深中通道鋼殼混凝土管節(jié)自密實(shí)混凝土澆筑施工技術(shù)

張文森，王曉東，林偉才，楊洋

（中交四航局第二工程有限公司，廣東 廣州 510300）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，灣區(qū)式發(fā)展逐步成為促進(jìn)經(jīng)濟(jì)騰飛的有效動(dòng)力，其不同于傳統(tǒng)的城市集群陸路連通式發(fā)展，灣區(qū)經(jīng)濟(jì)更注重海陸一體化的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。這種情況下，水下隧道的優(yōu)勢(shì)凸顯，己逐漸成為跨越航運(yùn)繁忙水域的第一選擇，截止2020年底，我國(guó)已建成245 條水下隧道[1]。沉管法因其具備對(duì)地質(zhì)條件要求低、埋深較小、防水性能較好、斷面形式靈活、可平行施工等諸多優(yōu)勢(shì)，已逐步成為大型水下通道的主要工法，到目前為止，全球已建成了150 多條沉管隧道[2]。沉管隧道管節(jié)主要有鋼殼混凝土和鋼筋混凝土2種結(jié)構(gòu)類(lèi)型。按時(shí)間發(fā)展順序，鋼殼混凝土管節(jié)又分為雙鋼殼、單鋼殼、三明治；鋼筋混凝土管節(jié)又分為整體式與節(jié)段式[3]。

早期的鋼板混凝土沉管隧道采用雙鋼板或者單鋼板，主要用作防水與充當(dāng)混凝土澆筑時(shí)的模板，參與結(jié)構(gòu)受力較少[4]。直到20 世紀(jì)80年代，以不配置鋼筋為特點(diǎn)的雙鋼板-混凝土組合結(jié)構(gòu)開(kāi)始被提出并運(yùn)用在沉管隧道中，該種結(jié)構(gòu)形式鋼殼內(nèi)部灌注自密實(shí)混凝土，鋼殼與混凝土共同受力，先后應(yīng)用于日本那霸沉管隧道[5]、港珠澳大橋沉管隧道最終接頭[6]和深中通道[7-8]。因沉管隧道具有“超寬、深埋、變寬”等特點(diǎn)，首次大規(guī)模應(yīng)用“三明治”鋼殼高流動(dòng)性混凝土結(jié)構(gòu)，保障鋼殼內(nèi)澆筑混凝土填充密實(shí)是其關(guān)鍵，同時(shí)還需確保高效，本文將對(duì)在國(guó)際上首次應(yīng)用工廠(chǎng)法進(jìn)行鋼殼混凝土管節(jié)預(yù)制的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

1 工程概述

深中通道按照雙向8 車(chē)道、時(shí)速100 km/h 設(shè)計(jì)，隧道段全長(zhǎng)6 845 m。其中沉管隧道段長(zhǎng)為5 035 m，由32 節(jié)管節(jié)和1 節(jié)最終接頭組成，管節(jié)采用“兩孔一管廊”結(jié)構(gòu)形式[7-9]。標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)長(zhǎng)165 m、寬46 m、高10.6 m，標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)斷面結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)分為2 255個(gè)獨(dú)立隔倉(cāng)，單個(gè)隔倉(cāng)方量為10～24 m3，標(biāo)準(zhǔn)隔倉(cāng)尺寸為3.5×3×1.5 m，方量為15.75 m3，單個(gè)管節(jié)澆筑總方量約2.92 萬(wàn)m3，隔倉(cāng)采用高流動(dòng)性自密實(shí)混凝土進(jìn)行填充。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)斷面圖（cm）Fig.1 Standard element section（cm）

2 總體工藝

鋼殼混凝土沉管預(yù)制常規(guī)做法為浮態(tài)澆筑，深中通道首次采用工廠(chǎng)法預(yù)制鋼殼混凝土沉管。具體施工工藝：12 000 t 鋼殼在船廠(chǎng)加工完成后，采用駁船運(yùn)送至沉管預(yù)制廠(chǎng)并卸駁上岸至卸駁區(qū)，體系轉(zhuǎn)換至“楔形支撐+支墩”支撐。然后再進(jìn)行一次體系轉(zhuǎn)換，由“楔形支撐+支墩”支撐轉(zhuǎn)換至由80 000 t 管節(jié)同步移動(dòng)滾輪臺(tái)車(chē)系統(tǒng)支撐，臺(tái)車(chē)系統(tǒng)將鋼殼從卸駁區(qū)移動(dòng)至澆筑區(qū)，在澆筑區(qū)完成混凝土澆筑后，再將完成澆筑的80 000 t 鋼殼沉管管節(jié)運(yùn)輸至淺塢區(qū)進(jìn)行一次舾裝作業(yè)。一次舾裝作業(yè)完成后，滑移門(mén)和浮式塢門(mén)關(guān)閉，向塢內(nèi)灌水至管節(jié)在淺塢區(qū)能夠浮起，然后將管節(jié)從淺塢移至深塢區(qū)。塢內(nèi)向外排水至與外海相平，塢門(mén)打開(kāi)管節(jié)出塢。

3 混凝土性能指標(biāo)及澆筑參數(shù)要求

3.1 混凝土配合比及性能指標(biāo)

自密實(shí)混凝土概念于20 世紀(jì)80年代提出，90年代世界各國(guó)進(jìn)行了相應(yīng)的研究，我國(guó)于2006年出版了相應(yīng)的技術(shù)規(guī)程。其最早應(yīng)用于鋼殼沉管隧道是日本的神戶(hù)和那霸沉管隧道，在國(guó)內(nèi)首次使用是港珠澳大橋沉管隧道最終接頭[10]。深中通道沉管隧道作為首次大規(guī)模應(yīng)用，并采用工廠(chǎng)法進(jìn)行管節(jié)預(yù)制的項(xiàng)目，預(yù)制效率需達(dá)到30 d/節(jié)，因此在滿(mǎn)足基本性能的前提下，混凝土要足夠穩(wěn)定。通過(guò)開(kāi)展室內(nèi)模型試驗(yàn)[11]、浮態(tài)澆筑模型試驗(yàn)[12]、足尺模型試驗(yàn)[13-14]等一系列試驗(yàn)研究，按照混凝土流動(dòng)性、填充性、抗離析性和高穩(wěn)健性等要求完成了最終的混凝土配合比設(shè)計(jì)（表1），并形成鋼殼自密實(shí)混凝土拌合物性能控制指標(biāo)[15]（表2）。

表1 自密實(shí)混凝土配合比Table 1 Mix proportion of self-compacting concrete

表2 自密實(shí)混凝土拌合物性能指標(biāo)Table 2 Performance index of self-compacting concrete mixture

3.2 澆筑參數(shù)設(shè)置

根據(jù)足尺模型試驗(yàn)成果[13]，確定倉(cāng)格澆筑的關(guān)鍵參數(shù)：1）澆筑過(guò)程中下料口距離混凝土面高度不大于500 mm（起始下落高度不大于800 mm）；2）混凝土面距離頂板20 cm 之前，澆筑速度不大于30 m3/h；混凝土面距離頂板20 cm 之后，澆筑速度不大于15 m3/h；3）倉(cāng)格所有排氣管內(nèi)混凝土面高度達(dá)到30 cm 可認(rèn)為該倉(cāng)格澆筑結(jié)束。

4 智能澆筑設(shè)備

4.1 總體結(jié)構(gòu)說(shuō)明

智能澆筑設(shè)備由底盤(pán)及支腿、主臂、副臂、末端伸縮管和配重臂組成。底盤(pán)及支腿采用步履式，具備左右、上下移動(dòng)功能，可實(shí)現(xiàn)多障礙跨越；主臂用圓管結(jié)構(gòu)，有良好的抗扭強(qiáng)度，主、副臂均可360°旋轉(zhuǎn)，可實(shí)現(xiàn)半徑12 m 范圍內(nèi)任一位置的澆筑作業(yè)；末端伸縮管可調(diào)整澆筑管出口與混凝土面的距離，保證混凝土澆筑質(zhì)量。

4.2 控制系統(tǒng)設(shè)置

為滿(mǎn)足澆筑各項(xiàng)參數(shù)的精準(zhǔn)控制，智能澆筑設(shè)備由以下系統(tǒng)構(gòu)成：

1）混凝土面測(cè)量系統(tǒng)：測(cè)量系統(tǒng)采用激光式液位傳感器。在同一個(gè)倉(cāng)的3個(gè)相距較遠(yuǎn)的透氣管上設(shè)置激光式液位傳感器，利用3 點(diǎn)成面的原理，測(cè)量倉(cāng)內(nèi)混凝土面的高度。

2）拖泵流量控制系統(tǒng)：智能澆筑設(shè)備接收到檢測(cè)系統(tǒng)的混凝土面信號(hào)后反饋給拖泵伺服機(jī)構(gòu)，根據(jù)混凝土面高度通過(guò)伺服機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)拖泵的泵送速度。

3）末端混凝土管控制系統(tǒng)：為了滿(mǎn)足澆筑管末端離混凝土面高度保持在50 cm 以?xún)?nèi)的要求，澆筑時(shí)需要將澆筑管插入到倉(cāng)內(nèi)。智能澆筑設(shè)備設(shè)置末端伸縮管，根據(jù)混凝土面測(cè)量系統(tǒng)反饋的數(shù)據(jù)，通過(guò)伺服控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)整末端泵管高度。

4）自動(dòng)尋孔：智能澆筑設(shè)備定位后，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的坐標(biāo)及澆筑順序，自動(dòng)旋轉(zhuǎn)主、副臂，將澆筑位置調(diào)整到合適的位置。當(dāng)設(shè)備自我定位以后，在其澆筑范圍內(nèi)任意一點(diǎn)，有且只有2 種組合使設(shè)備末端到達(dá)指定點(diǎn)，通過(guò)程序設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)方向?qū)崿F(xiàn)尋址。

5）行走系統(tǒng)：采用步進(jìn)式行走，通過(guò)底盤(pán)上8個(gè)支撐油缸和8個(gè)水平伸縮油缸實(shí)現(xiàn)設(shè)備縱向、橫向移動(dòng)。液壓系統(tǒng)需具備調(diào)節(jié)底盤(pán)水平度的功能，支撐油缸為設(shè)備澆筑過(guò)程提供穩(wěn)定的基礎(chǔ)。

5 混凝土過(guò)程控制

5.1 生產(chǎn)及運(yùn)輸

攪拌系統(tǒng)主要由攪拌機(jī)組、制冰機(jī)組、冷水機(jī)組、砂石料輸送和粉料輸送等組成。其中攪拌機(jī)組共4 臺(tái)，采用全自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)控制。各項(xiàng)準(zhǔn)備工作到位后，即可進(jìn)行混凝土的生產(chǎn)[16]?；炷翑嚢枋紫认驍嚢铏C(jī)投入集料、冰、粉料，再加入拌合水和外加劑，并繼續(xù)攪拌至均勻?yàn)橹埂?/p>

混凝土運(yùn)輸采用10 m3混凝土攪拌運(yùn)輸車(chē)，配置12 臺(tái)?；炷辽a(chǎn)時(shí)，運(yùn)輸車(chē)位于攪拌樓下接料，混凝土出機(jī)檢測(cè)合格（1 次/60 m3）后運(yùn)送至澆筑區(qū)泵送點(diǎn)（共設(shè)置4個(gè)），根據(jù)既定線(xiàn)路運(yùn)至澆筑現(xiàn)場(chǎng)停車(chē)區(qū)等待澆筑，最大運(yùn)距約750 m。澆筑現(xiàn)場(chǎng)需嚴(yán)格控制高流動(dòng)自密實(shí)混凝土的使用時(shí)間，需確保在90 min 內(nèi)完成澆筑，超時(shí)則廢棄。

5.2 混凝土檢測(cè)

高流動(dòng)性混凝土相比普通混凝土對(duì)原材料變化的影響極為敏感，因此需要極其精細(xì)地管理材料品質(zhì)以及材料的用量[10]。根據(jù)前期模型試驗(yàn)的研究成果，制定了嚴(yán)格的混凝土檢測(cè)內(nèi)容和頻率，檢測(cè)時(shí)機(jī)分為混凝土出機(jī)時(shí)和入倉(cāng)前，入倉(cāng)前檢測(cè)在下料口附近設(shè)置試驗(yàn)點(diǎn)。

出機(jī)混凝土檢測(cè)內(nèi)容為坍落擴(kuò)展度、T500、V漏、L 型儀、含氣量、容重、出機(jī)溫度，檢測(cè)頻率為1次/60 m3。入倉(cāng)前性能指標(biāo)檢測(cè)項(xiàng)目為坍落擴(kuò)展度、T500、V 型漏斗時(shí)間、入倉(cāng)溫度，檢測(cè)頻率為1次/90 m3。自密實(shí)混凝土每個(gè)澆筑批次每拌合站首盤(pán)料出機(jī)和入倉(cāng)前，7個(gè)檢測(cè)項(xiàng)目（坍落擴(kuò)展度、T500、V 型漏斗時(shí)間、入倉(cāng)溫度、L 型儀、含氣量、容重）必檢。

如出現(xiàn)以下情況，針對(duì)同一車(chē)混凝土在入倉(cāng)前4個(gè)檢測(cè)項(xiàng)目（坍落擴(kuò)展度、T500、V 型漏斗時(shí)間、入倉(cāng)溫度）必檢：1）采用非泵送工藝，出機(jī)后坍落擴(kuò)展度＜630 mm；2）采用泵送工藝，泵管長(zhǎng)度≤70 m 時(shí)，出機(jī)后坍落擴(kuò)展度＜640 mm；3）采用泵送工藝，泵管長(zhǎng)度＞70 m 時(shí)，出機(jī)后坍落擴(kuò)展度＜650 mm。

6 混凝土布料及灌注

6.1 澆筑順序

6.1.1 澆筑順序設(shè)置原則

大體積混凝土無(wú)法短時(shí)間、一次性澆筑完成，必定是分階段澆筑的，不同澆筑方案將導(dǎo)致不同的重力、水化熱效應(yīng)疊加的變形，因而有必要探究倉(cāng)管澆筑順序?qū)Τ凉茏冃蔚挠绊懸?guī)律，為工程實(shí)施提供科學(xué)指導(dǎo)，控制沉管的預(yù)制精度[17]。通過(guò)對(duì)3 種澆筑順序的研究，得出分段棋盤(pán)式跳倉(cāng)澆筑工藝變形最小，變形協(xié)調(diào)性較好，管節(jié)預(yù)制精度相對(duì)較優(yōu)，且該工序智能澆筑機(jī)澆筑工效最快，因此澆筑順序的設(shè)置原則總體為縱向?qū)ΨQ(chēng)、跳倉(cāng)澆筑，即按照縱向?qū)ΨQ(chēng)的原則完成第一輪倉(cāng)格的澆筑，此時(shí)已澆筑隔倉(cāng)間橫縱向都不相鄰，完成第一輪澆筑后再澆筑第二輪。

6.1.2 橫向澆筑順序

橫向澆筑順序按照先底板、再墻體、最后頂板的總體澆筑順序，這樣可有效控制管節(jié)變形；中廊道不具備采用智能布料設(shè)備的條件，因此效率較低。底板倉(cāng)格澆筑過(guò)程中，先進(jìn)行行車(chē)道位置倉(cāng)格（B01—B06、B09—B14）澆筑，再根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工組織情況適時(shí)開(kāi)始中廊道底板的澆筑，總體澆筑順序原則不變。澆筑分區(qū)如圖2 所示，澆筑過(guò)程對(duì)每個(gè)倉(cāng)格進(jìn)行編號(hào)，逐一記錄每個(gè)隔倉(cāng)澆筑的各項(xiàng)參數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)隔倉(cāng)共計(jì)2 255個(gè)，隔倉(cāng)分布及澆筑強(qiáng)度見(jiàn)表3。

圖2 混凝土澆筑分區(qū)斷面示意圖Fig.2 Schematic diagram of the cross-section of concrete pouring zone

表3 混凝土澆筑分區(qū)及澆筑強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)表Fig.3 Concrete pouring zoning and strength statistics

6.1.3 縱向澆筑順序

縱向澆筑順序的設(shè)置按照縱向?qū)ΨQ(chēng)的原則進(jìn)行設(shè)置，按照智能布料設(shè)備的布料范圍對(duì)其進(jìn)行分段，底板和墻體澆筑在管節(jié)長(zhǎng)度方向劃分為9個(gè)施工段（S1—S9），頂板澆筑在管節(jié)長(zhǎng)度方向劃分為11個(gè)施工段（S1—S11）。

6.1.4 單次澆筑順序

單次澆筑最多可同時(shí)設(shè)置6個(gè)工位進(jìn)行澆筑，單個(gè)工位澆筑按照先橫向后縱向的澆筑順序，如圖3 所示。

圖3 混凝土單次澆筑順序示意圖Fig.3 Concrete single pouring sequence

6.1.5 總體澆筑順序

采用拖泵+澆筑機(jī)依次對(duì)管節(jié)底板區(qū)、墻體區(qū)及頂板區(qū)倉(cāng)格進(jìn)行澆筑，采用縱向?qū)ΨQ(chēng)、跳倉(cāng)澆筑原則。單個(gè)區(qū)段單、雙數(shù)倉(cāng)格澆筑不連續(xù)?？傮w施工順序?yàn)椋旱装濉鷫w→頂板，共布置6 臺(tái)澆筑機(jī)，每次澆筑最多可布置6個(gè)布料點(diǎn)。總體澆筑順序見(jiàn)表4。

表4 標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)澆筑順序表Table.4 Pouring sequence table of standard element

6.2 設(shè)備及泵管布置

混凝土泵送采用混凝土拖泵，利用管道進(jìn)行輸送；混凝土布料采用智能澆筑機(jī)，鋼殼底板、墻體及頂板澆筑使用6 臺(tái)，澆筑機(jī)可根據(jù)混凝土面高度自動(dòng)提升末端澆筑管；拖泵流量控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)速。中廊道澆筑使用2 臺(tái)單獨(dú)的澆筑設(shè)備。拖泵及澆筑機(jī)布置見(jiàn)圖4。

圖4 拖泵及澆筑機(jī)布置圖Fig.4 Layout of towing pump and pouring machine

根據(jù)足尺模型試驗(yàn)研究總結(jié)[13]，泵管長(zhǎng)度越長(zhǎng)，混凝土擴(kuò)展度泵損越大，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)分析，泵管長(zhǎng)度不宜超過(guò)140 m，且管道彎頭應(yīng)盡量少，因此需合理布置泵管。鋼殼外泵管使用管卡固定在地面，減少澆筑過(guò)程中彎頭處泵管晃動(dòng)；管節(jié)內(nèi)使用橡膠塊進(jìn)行支墊緩沖。

6.3 混凝土澆筑

混凝土布料使用智能澆筑設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)澆筑，該設(shè)備為世界首次研制，具備高精度自動(dòng)定位、自動(dòng)調(diào)平、自動(dòng)尋孔、自動(dòng)行走、自動(dòng)生成報(bào)表及全過(guò)程可視化功能，并配置有可精確控制澆筑速度的拖泵控制系統(tǒng)，通過(guò)排氣管上方的液位儀監(jiān)測(cè)混凝土面高度，采用通訊智能聯(lián)動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整澆筑速度、自動(dòng)提升末端管、自動(dòng)停止?jié)仓裙δ堋?/p>

墻體澆筑使用串管輔助進(jìn)行澆筑，共13 根，12 根0.8 m，1 根0.9 m，串管刻度線(xiàn)每20 cm 一條，設(shè)置自動(dòng)串管提升裝置，與智能澆筑設(shè)備通訊聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變速及自動(dòng)停止。

7 結(jié)語(yǔ)

深中通道沉管隧道采用鋼殼-混凝土組合結(jié)構(gòu)，內(nèi)部填充高流動(dòng)性自密實(shí)混凝土，為國(guó)內(nèi)首次大規(guī)模應(yīng)用，通過(guò)大量的試驗(yàn)驗(yàn)證和設(shè)備研發(fā)，首次采用“工廠(chǎng)法”進(jìn)行鋼殼混凝土管節(jié)預(yù)制，目前已完成18個(gè)管節(jié)近52 萬(wàn)m3混凝土澆筑，質(zhì)量可控，為未來(lái)工程提供以下借鑒：

1）混凝土品質(zhì)管理要求高﹐與普通混凝土相比需滿(mǎn)足更為苛刻的性能要求，通過(guò)大量的試驗(yàn)，確定了最佳的配合比和性能指標(biāo)，并通過(guò)足尺模型和正式管節(jié)，確定基本的試驗(yàn)檢測(cè)原則。

2）除混凝土性能外，澆筑速度、下落高度和停止條件等澆筑參數(shù)也是保障澆筑質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，為此在世界范圍首次研發(fā)了智能澆筑設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了高精度自動(dòng)定位、自動(dòng)尋孔、自動(dòng)行走，以及澆筑速度、下落高度和泵送速度的聯(lián)動(dòng)控制，首次實(shí)現(xiàn)了鋼殼混凝土澆筑全過(guò)程的智能管控。

3） 鋼殼結(jié)構(gòu)分為多個(gè)形式復(fù)雜的小尺寸隔倉(cāng)，隔倉(cāng)均為獨(dú)立澆筑，為降低澆筑過(guò)程中混凝土壓力和溫度對(duì)于鋼殼變形的影響﹐確定了縱向分段、跳倉(cāng)澆筑的順序，并結(jié)合施工組織和設(shè)備配置，確定了165 m 標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)的澆筑順序。