆筑自密實混凝土施工工藝具有不可逆性，在自密實混凝土出機后和澆筑入倉前檢測其性能，是保證澆筑質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。通過120余次對比試驗研究，受原材料質(zhì)量波動、含水率變化及設(shè)備差異等影響，各技術(shù)參數(shù)檢測結(jié)果波動明顯，尤其是坍落擴展度、V型漏斗通過時間及L型儀(H2/H1)等參數(shù)，但通過比較出機后和澆筑入倉前的檢測結(jié)果均值，亦存在一定的規(guī)律性(表5)。

表5 自密實混凝土出機與入倉技術(shù)指標對比

從表5可以看出，自密實混凝土經(jīng)過運輸與泵送環(huán)節(jié)后，坍落擴展度、V型漏斗通過時間與L型儀(H2/H1)結(jié)果呈下降趨勢，其它技術(shù)指標呈上升趨勢，表明自密實混凝土的流動性有所降低，含氣量與溫度分別提高0.3%和1.1℃。同時，根據(jù)雙控檢測項目技術(shù)指標結(jié)果的變化規(guī)律，通過出機后技術(shù)指標結(jié)果，可預(yù)判自密實混凝土在入倉前的性能狀況。適當減少入倉前檢測項目或減少檢測頻率，可降低運輸罐車等待時間，避免自密實混凝土性能出現(xiàn)不良變化。

4.2 高溫季節(jié)對工作性的影響

受膠凝材料水化與水份散失過快等影響，自密實混凝土流動性會隨著時間降低[6]，一般情況下通過調(diào)節(jié)減水劑的緩凝組份來控制坍落擴展度經(jīng)時損失。在前期配合比配制過程中，坍落擴展度120min經(jīng)時損失為25mm，損失相對較小，但該試驗結(jié)果是在室內(nèi)條件下完成的，實際施工過程中，坍落擴展度經(jīng)時損失受周圍環(huán)境溫度影響較大。本文對環(huán)境溫度超過35℃時的自密實混凝土工作性能變化進行了分析(表6)。

表6 環(huán)境溫度對混凝土工作性能的影響

從表6可以看出，在加裝防曬布的運輸罐車內(nèi)停留60min后，自密實混凝土坍落擴展度經(jīng)時損失達60mm，損失非常顯著，雖然自密實混凝土填充性滿足技術(shù)指標，但其間隙通過性技術(shù)指標已超出了質(zhì)量控制指標的要求。在高溫季節(jié)施工時，應(yīng)采取合理調(diào)度運輸車輛、選擇澆筑時間段等措施，合理組織施工，最大限度地減少自密實混凝土工作性能下降的情況。

4.3 質(zhì)量控制指標優(yōu)化

自密實混凝土澆筑過程控制的核心為嚴格控制拌合生產(chǎn)工藝，減少澆筑過程中自密實混凝土等待時間，使其工作性不劣化，確保將性能優(yōu)良的自密實混凝土在滿足工藝的條件下以最短時間澆筑于鋼殼沉管隔倉內(nèi)。通過上述試驗研究，對自密實混凝土質(zhì)量控制指標進行優(yōu)化調(diào)整：

(1)檢測項目與抽檢頻率。嚴格控制自密實混凝土出機性能，自密實混凝土出機后檢測項目和抽檢頻率應(yīng)嚴格按質(zhì)量控制指標執(zhí)行；適當減少入倉前檢測項目，調(diào)整為坍落擴展度、T500、V型漏斗時間及入倉溫度等4項，并將抽檢頻率調(diào)整為每90m3一次。

(2)泵送施工工藝會影響混凝土工作性能變化，根據(jù)現(xiàn)場實際施工的情況，當采用泵送工藝施工時，自密實混凝土坍落擴展度降低20～45mm，甚至降低達60mm。為此，當泵管長度不大于70m且出機后坍落擴展度小于640mm時，或泵管長度大于70m且出機后坍落擴展度小于650mm時，同一運輸罐車混凝土在入倉前必須檢測坍落擴展度、T500、V型漏斗時間及入倉溫度，檢測合格后，方可進行澆筑。

(3)坍落擴展度是表征自密實混凝土性能的關(guān)鍵指標，受環(huán)境溫度、施工工藝及澆筑時間等多因素耦合的影響，其隨時間整體性能呈下降的趨勢。為了確保入倉時自密實混凝土有較好的流動性，適當調(diào)整質(zhì)量控制指標上限有利于提高鋼殼沉管自密實混凝土的填充性，為此，本工程將坍落擴展度質(zhì)量控制指標調(diào)整為600～720mm。

5 澆筑質(zhì)量控制

鋼殼沉管自密實混凝土澆筑質(zhì)量問題有自密實混凝土工作性波動大，存在泌水與離析現(xiàn)象；澆筑組織不順暢，運輸罐車等待時間長，自密實混凝土工作性劣化；單個隔倉澆筑時間長，存在施工冷縫；澆筑速度不合理，自密實混凝土填充不密實等。因此，澆筑過程中需注意：

(1)加大原材料進場質(zhì)量管理，確保料源穩(wěn)定、質(zhì)量穩(wěn)定，重點關(guān)注粉煤灰細度與需水量比、礦渣粉比表面積與流動度比、粗細集料級配與含泥量及減水劑減水率等影響自密實混凝土工作性關(guān)鍵指標的波動，出現(xiàn)較大變化時應(yīng)及時將原材料清退出場。同時也應(yīng)關(guān)注進場的粉煤灰外觀及河砂細度模數(shù)，當粉煤灰明顯含有黑色輕物質(zhì)或油份、河砂細度模數(shù)低于2.5時，應(yīng)及時將其清退出場。自密實混凝土在拌合生產(chǎn)的過程中，應(yīng)嚴格落實拌合站管理制度，加強粗細集料含水量檢測，認真落實拌合站首盤鑒定檢測，根據(jù)實際情況及時調(diào)整生產(chǎn)配合比并履行審批手續(xù)。

(2)合理安排運輸罐車至指定的澆筑點，并保持高效智能匹配方式，避免運輸罐車長時間等待。運輸罐車上應(yīng)準確記錄混凝土出機時間，若超過90min未完成澆筑，該車自密實混凝土原則上嚴禁繼續(xù)使用。加強自密實混凝土澆筑施工組織管理，避免單個隔倉澆筑時出現(xiàn)等料現(xiàn)象，減少施工冷縫的產(chǎn)生。

(3)確保激光測距和智能澆筑設(shè)備信號傳輸正常。鋼殼沉管底板和頂板采用二階變速方式，即自密實混凝土開始澆筑速度為30m3/h，距離隔倉頂板20cm時澆筑速度降低為15m3/h；中隔墻、側(cè)墻及相鄰隔倉采用三階變速方式，即自密實混凝土開始澆筑速度為30m3/h，距離隔倉頂板20cm時澆筑速度降低為15m3/h，距離隔倉頂板10cm時澆筑速度降低為10m3/h。澆筑過程中應(yīng)嚴格控制澆筑速度，依靠自密實混凝土流動性將隔倉內(nèi)的空氣排出，同時，排氣管內(nèi)混凝土液面上升高度不得小于30cm。

6 脫空檢測及修補方法

6.1 鋼殼沉管脫空檢測

混凝土在收縮、荷載和外部環(huán)境等因素作用下，會產(chǎn)生內(nèi)部裂紋及空隙，形成脫空現(xiàn)象。這種現(xiàn)象隔斷了混凝土結(jié)構(gòu)中應(yīng)力的傳遞，對結(jié)構(gòu)整體性造成了嚴重的危害，因此鋼殼沉管脫空檢測是本項目評估自密實混凝土澆筑質(zhì)量的重要手段之一。

目前國內(nèi)外采用打音法、聲波CT法、沖擊回波法、沖擊映像法與中子法等無損方法檢測鋼管混凝土脫空缺陷取得了較多研究成果[7-8]，但對采用眾多T肋或U肋的大型鋼殼沉管混凝土脫空檢測的研究尚少，也未形成統(tǒng)一的標準。

本工程依據(jù)前期澆筑的小模型、1/4管節(jié)模型，通過不斷優(yōu)化參數(shù)及開倉比對研究，驗證了沖擊映像法和中子法檢測鋼殼混凝土脫空缺陷具有可行性，并最終確定了首先采用沖擊映像法進行普查，發(fā)現(xiàn)存在疑似脫空缺陷后，再使用中子法對脫空高度進行定量檢測。

6.1.1 沖擊映像法

鋼殼沉管自密實混凝土澆筑完成后，在管節(jié)縱橫方向分別每隔10cm布置測線，將測試面分成10cm×10cm的測試單元，用力錘敲擊測線交點并用高精度檢波器采集全波場信息，通過對波形數(shù)據(jù)進行濾波、波場分離、沖擊響應(yīng)強度計算等分析處理，得到測點區(qū)域的脫空高度。該方法能夠快速、簡便、有效地對混凝土進行脫空檢測，確定脫空位置、面積，但檢測脫空高度與實際脫空高度偏差較大，應(yīng)采用中子法進一步進行定量檢測。

6.1.2 中子法

中子法能更為準確地判斷脫空深度。中子法通過發(fā)射中子，再利用熱中子探測器檢測并記錄各測點熱中子數(shù)，根據(jù)熱中子數(shù)量大小的變化及分布規(guī)律，定量評估混凝土脫空高度。

6.2 脫空區(qū)域修補

采用中子法進行鋼殼沉管脫空情況檢測，當出現(xiàn)下列情況之一時，進行脫空區(qū)域修補：騎跨T肋的單個分格(不連片)等效脫空高度大于5mm；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大于3mm；非T肋位置的分格等效脫空高度大于5mm。

脫空區(qū)域修補材料可選用環(huán)氧樹脂或水泥基化學(xué)漿料，其抗壓強度不得低于自密實混凝土強度，且應(yīng)與混凝土有較好的粘接力。脫空區(qū)域修補實施之前應(yīng)通過工藝驗證，確定合適的修補材料粘度、注漿壓力與保壓時間，確保注漿補強效果。

脫空區(qū)域修補工藝流程主要為鉆孔—實際脫空高度測量—注漿—脫空檢測—封孔—涂裝。為了確保脫空區(qū)域注漿補強效果，應(yīng)嚴格執(zhí)行修補方案，確保各工序質(zhì)量。實施過程中需注意以下措施：

(1)根據(jù)沖擊映像法檢測云圖確定開孔孔位，在每個脫空區(qū)域最嚴重處開孔，作為注漿孔；在脫空區(qū)域上部或邊緣處開孔，作為排氣孔。一般情況下，灌漿孔和排氣孔孔徑宜大于10mm，孔距宜大于15cm，且排氣孔數(shù)量不少于2個。

(2)排氣孔處排出補強材料后，應(yīng)繼續(xù)注漿保壓，壓力宜為0.6～0.8MPa，保壓時間不少于60s。

(3)注漿孔與排氣孔采用焊接封閉的方式，考慮到注漿孔孔徑較小，使用與鋼板母材相匹配的焊條電焊熔化對孔洞進行填充。

(4)封孔后需磨平處理，并保證打磨區(qū)域具有良好的粗糙度和清潔度。打磨完成后，及時進行涂料涂裝施工，原則上所用漆膜涂料應(yīng)與鋼殼結(jié)構(gòu)相同，且涂層厚度不得低于原設(shè)計厚度。當環(huán)境相對濕度高于75%、自密實混凝土水化或陽光照射等導(dǎo)致鋼板溫度高于40℃時，嚴禁涂料涂裝修補施工。

7 結(jié)語

(1)自密實混凝土質(zhì)量控制指標是保證澆筑施工質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，采用出機和入倉雙控檢測可有效評價和保證鋼殼沉管自密實混凝土質(zhì)量。經(jīng)過運輸與泵送，自密實混凝土坍落擴展度、V型漏斗通過時間與L型儀(H2/H1)結(jié)果呈下降趨勢，其它技術(shù)指標呈上升趨勢，表明自密實混凝土流動性有所降低。嚴格控制自密實混凝土出機性能，將入倉前檢測項目調(diào)整為坍落擴展度、T500、V型漏斗時間及入倉溫度等4項，可降低運輸罐車等待時間，避免自密實混凝土性能出現(xiàn)不良變化。

(2)坍落擴展度是表征自密實混凝土性能的關(guān)鍵指標，但在高溫環(huán)境的影響中，坍落擴展度60min經(jīng)時損失可達60mm，降低非常明顯，且易導(dǎo)致自密實混凝土間隙通過性技術(shù)指標超出質(zhì)量控制指標要求。在高溫季節(jié)施工時，應(yīng)采取合理調(diào)度運輸車輛、選擇澆筑時間段等措施，減少自密實混凝土工作性性能下降的情況。

(3)自密實混凝土澆筑速度影響鋼殼沉管隔倉填充的密實性，在澆筑過程中，應(yīng)嚴格控制澆筑速度，依靠自密實混凝土流動性將隔倉內(nèi)空氣排出，同時，排氣管內(nèi)混凝土液面上升高度不得小于30cm。鋼殼沉管底板和頂板澆筑速度建議采用不大于30m3/h和15m3/h的二階變速方式，中隔墻、側(cè)墻及相鄰隔倉澆筑速度采用不大于30m3/h、15m3/h和10m3/h的三階變速方式。

(4)沖擊映像法和中子法檢測相結(jié)合，可有效評價鋼殼沉管自密實混凝土填充密實性。為了保證實體檢測不影響后續(xù)一次舾裝施工，首先采用沖擊映像法進行普查，如發(fā)現(xiàn)存在疑似脫空缺陷后，再使用中子法對脫空高度進行定量檢測，可大大提高脫空檢測效率。在對鋼殼沉管脫空缺陷處理過程中，應(yīng)確保補強工藝流程各環(huán)節(jié)施工質(zhì)量，避免脫空缺陷處理不佳而影響鋼殼沉管整體安全性和耐久性。