預(yù)制裝配式涵洞施工技術(shù)研究*

魏 杰，王思琦，梁 勇，馮忠居，許桂青，趙瑞欣

(1.山西昔榆高速公路有限公司,山西 晉中 030600； 2.長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

0 引言

涵洞主要作為排水構(gòu)筑物在公路、鐵路、市政工程中廣泛應(yīng)用[1-3]，當(dāng)前涵洞施工方法正在由現(xiàn)澆向預(yù)制裝配式發(fā)展，我國(guó)各省份相繼開展了裝配式涵洞技術(shù)的探索與研究[4-11]，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，高速公路建設(shè)技術(shù)、施工、管理3個(gè)方面的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)模式已初步形成。調(diào)研已建裝配式涵洞發(fā)現(xiàn)，其工程雖已初具規(guī)模，但技術(shù)上仍存在一些不足[12-15]。

為進(jìn)一步豐富和拓展裝配式涵洞技術(shù)，依托昔榆高速公路裝配式涵洞工程開展研究，重點(diǎn)分析裝配式涵洞施工工藝與質(zhì)量控制技術(shù)，為推廣裝配式涵洞的標(biāo)準(zhǔn)化施工提供參考和借鑒。

1 工程概況

山西省昔陽(yáng)(晉冀界)至榆次高速公路主線涵洞共設(shè)置裝配式鋼筋混凝土箱型涵洞6處，跨徑和凈高均為4m。預(yù)制構(gòu)件分為標(biāo)準(zhǔn)節(jié)和非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)為3m/節(jié)，非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)為1m/節(jié)。每節(jié)預(yù)制涵洞由3部分組成，分別為頂板(1榀)、側(cè)墻(2榀)、現(xiàn)澆底板，如圖1，2所示。

圖1 裝配式箱涵

圖2 裝配式箱涵標(biāo)準(zhǔn)節(jié)

2 裝配式涵洞工藝特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)

混凝土箱涵傳統(tǒng)施工方法一般采用現(xiàn)澆，其優(yōu)勢(shì)在于施工簡(jiǎn)便，價(jià)格低廉。但受到混凝土自身齡期、材料運(yùn)轉(zhuǎn)周期、外部環(huán)境條件等因素影響，后期養(yǎng)護(hù)條件不易得到保證。而裝配式涵洞最大的優(yōu)勢(shì)就是通過(guò)工廠化預(yù)制進(jìn)行規(guī)?；a(chǎn)，之后現(xiàn)場(chǎng)可快速拼接，生產(chǎn)效率、流水化作業(yè)程度高且不受天氣因素影響，節(jié)省了大量現(xiàn)場(chǎng)澆筑工期，施工進(jìn)度顯著加快。同時(shí)由于在預(yù)制廠集中化生產(chǎn)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)自然環(huán)境的影響相比現(xiàn)澆法大幅降低。預(yù)制裝配式涵洞工程特點(diǎn)如下。

1)預(yù)制裝配式涵洞通過(guò)鋼制成套模板快速預(yù)制，可預(yù)制箱型、管型等涵洞結(jié)構(gòu)，預(yù)制技術(shù)成熟。

2)鋼筋尺寸和定位精度高。

3)預(yù)制裝配式涵洞通過(guò)規(guī)?；a(chǎn)預(yù)制構(gòu)件，流水化作業(yè)程度高，顯著提高了構(gòu)件質(zhì)量及生產(chǎn)效率，后期通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)吊裝快速施工，可大幅縮短工期。

4)相比傳統(tǒng)現(xiàn)澆法，工廠化預(yù)制具有可靠穩(wěn)定的作業(yè)條件，不受自然因素影響。預(yù)制廠具有充足空間、材料保護(hù)條件、養(yǎng)護(hù)條件，不僅有效保證了原材料的質(zhì)量穩(wěn)定，同時(shí)在精度控制上也顯著提高。

5)預(yù)制裝配式涵洞由于能集中預(yù)制，免去了現(xiàn)場(chǎng)立模澆筑，綠色環(huán)保。

3 預(yù)制裝配式涵洞施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 施工工藝流程

預(yù)制裝配式涵洞施工工藝流程可劃分為3個(gè)階段，分別為預(yù)制廠預(yù)制、吊裝與運(yùn)輸、現(xiàn)場(chǎng)安裝，具體如圖3所示。

圖3 施工工藝流程

3.2 預(yù)制廠預(yù)制

3.2.1模板加工

使用定型鋼模板作為模板加工，模板需要滿足以下方面要求：①保證結(jié)構(gòu)具備充足的剛度、良好的光潔度，在精度控制及平整度方面達(dá)到較高水平；②需要有隔振設(shè)施和振動(dòng)設(shè)施；③為了能夠確保構(gòu)件的預(yù)制樣態(tài)，運(yùn)輸過(guò)程中需要有足夠的剛度，模板內(nèi)側(cè)需按精度要求制作，并通過(guò)打磨保證各個(gè)面光滑平整，澆筑前涂刷脫模劑，側(cè)模與底板連接牢固，螺栓擰緊，接縫緊密，加墊雙面膠條防止漏漿。

3.2.2鋼筋骨架安裝

鋼筋安裝采用特定的鋼筋安裝胎架，采用工字型鋼作為胎模骨架，立柱按照頂部變截面間距適當(dāng)布置，加設(shè)頂部橫桿，間距為50cm。制作鋼筋骨架按照先里后外的原則進(jìn)行焊接綁扎。

混凝土墊塊要使用特定的墊塊，強(qiáng)度保證預(yù)制吊放期間不破損，也要具備合適的密實(shí)度并與混凝土強(qiáng)度匹配。墊塊采用梅花形布置，交錯(cuò)分布在鋼筋和模板之間。

鋼筋骨架在吊裝過(guò)程中，采用四點(diǎn)吊點(diǎn)法吊運(yùn)入模，防止變形。骨架頂部按設(shè)計(jì)圖紙?jiān)O(shè)置吊環(huán)，并在吊環(huán)處設(shè)局部鋼筋網(wǎng)片，降低吊環(huán)周邊的應(yīng)力。

3.2.3混凝土澆筑

側(cè)墻、洞口墻身預(yù)制構(gòu)件、箱涵頂板使用C40混凝土，需要在拌合站采用集中拌合方式攪拌均勻，之后使用混凝土罐車運(yùn)輸至涵洞預(yù)制區(qū)。運(yùn)輸過(guò)程中不得發(fā)生離析和泌水現(xiàn)象，澆筑時(shí)采用起重機(jī)與料斗相配合。澆筑頂板時(shí)，先對(duì)鉸端混凝土進(jìn)行澆筑，后澆筑頂板混凝土，對(duì)稱澆筑并按照30cm分層。澆筑側(cè)墻時(shí),先澆筑底座轉(zhuǎn)角處混凝土，后澆筑側(cè)墻混凝土。如遇特殊原因澆筑時(shí)需要間歇，應(yīng)控制間歇時(shí)長(zhǎng)，不超過(guò)上一層混凝土冷凝時(shí)間。

3.2.4構(gòu)件養(yǎng)生

項(xiàng)目根據(jù)預(yù)制工期安排，冬季施工時(shí)采用蒸汽養(yǎng)生。采用流水作業(yè)推拉式蒸汽養(yǎng)生棚(棚內(nèi)預(yù)先布設(shè)管道和接口以及溫度計(jì))，構(gòu)件混凝土澆筑完成后帶模進(jìn)行蒸汽養(yǎng)生?？刂普魵鉁囟?，溫度提升至80℃后保持恒溫6h。在降溫結(jié)束時(shí)，環(huán)境溫度和混凝土表面溫差不超過(guò)15℃。溫度計(jì)在每個(gè)蒸養(yǎng)棚內(nèi)布設(shè)3個(gè)，準(zhǔn)確控制蒸養(yǎng)溫度。

夏季施工采用普通噴淋養(yǎng)生，待澆筑混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的85%后，可拆除支架。在吊放前需使預(yù)制構(gòu)件達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的90%。在預(yù)制構(gòu)件上鋪設(shè)土工布并灑水養(yǎng)生。為保證下部外漏鋼筋不銹蝕，可進(jìn)行相應(yīng)防腐處理。

3.3 吊裝與運(yùn)輸

構(gòu)件強(qiáng)度達(dá)到其設(shè)計(jì)強(qiáng)度的90%以上，可以考慮吊放，需測(cè)試涵洞基礎(chǔ)標(biāo)高、調(diào)準(zhǔn)基礎(chǔ)中線、保證基礎(chǔ)平整性，直到全部復(fù)核完畢符合設(shè)計(jì)要求，才可以放線。吊裝涵洞時(shí)，側(cè)墻需要表面平滑且豎直、墊板要平整、穩(wěn)定，經(jīng)過(guò)核實(shí)并滿足構(gòu)件要求，方可吊裝預(yù)制構(gòu)件。為防止吊裝和運(yùn)輸過(guò)程中，構(gòu)件出現(xiàn)邊角部分混凝土磨損的狀況，需要使用橡膠墊塊將其隔離保護(hù)。

采用先側(cè)墻后本節(jié)段頂板的順序吊裝。在吊裝側(cè)墻過(guò)程中，用激光掃描儀配合全站儀檢查涵洞墻板的垂直度，可人工輔助微調(diào)。墻板與墊層頂面確保穩(wěn)定，防止出現(xiàn)托空現(xiàn)象。頂板吊裝前需要將高強(qiáng)水泥涂抹在側(cè)墻的凹槽處，填滿上一步產(chǎn)生的縫隙。最后吊裝涵洞進(jìn)出口異形板及洞口預(yù)制墻身，牢固支撐,確保其剛度、強(qiáng)度、平整度和穩(wěn)定性。

運(yùn)輸過(guò)程中，裝配式涵洞預(yù)制構(gòu)件的運(yùn)輸穩(wěn)定性應(yīng)滿足相應(yīng)要求。建議在運(yùn)輸?shù)纳舷缕码A段，運(yùn)輸路段最大坡度不超過(guò)30°，并在該構(gòu)件運(yùn)輸過(guò)程中，頂板鉸接處設(shè)置底座，對(duì)構(gòu)件起到保護(hù)作用。車輛運(yùn)輸過(guò)程中控制加速度<0.6m/s2，保證運(yùn)輸穩(wěn)定性。轉(zhuǎn)彎路段經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)最小圓曲線半徑為40m，考慮鋼板與混凝土內(nèi)摩擦系數(shù)0.6，故在轉(zhuǎn)彎路段最大速度應(yīng)不超過(guò)4.8m/s。

3.4 基底與基礎(chǔ)施工

3.4.1基坑開挖

1)在基礎(chǔ)開挖前，地面需要進(jìn)行防排水施工。若基底開挖時(shí)底部出現(xiàn)積水，采取在基坑四周開挖集水溝的措施，若基坑產(chǎn)生積水，使用潛水泵進(jìn)行清除，以避免對(duì)基底承載力的影響。如無(wú)特殊情況，基坑開挖應(yīng)該高效快速進(jìn)行，避免基坑暴露太長(zhǎng)時(shí)間。

2)在機(jī)械開挖的基礎(chǔ)上，合理安排人工輔助開挖，確保滿足設(shè)計(jì)要求。在開挖過(guò)程中，隨同翼墻基礎(chǔ)、洞口鋪砌段一同開挖，挖深應(yīng)先大后小，逐步挖至設(shè)計(jì)高程，避免超挖。

3)基底的處理模式：開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高前，先測(cè)定地基承載力是否滿足要求，存在巖石地基、不均勻地基、軟弱地基時(shí)，需要對(duì)此類地基換填處理。

3.4.2墊層施工

1)墊層可采用混凝土墊層，采用4%水泥土和C30混凝土墊層進(jìn)行地基處理。洞口采用八字墻，其基礎(chǔ)的深、寬分別不小于60cm和120cm，且混凝土強(qiáng)度級(jí)不低于C25。施工后保證截水墻與八字墻基礎(chǔ)端部銜接平整。

2)在施工時(shí)，預(yù)制體的高程和縱向線性對(duì)位要準(zhǔn)確，沿路線走向上，墊層寬度相比結(jié)構(gòu)加寬200cm。

3.5 現(xiàn)場(chǎng)安裝

3.5.1底板及洞口現(xiàn)澆施工

箱涵接縫處理完成后，將同一節(jié)段側(cè)墻底板鋼筋進(jìn)行綁扎，布置底板模板，澆筑30cm厚C40混凝土。澆筑前用水沖刷墊層及側(cè)墻底座與底板接觸區(qū)域，保證墊層、側(cè)墻底座與底板新舊混凝土能夠牢固銜接。為保證混凝土強(qiáng)度，進(jìn)行灑水養(yǎng)生，并及時(shí)覆蓋土工布。待混凝土強(qiáng)度達(dá)到5MPa后方可拆模，之后繼續(xù)進(jìn)行養(yǎng)生。箱涵洞口澆筑C40混凝土底板。

3.5.2接縫與防水處理

1)節(jié)段內(nèi)側(cè)接縫 管節(jié)縱向縫充填塑料泡沫板。填塞砂漿前需保證接縫干凈，可通過(guò)鋼絲刷和抹布進(jìn)行清縫，最后拉毛。接縫處灑水之后晾干，填塞M7.5高黏稠水泥砂漿。經(jīng)過(guò)2h凝固，用泡沫板將接縫處砂漿修整，最后用抹子表面收光，檢測(cè)平整度，灑水繼續(xù)養(yǎng)護(hù)。

2)節(jié)段外側(cè)接縫 與內(nèi)接縫處理相似，在進(jìn)行清潔、拉毛、抹砂漿與養(yǎng)護(hù)之后進(jìn)行外接縫防水工藝。砂漿養(yǎng)護(hù)需達(dá)到7d后采取防水措施，采用SBS高聚物改性瀝青防水卷材進(jìn)行外部防水施工。

3)節(jié)段頂板接縫 相鄰涵洞6m一段連為整體，頂板間采用4道螺栓固定，如圖4所示。具體包含套管1根(預(yù)埋)、螺栓1根、螺旋筋2根(預(yù)埋)、U形筋2根(預(yù)埋)、墊板2塊、螺母2個(gè)。防腐材料選用鋅基鉻酸鹽涂料。

圖4 頂板彎螺栓連接方式

3.5.3涵背回填

涵背回填頂部過(guò)渡段長(zhǎng)度為(3+2H)m，其底部距基礎(chǔ)內(nèi)緣3m。在基礎(chǔ)頂面以下填方采用挖基材料回填，確保壓實(shí)度滿足設(shè)計(jì)要求。通過(guò)采用透水性良好的回填材料來(lái)應(yīng)對(duì)基坑積水問(wèn)題。盡量在比較寬闊地方使用大型壓實(shí)機(jī)械，并同時(shí)在兩側(cè)對(duì)稱分層夯實(shí)，以保證壓實(shí)質(zhì)量，保證壓實(shí)度達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。涵洞頂部以及其臨近的構(gòu)造物邊緣使用小型機(jī)械，采取分層夯實(shí)方式。

4 質(zhì)量控制及效果評(píng)價(jià)

4.1 預(yù)制模板

主要對(duì)模板尺寸、面板端偏斜、連接件預(yù)留孔位置及面板平整度進(jìn)行控制，控制指標(biāo)分別為±1mm，0.5mm，±0.3mm，±1mm。

4.2 鋼筋加工質(zhì)量

主要為受力鋼筋順長(zhǎng)度方向加工后的全長(zhǎng)、彎起鋼筋各部分尺寸、箍筋螺旋筋各部分尺寸，控制指標(biāo)分別為±10mm，±20mm，±5mm。

4.3 澆筑養(yǎng)生

1)坍落度設(shè)計(jì)值40mm，50～90mm，100mm對(duì)應(yīng)的允許偏差分別為10，20，30mm。維勃稠度為11，10～6，5s時(shí)對(duì)應(yīng)的允許偏差分別為3，2，1s。

2)混凝土振搗需根據(jù)澆筑層厚度選擇振搗方式。插入式振動(dòng)器、附著式振動(dòng)器均適用于澆筑層厚度不超過(guò)300mm的預(yù)制構(gòu)件。表面振搗器對(duì)于無(wú)筋或配筋稀疏時(shí)，澆筑層厚度≤250mm；對(duì)于配筋較密時(shí)，澆筑層厚度≤150mm。

3)預(yù)制頂板長(zhǎng)度允許偏差為±1mm，厚度、寬度允許偏差為±0.5mm；牛腿間距允許偏差為±1mm，牛腿面平整度允許偏差為±0.1mm；支座允許偏差為±0.5mm。對(duì)于預(yù)制側(cè)墻，側(cè)墻凈高允許偏差為±1mm，側(cè)墻厚度允許偏差為±0.5mm，側(cè)墻平整度、底座板平整度允許偏差為±0.1mm。

4.4 施工控制指標(biāo)

1)地基與墊層 地基承載力需滿足設(shè)計(jì)要求，基底頂面允許偏差為±30mm，軸線偏位允許偏差為25mm，壓實(shí)度應(yīng)大于96%，墊層混凝土強(qiáng)度在對(duì)應(yīng)合格標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，墊層厚度應(yīng)大于設(shè)計(jì)值，側(cè)墻底面墊層平整度允許偏差為3mm。

2)安裝精度 相鄰涵洞節(jié)段軸線允許偏差為+5mm，安裝環(huán)間隙≤20mm，相鄰節(jié)段內(nèi)輪廓線錯(cuò)臺(tái)允許偏差為+5mm，洞頂高程允許偏差為±10mm，側(cè)墻豎直度允許偏差1/1 000H(H為涵洞高度)。

3)現(xiàn)澆底板 底板混凝土強(qiáng)度在合格標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，底板高程允許偏差為±5mm，現(xiàn)澆底板厚度不小于設(shè)計(jì)值，寬度允許偏差為±10mm，底板鋼筋間距允許偏差為±5mm，鋼筋搭接長(zhǎng)度不小于設(shè)計(jì)值，底板保護(hù)層厚度允許偏差為10mm。

上述預(yù)制裝配式涵洞的質(zhì)量控制成功應(yīng)用于本項(xiàng)目的6座裝配式箱涵，累計(jì)長(zhǎng)度達(dá)192m，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益。通過(guò)預(yù)制裝配式涵洞構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化施工，形成了自動(dòng)化程度高、成品規(guī)格尺寸精度高、外觀質(zhì)量好的預(yù)制裝配式涵洞施工技術(shù)。本項(xiàng)目通過(guò)采用該技術(shù)，能夠有效縮短單體工程施工工期，同時(shí)集中化預(yù)制的整體環(huán)保效益突出。

5 結(jié)語(yǔ)

依托昔榆高速高速公路預(yù)制裝配式涵洞工程，提出了預(yù)制裝配式涵洞預(yù)制與施工技術(shù)。在涵節(jié)預(yù)制、吊裝運(yùn)輸、基坑開挖、現(xiàn)場(chǎng)拼裝、接縫防水、涵背回填等各施工環(huán)節(jié)分別進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化和完善，最大程度發(fā)揮預(yù)制裝配技術(shù)的優(yōu)越性。