超深圓形豎井結(jié)構(gòu)混凝土溫控及養(yǎng)護(hù)技術(shù)研究

劉燦平

(廣東粵海珠三角供水有限公司，廣州 511458）

0 引 言

近年來，盾構(gòu)隧道施工在地下空間的應(yīng)用越來越多，尤其是在城市地鐵工程、水利工程、城市綜合管廊工程等方面[1-3]。因盾構(gòu)隧道往往下穿重要建筑物、江河湖海及地質(zhì)條件差的地層，這導(dǎo)致盾構(gòu)線路埋深大，盾構(gòu)始發(fā)時(shí)常采用超深豎井作為始發(fā)井，其平面設(shè)計(jì)在工程中通常采用圓形截面布置，對(duì)于這類超深開挖的圓形豎井,目前工程案例及其支護(hù)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)性研究較少，而當(dāng)豎井開挖深度很大時(shí),支護(hù)結(jié)構(gòu)分析不合理極易造成重大工程事故[4]。為了確保超深豎井的結(jié)構(gòu)安全，陳文霞探究了巖土層差異、圓形豎井直徑、支護(hù)結(jié)構(gòu)厚度和地下連續(xù)墻環(huán)向剛度對(duì)圓形超深支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響,初步嘗試求解了工程設(shè)計(jì)實(shí)踐中遇到的一些難題。符志遠(yuǎn)等對(duì)豎井的結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行了研究，提出地下連續(xù)墻與滿堂內(nèi)襯聯(lián)合受力計(jì)算方法，且為滿足盾構(gòu)機(jī)始發(fā)要求而研發(fā)了新型反力座[5-6]。吳華柒采用彈性地基梁法和增量法對(duì)工作井各施工工況進(jìn)行計(jì)算并與實(shí)測值進(jìn)行對(duì)比與分析,為復(fù)雜工況下越江隧道超大超深工作井結(jié)構(gòu)在施工過程中的變形以及對(duì)周邊環(huán)境的影響提供工程類比和參考經(jīng)驗(yàn)[7]。

文章結(jié)合珠江三角洲水資源配置工程某超深圓形豎井逆作法內(nèi)襯結(jié)構(gòu)工程實(shí)例，對(duì)工程中出現(xiàn)的內(nèi)襯結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差大、新澆內(nèi)襯結(jié)構(gòu)表面與空氣溫差大及由于豎井超深引起逆作法內(nèi)襯結(jié)構(gòu)分層養(yǎng)護(hù)難度大等技術(shù)難題進(jìn)行了研究，提出了相應(yīng)的解決措施，進(jìn)一步推動(dòng)超深圓形豎井逆作法內(nèi)襯結(jié)構(gòu)施工技術(shù)研究。

1 工程概況

珠江三角洲水資源配置工程是國務(wù)院部署的的172項(xiàng)節(jié)水供水重大水利工程之一，工程輸水線路總長113.2km，全線主要采用地下深埋盾構(gòu)施工，最大限度地保護(hù)灣區(qū)生態(tài)環(huán)境，為未來發(fā)展預(yù)留寶貴地表和淺層地下空間，為此本工程盾構(gòu)工作井基本為50~73m（含底板）的超深豎井[8]。其中，某圓形豎井井深為73.98m，采用順挖逆做施工工藝，標(biāo)準(zhǔn)開挖層層高4.5m。工作井外圍地連墻厚1.2m，內(nèi)襯墻墻體厚度及工作井開挖內(nèi)徑隨開挖深度有所變化，共分兩種情況：其中上部分（▽0.12~-16.05m)范圍內(nèi)襯墻體厚度1.2m，內(nèi)直徑31.1m；下部分（▽-16.05~-63.43m)范圍內(nèi)襯墻體厚度1.5m，內(nèi)直徑30.5m。

2 施工中出現(xiàn)的主要技術(shù)難題

1）豎井內(nèi)襯結(jié)構(gòu)尺寸大，內(nèi)襯混凝土澆筑后，結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差大，存在混凝土開裂的問題。

2）隨著內(nèi)襯結(jié)構(gòu)往深處施作，內(nèi)襯結(jié)構(gòu)懸于高處，存在難以養(yǎng)護(hù)或養(yǎng)護(hù)時(shí)間不足的問題。

3 問題產(chǎn)生的原因及危害

1）內(nèi)襯結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差大：

內(nèi)襯墻厚1.2~1.5m，洞門墻位置厚2.5~3.58m，工作井底板厚3.5m，在狹小的豎井施工作業(yè)時(shí)，均可視作為大體積混凝土。結(jié)構(gòu)內(nèi)部水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生大量熱量，由于混凝土導(dǎo)熱系數(shù)小，熱量難于及時(shí)散發(fā)，導(dǎo)致內(nèi)部溫度急劇升高，高達(dá)65℃，而內(nèi)襯表面暴露在空氣中，散熱較快，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差較大。內(nèi)部溫度高，混凝土體積膨脹大，外部溫度相對(duì)偏低，其膨脹相對(duì)較小，隨著時(shí)間的推移，內(nèi)部溫度緩緩降低至常溫，混凝土體積收縮。在此過程中，內(nèi)襯結(jié)構(gòu)受拉產(chǎn)生裂紋，嚴(yán)重時(shí)，甚至產(chǎn)生貫穿裂紋，影響結(jié)構(gòu)受力并出現(xiàn)滲漏水現(xiàn)象。

2）逆作法內(nèi)襯結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)：

豎井內(nèi)襯結(jié)構(gòu)采用逆作法施工，隨著內(nèi)襯結(jié)構(gòu)往深處施作，結(jié)構(gòu)高處養(yǎng)護(hù)將難以實(shí)施，內(nèi)襯結(jié)構(gòu)面難以得到充分養(yǎng)護(hù)，其表面溫度高，易產(chǎn)生龜裂，且由于結(jié)構(gòu)表面水份散發(fā)快，表面混凝土失水，混凝土水化反應(yīng)水量不足，導(dǎo)致表層局部混凝土強(qiáng)度不足。

4 內(nèi)襯結(jié)構(gòu)溫控技術(shù)措施

4.1 混凝土施工溫控措施

4.1.1 優(yōu)選原材料

1）水泥采用低水化熱的硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥。

2）選擇優(yōu)質(zhì)粉煤灰，以達(dá)到合理減少混凝土單位水泥用量的目的。

3）通過對(duì)各生產(chǎn)廠家骨料的比選，選擇粒徑相對(duì)較大，級(jí)配最優(yōu)的骨料，以達(dá)到合理減少混凝土單位水泥用量的目的。

4） 通過對(duì)各類外加劑的比選，選擇優(yōu)質(zhì)外加劑，以達(dá)到合理減少混凝土單位水泥用量的目的。

4.1.2 控制原材料溫度

1）水泥、粉煤灰、外加劑均設(shè)置降溫措施，水泥的入罐溫度不宜高于65℃。

2）優(yōu)先采用進(jìn)場時(shí)間較長的水泥和摻合料拌制混凝土，盡可能降低水泥及摻合料在生產(chǎn)過程中存留的余熱。

3）采用通風(fēng)良好的遮陽大棚料場存放骨料，避免太陽直射。

4）夏季高溫施工階段，通過往水池投放冰塊控制拌合用水水溫，每班混凝土生產(chǎn)前提前測取實(shí)際水溫，通過試驗(yàn)確定加冰量，確保拌合用水水溫不高于15℃。

5）對(duì)骨料灑水降溫，同時(shí)注意骨料含水率的檢測，以保證混凝土配合比的質(zhì)量。

4.1.3 優(yōu)化配合比

1）在滿足混凝土各項(xiàng)指標(biāo)的前提下，采用優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)，合理減少混凝土單位水泥用量，將水泥用量控制在260~300kg/m3范圍內(nèi)。

2）所配制的混凝土拌合物，到澆筑工作面的坍落度控制在160mm 以內(nèi)。

3）拌和水用量不宜大于170kg/m3。

4）在滿足混凝土各項(xiàng)指標(biāo)的前提下，采用優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)，適當(dāng)提高粉煤灰摻量，但粉煤灰摻量不宜超過膠凝材料用量的30%；礦渣粉的摻量不宜超過膠凝材料用量的40%；粉煤灰和礦渣粉摻合料的總量不宜大于混凝土中膠凝材料用量的50%。

5）水膠比不宜大于0.45。

6）砂率宜為38~45%。

4.1.4 控制混凝土拌合及運(yùn)輸溫度

1）混凝土出機(jī)溫度較高時(shí)，可采取加冰拌合，降低出機(jī)口溫度。

2）按要求定期對(duì)拌合站計(jì)量系統(tǒng)進(jìn)行校驗(yàn)，控制計(jì)量誤差。

3） 混凝土出廠前按要求進(jìn)行出機(jī)溫度、坍落度、含氣量等指標(biāo)檢測，各項(xiàng)指標(biāo)均檢測合格后方可出廠。

4）加強(qiáng)施工管理，盡量減少混凝土轉(zhuǎn)運(yùn)次數(shù)；縮短運(yùn)輸時(shí)間，避免混凝土運(yùn)輸車輛在受料斗前長時(shí)間等候。

5） 運(yùn)輸車儲(chǔ)運(yùn)罐裝混凝土前用涼水沖洗降溫，并在混凝土攪拌運(yùn)輸車罐體周邊設(shè)置一層棉紗降溫，并及時(shí)澆水降溫，在罐車行走、轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，使罐體周邊濕潤。

4.1.5 控制混凝土澆筑溫度

1）進(jìn)行倉面設(shè)計(jì)，混凝土整體分層澆筑，每層澆筑厚度以30~50cm 為宜。

2）混凝土澆筑時(shí)盡量避開白天高溫時(shí)段，在下午16：00 以后和早上10：00 之前進(jìn)行澆筑。

3）在混凝土澆筑過程中，應(yīng)至少每2~4h 測量一次混凝土出機(jī)口溫度和入倉溫度，并做好記錄，混凝土入倉溫度不得超過28℃。

4）混凝土澆筑后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行保溫保濕養(yǎng)護(hù)，保溫保濕養(yǎng)護(hù)可采用覆蓋土工膜、噴霧、灑水等方式。

4.2 預(yù)埋冷卻水管降溫

4.2.1 冷卻水管

豎井內(nèi)襯墻冷卻水管采用高導(dǎo)熱性HDPE 塑料管，規(guī)格為：內(nèi)徑28mm,壁厚2mm,外徑32mm。工作井洞門墻和底板混凝土冷卻水管采用焊接鋼管，規(guī)格為：內(nèi)徑28.5mm,壁厚2.6mm,外徑33.7mm。

4.2.2 冷卻水管埋設(shè)

內(nèi)襯墻及部分洞門墻冷卻水管采用分層環(huán)形布置，部分洞門墻及底板冷卻水管采用蛇形布置，要求如下：

1）冷卻水管單根水管長度≤150m。

2）內(nèi)襯墻每層水管環(huán)形布置、并沿內(nèi)襯墻中間埋設(shè)，每層水管設(shè)進(jìn)、出水口，并于主管相接。

3）每層內(nèi)襯墻布置4 圈冷卻水管，冷卻水管層間間距l(xiāng)m,第1 層距離內(nèi)襯墻頂部為0.75m,第4層距離內(nèi)襯墻底部均為0.75m。

4）洞門墻冷卻水管層間間距0.75m,水管沿洞門墻中間布置，洞門以上視高度進(jìn)行環(huán)形布置，洞門高度范圍內(nèi)采用蛇形布置，冷卻水管距離洞門邊線lm。

5）底板冷卻水管采用蛇形布置，層間間距1m，冷卻水管層數(shù)為2 層。

6）混凝土鋼模板拼裝前，冷卻水管穿入鋼筋籠后固定于內(nèi)襯墻中部，確?；炷翝仓^程中不會(huì)出現(xiàn)移位的情況

4.2.3 冷卻水循環(huán)溫度控制

1）在混凝土澆筑前將冷卻水管與外部循環(huán)水管連接，同時(shí)在進(jìn)水口加裝水閥控制進(jìn)水流量，循環(huán)水溫過高，則需向水池加冰降溫。

2）混凝土澆筑完成12h 后，通水對(duì)混凝土內(nèi)部進(jìn)行降溫，模板拆除時(shí)將冷卻水管與外部循環(huán)水管斷開，該塊模板拆除完成后恢復(fù)連接，繼續(xù)通水降溫。

3）冷卻水熱交換過程應(yīng)控制在150~200s，冷卻水進(jìn)水流速宜為0.6~0.7m/s。

4）通過調(diào)節(jié)進(jìn)水流量及水溫控制進(jìn)水溫度與混凝土最高溫度之差，溫差宜為15~25℃，出水溫度與進(jìn)水溫度之差宜為3~6℃(2h 測定一次)，24h水流方向調(diào)整一次。

5）混凝土澆筑前預(yù)先在冷卻水管中充滿水，使冷卻水管中的水在混凝土升溫的同時(shí)被加熱，以保證開啟冷卻水管時(shí)，其冷卻水的溫度和混凝土的溫差不會(huì)過大。

6）當(dāng)混凝土最高溫度與表層溫度之差不大于15℃時(shí)可暫停水冷卻作業(yè)；當(dāng)混凝土最高溫度與表層溫度之差大于25℃時(shí)，應(yīng)重新啟動(dòng)水冷卻系統(tǒng)。

7）水冷卻結(jié)束后，采用水泥漿對(duì)冷卻水管進(jìn)行封堵灌漿，壓漿材料水灰比≤0.6。

8）混凝土在水冷卻過程中，混凝土表面應(yīng)保持濕潤，保證混凝土表里溫差＜25℃。

9）循環(huán)水水箱水溫可采取更換循環(huán)水或加冰進(jìn)行調(diào)節(jié)，水溫主要根據(jù)混凝土內(nèi)部溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

4.2.4 結(jié)構(gòu)溫度監(jiān)測

1）監(jiān)測點(diǎn)布置：

在內(nèi)襯墻0℃、90℃、180℃、270℃方向的墻體中間布置4 組溫度計(jì)，測量混凝土溫度，每組設(shè)3 支溫度計(jì)，分別監(jiān)測混凝土外表、內(nèi)部、底部溫度。

工作井底板混凝土測溫計(jì)共設(shè)4 個(gè)斷面（0℃、90℃、180℃、270℃方向），每個(gè)斷面按半徑方向均勻布置5 個(gè)點(diǎn)(內(nèi)側(cè)點(diǎn)位于井中心，外側(cè)點(diǎn)距離地連墻表面0.05m),每個(gè)點(diǎn)設(shè)3 支溫度計(jì)，分別監(jiān)測底板表面點(diǎn)、中間點(diǎn)（底板中心）、內(nèi)部點(diǎn)的溫度。

混凝土澆筑體的外表溫度，為混凝土外表以內(nèi)50mm 處的溫度?；炷翝仓w的內(nèi)部溫度，為混凝土澆筑體中心溫度，測點(diǎn)布置在H/2處(H為板厚、或墻厚)。混凝土澆筑體底面的溫度，為混凝土澆筑體底面上50mm 處的溫度。對(duì)于預(yù)埋冷卻水管的部位，測溫點(diǎn)應(yīng)布置在相鄰兩冷卻水管的中間位置，并在冷卻水管進(jìn)出口分別布置測溫點(diǎn)。

2）監(jiān)測頻次：

溫度測量使用電子自動(dòng)類溫度計(jì)，溫度計(jì)測量誤差控制在0.5℃以內(nèi)。溫度測溫頻次：混凝土澆筑后，第一至二天每2h 測量次混凝土溫度、第三至四天每4h 次，后續(xù)每天檢測1 次。

5 內(nèi)襯結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)措施

1）混凝土強(qiáng)度達(dá)到2.5MPa 以上，保證其表面及菱角不因拆模而損壞時(shí)，方可拆除模板。

2）延長拆模時(shí)間，拆模時(shí)混凝土齡期不少于3d，選擇在高溫時(shí)段拆模，不宜在夜間和氣溫驟降期間拆模。

3）內(nèi)襯墻養(yǎng)護(hù)采用霧化噴淋系統(tǒng)，由帶霧化噴頭內(nèi)徑12mm 的防爆水管及一臺(tái)100W 水泵組成。防爆水管沿內(nèi)襯墻環(huán)形布置，高程比上層內(nèi)襯墻距底高約10cm 處?；炷敛鹉Ｇ袄媚０屙敳康男凶咂脚_(tái)將防爆水管安裝到位，通過水管連接至井口，循環(huán)水管開關(guān)布置于井口位置。養(yǎng)護(hù)防爆水管根據(jù)噴淋范圍每層安裝一圈，噴霧養(yǎng)護(hù)應(yīng)能保持結(jié)構(gòu)表面處于濕潤狀態(tài)。

6 結(jié) 語

通過對(duì)內(nèi)襯結(jié)構(gòu)內(nèi)部增加冷卻水循環(huán)系統(tǒng)及針對(duì)性養(yǎng)護(hù)措施將內(nèi)襯結(jié)構(gòu)大體積混凝土溫度控制在設(shè)計(jì)要求的范圍內(nèi)，極大程度的減少了裂紋的產(chǎn)生，消除了因養(yǎng)護(hù)不到位對(duì)混凝土表觀強(qiáng)度的影響，達(dá)到了預(yù)期的效果。