沉管隧道底鋼板空鼓的原因及對策

李云濤,陳霞

(1.中鐵隧道股份有限公司,鄭州450003;2.聊城大學建筑工程學院,山東聊城 250029)

0 引言

隨著水下隧道的發(fā)展,沉管隧道已越來越多地被應(yīng)用在穿越江河的水下工程領(lǐng)域。鑒于沉管隧道處于地下水極為豐富的地層中,其外防水層的選用及施作質(zhì)量顯得尤為重要[1]。廣州市生物島—大學城沉管隧道管段主體結(jié)構(gòu)采用了外包底鋼板作為防水層,底鋼板采用錨筋與結(jié)構(gòu)底板連接成一體的底板防水結(jié)構(gòu)。底鋼板與混凝土局部脫空形成空鼓,為管段的防水埋下了隱患。而前人對此方面的研究與學習比較少;因此,本文將以廣州市生物島—大學城沉管隧道底鋼板出現(xiàn)空鼓的工程為例,闡述其成因及處理方法,為類似工程的施工提供一定的參考。

1 工程概況

廣州市生物島—大學城沉管隧道管段主體結(jié)構(gòu)為矩形框架結(jié)構(gòu),高8.7m,寬23m。本沉管隧道橫穿官洲河底,分為3節(jié)預(yù)制,總長214m。管段底板采用6 mm厚預(yù)埋底鋼板外包防水,側(cè)墻、頂板表面涂刷2.5 mm厚柔性聚氨酯防水涂料防水。防水底鋼板由6 000mm×1 051mm×6 mm Q235-B鋼板拼焊而成,沿管段底部整體布設(shè),并伸入側(cè)墻1.65m。底鋼板上以400mm×400mm的間距布置 φ12錨筋與結(jié)構(gòu)底板連接成一體。底鋼板焊接采用E43型焊條,錨筋采用HRB335鋼筋,錨筋焊接采用E50型焊條。底鋼板加工長度隨底板澆注長度確定,分段施工。底鋼板設(shè)計如圖1所示。

2 空鼓原因分析

在廣州市生物島—大學城沉管隧道管段預(yù)制施工中,結(jié)構(gòu)混凝土收縮完成、性能穩(wěn)定后,底鋼板伸入側(cè)墻部分出現(xiàn)多處脫空現(xiàn)象,空鼓面積一般為0.2～0.3m2。結(jié)合設(shè)計及施工過程情況分析,產(chǎn)生空鼓的原因[2]主要有以下幾個方面。

圖1 預(yù)埋底鋼板橫斷面圖(單位:mm)Fig.1 Cross-section of steel bottom plate(mm)

1)底鋼板錨筋連接不牢。設(shè)計錨筋與底鋼板的連接采用點接觸,要求錨筋與底鋼板沿鋼筋端頭接觸面圍焊1圈,高8mm,錨筋與底鋼板焊接設(shè)計如圖2所示。焊接過程中,由于底鋼板薄、錨筋直徑小,底鋼板極易被焊穿,破壞了構(gòu)件的本身性能,且焊接高度不易達到設(shè)計要求。錨筋與底鋼板連接質(zhì)量會影響到底鋼板與底板混凝土的錨固效果,局部錨固失效,為形成空鼓提供了條件。

圖2 錨筋與底鋼板連接示意圖(單位:mm)Fig.2 Sketch of connection between anchoring rod and steel bottom plate(mm)

2)底板混凝土振搗不密實。廣州市生物島—大學城沉管段主體結(jié)構(gòu)多采用 φ28以上的鋼筋,主筋間距100mm,分布筋間距150mm。結(jié)構(gòu)鋼筋直徑大、凈間距小,致使混凝土澆注時振搗棒插入困難;底板厚度為1 150 mm,倒角部位厚達1 650 mm,矮側(cè)墻高400 mm,一次澆注高度可達2 050mm,導(dǎo)致局部混凝土振搗不密實,從而使混凝土內(nèi)、底鋼板與混凝土間殘余空氣。隨著混凝土澆注量的增大,水泥水化所產(chǎn)生的熱量會越來越大,內(nèi)部殘余空氣由于溫度升高而急劇膨脹。底板被底鋼板外包為封閉體系,內(nèi)部殘余空氣在無路可走的情況下只能將壓力作用在側(cè)墻底鋼板上。錨筋與底鋼板的連接抵擋不住底鋼板內(nèi)部空氣熱膨脹所產(chǎn)生的壓力,從而導(dǎo)致底鋼板與錨筋、混凝土被頂壓分離;另外鋼板彈性模量為2.1×105N/mm2,管段C35混凝土彈性模量[3]為3.15×104N/mm2,比混凝土彈性模量高10多倍,兩者受熱變形不同步,從而形成空鼓。

3 空鼓的危害

底鋼板空鼓會對結(jié)構(gòu)主體造成如下影響:

1)空鼓處鋼筋保護層厚度不足,影響結(jié)構(gòu)的耐久使用;

2)空鼓處底鋼板與結(jié)構(gòu)不能緊密貼合,其熱脹冷縮會反復(fù)作用于與其接觸的混凝土表面,造成混凝土表面拉裂,嚴重時可能使裂紋發(fā)展至鋼筋表面;

3)空鼓處會由于鋼板邊緣與混凝土交界處出現(xiàn)裂隙、鋼板焊縫缺陷等原因與外界貫通,這樣底鋼板防水失效,水就會滲入空鼓處,埋下鋼筋被腐蝕的隱患。

4 措施改良

4.1 改變錨筋與底鋼板連接方式

在后期施工中,改變了錨筋與底鋼板的連接方式。錨筋兩端均彎曲60mm,與底鋼板的點連接改為雙面滿焊,并使用圓型小錘敲擊消除中間焊層應(yīng)力[4]。焊接時采用小徑焊條,電流大小調(diào)節(jié)適當。嚴格控制焊接質(zhì)量,側(cè)墻部位更應(yīng)加強控制。錨筋焊接應(yīng)按設(shè)計布局進行,且不得與底板主筋接觸,以免形成漏水通道,影響管段自防水質(zhì)量。錨筋與底鋼板焊接示意如圖3所示。

圖3 錨筋與底鋼板連接改善示意圖(單位:mm)Fig.3 Sketch of optimized connection between anchoringrod and steel bottom plate(mm)

4.2 底鋼板焊接平整及分段加工

底鋼板的平整度對底板的成型也有一定的影響。因鋼板只有6mm厚,焊接時產(chǎn)生的大量熱量極易導(dǎo)致鋼板變形。用400mm×4 000 mm底面平整的鋼壓塊將鋼板對接縫壓緊,采用跳焊方式進行拼焊以避免局部加熱集中,有效地將底鋼板的平整度控制在了設(shè)計要求之內(nèi)。

在施作底板鋼筋前,澆注段底板底部預(yù)埋鋼板一次性加工完畢,側(cè)墻部位底鋼板每12m左右為1段進行分段加工,待混凝土澆注完畢,拼接焊縫,拼焊縫處預(yù)埋注漿鋁管以便后期進行壓力注漿處理。

4.3 創(chuàng)造振搗條件,加強振搗控制

底板倒角尺寸為500mm×1 500mm,規(guī)格較大,混凝土堆積較厚。商品混凝土坍落度控制為(120±20)mm,完全可以依靠混凝土的自穩(wěn)力成型。不施作模板,不但可以方便振搗,而且可以加強混凝土的散熱及養(yǎng)護效果?；炷翝沧?yīng)盡量選取有大體積混凝土澆注經(jīng)驗的隊伍進行。澆注前,必須對施工操作人員進行培訓(xùn),讓其明確振搗的重要性及操作要點。澆注時,正確使用振搗棒,分段、分層澆注。對間隙較小的地方,可輔以小振搗棒進行振搗;預(yù)埋件加強鋼筋較多,宜采用細石混凝土進行澆注;分層厚度不應(yīng)過大,以300～500mm為宜,分段長度按現(xiàn)場工人振搗速度進行控制[5-6]。

4.4 底鋼板空鼓注漿處理

在底鋼板空鼓上下各鉆1個孔,埋設(shè)注漿鋁管后進行壓力注漿,下孔為注漿孔,上孔為排氣孔。注漿分2次進行。第1次注漿液為純水泥漿,第2次注漿液為高強防滲材料[7]摻合固化劑、促進劑。第1,2次注漿應(yīng)間隔48h以上,注漿參數(shù)[8-9]見表1。

表1 高壓注漿參數(shù)Table 1 Parameters of high pressure grouting

將底鋼板與側(cè)墻剝離的部位混凝土鑿成45°斜角后用環(huán)氧砂漿封堵,并在環(huán)氧砂漿及底鋼板空鼓處預(yù)埋注漿管。待環(huán)氧砂漿硬化后對空鼓進行注漿處理,注漿壓力應(yīng)適宜,以免壓力過大導(dǎo)致底鋼板與底板混凝土大面積脫離。注漿完畢,對注漿孔進行封堵,并在其上涂刷1層環(huán)氧樹脂后再進行底鋼板的防腐、防銹處理[10-11]。

5 結(jié)論

1)通過改良錨筋與底鋼板連接方式、底鋼板焊接平整及分段加工、底鋼板空鼓注漿處理、加強振搗控制等一系列措施,可改善底鋼板與管段底板混凝土的結(jié)合,有效地治理及防止了空鼓,保證了施工質(zhì)量,確保管段的安全使用。

2)混凝土與鋼板彈性模量相差較大,水化反應(yīng)時兩者因熱脹冷縮變形不同步引起的空鼓仍需進一步的研究解決。

3)生物島—大學城沉管隧道底鋼板空鼓的處理較為成功,可為以后沉管隧道底鋼板的設(shè)計及施工提供參考及借鑒。

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