自密實(shí)混凝土在西甘池隧洞工程中的應(yīng)用

(北京通成達(dá)水務(wù)建設(shè)有限公司，北京 101300)

1 自密實(shí)混凝土優(yōu)越性

應(yīng)用自密實(shí)混凝土的優(yōu)越性具體表現(xiàn)在：

a.具有良好的材料勻質(zhì)性和穩(wěn)定性，在流動(dòng)狀態(tài)下不泌水、不起泡、無(wú)粗骨料離析現(xiàn)象，能夠在困難斷面或密集鋼筋結(jié)構(gòu)中完成混凝土的澆筑，減少混凝土缺陷，保證工程質(zhì)量，減少以后修復(fù)工程和修復(fù)費(fèi)用。

b.加快澆筑速度，縮短施工時(shí)間。

c.由于不需要振動(dòng)搗實(shí)，減少了施工噪音，同時(shí)也有效保證了施工安全；能夠從總體上降低工程造價(jià)，提高經(jīng)濟(jì)效益。

2 西甘池隧洞工程選用自密實(shí)混凝土襯砌的原因

2.1 工程簡(jiǎn)介

西甘池隧洞位于南水北調(diào)中線(北京段)惠南莊泵站～大寧調(diào)壓池輸水干線范圍內(nèi)，距房山鎮(zhèn)約14km。樁號(hào)為HD12+300～HD14+100，雙洞平行布置，單洞長(zhǎng)1800m。隧洞結(jié)構(gòu)形式為PCCP管道和鋼筋混凝土復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)。開(kāi)挖洞徑為5.3～6.36m，城門(mén)洞形，初期支護(hù)為厚100～180mm的噴錨支護(hù)，特殊地質(zhì)洞段采用型鋼鋼架加強(qiáng)支護(hù)。

該工程原設(shè)計(jì)方案為隧洞貫通后每12m為一段，進(jìn)行厚40～50cm的鋼筋混凝土襯砌施工，襯砌全部完成后進(jìn)行洞內(nèi)管道安裝和厚20cm的管外填充混凝土回填。但在建設(shè)過(guò)程中，由于拆遷占地滯后等原因，導(dǎo)致隧洞開(kāi)挖貫通日期大大延后，僅剩下4個(gè)月的工期預(yù)留給后續(xù)三項(xiàng)工作(3600m長(zhǎng)的隧洞襯砌、洞內(nèi)管道安裝、管外混凝土回填)，工期遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，必須進(jìn)行方案調(diào)整。

2.2 調(diào)整方案的選擇

通過(guò)進(jìn)行反復(fù)的方案論證和對(duì)比，并與業(yè)主、監(jiān)理、設(shè)計(jì)單位研究決定，用PCCP管做內(nèi)模的方案，即隧洞開(kāi)挖完成后，先安裝PCCP管道，然后采用PCCP管子做混凝土內(nèi)模，將隧洞襯砌和管道混凝土同時(shí)澆筑完成。由于PCCP管不允許開(kāi)澆筑倉(cāng)口，管與洞壁之間處于基本封閉狀態(tài)，且澆筑空間狹小，采用常規(guī)混凝土施工很難確保澆筑質(zhì)量。經(jīng)過(guò)認(rèn)真分析，并咨詢相關(guān)專家，最終決定，除埡口下游1005m段中圍巖較好的無(wú)筋洞段采用自流平砂漿回填外，其余圍巖地質(zhì)條件較差的洞段，采用雙層配筋+自密實(shí)混凝土澆筑，利用自密實(shí)混凝土無(wú)須振搗而依靠自重均勻填充澆筑空間的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)既保工期又保質(zhì)量的目標(biāo)。方案調(diào)整示意詳見(jiàn)圖1。

配合襯砌方案調(diào)整，隧洞固結(jié)灌漿、回填灌漿的施工順序和工藝也進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整。固結(jié)灌漿在初期支護(hù)的強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后即進(jìn)行，提前對(duì)地質(zhì)條件較差的圍巖進(jìn)行固結(jié)加強(qiáng)。

3 自密實(shí)混凝土配比設(shè)計(jì)

自密實(shí)混凝土是一種具有較高流動(dòng)性、高填充性、高抗離析性、高間隙通過(guò)性和良好均質(zhì)性的拌和物，有良好的施工性能，在硬化后具有適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度、較小的收縮、良好的耐久性，它能夠在自重的作用下，不采取任何密實(shí)成型措施，即能充滿整個(gè)模腔而形成勻質(zhì)的混凝土，達(dá)到自密實(shí)的效果。

工程選用二級(jí)自密實(shí)混凝土，主要技術(shù)參數(shù)為：坍落擴(kuò)展度為650±50mm、T50為3～20s、V形漏斗通過(guò)的時(shí)間為7～25s、U形箱試驗(yàn)填充高度為320mm以上。細(xì)骨料選用細(xì)度模數(shù)為2.7的中砂，粗骨料選用粒徑為5～20mm的碎卵石；粉體為P.O 42.5水泥、一級(jí)粉煤灰、Ⅲ級(jí)礦渣粉；外加劑為HJY-828型高效減水劑。配比具體如下表。

自密實(shí)混凝土配比設(shè)計(jì)表

4 施工部署及工藝

4.1 施工段劃分

西甘池隧洞在開(kāi)挖過(guò)程中，為加快施工進(jìn)度，已將中間埡口位置(樁號(hào)HD13+000～HD13+095)，長(zhǎng)95m的洞段明挖成槽，兩條隧洞形成四條短洞，其中，進(jìn)口兩條長(zhǎng)700m、出口兩條長(zhǎng)1005m。即單條隧洞有進(jìn)口、埡口、出口3個(gè)工作面。具體施工部署見(jiàn)圖2。

4.2 管道安裝前的準(zhǔn)備階段

采用PCCP管做內(nèi)模的隧洞襯砌方案，主要內(nèi)容包括洞內(nèi)管道安裝、澆筑自密實(shí)混凝土襯砌、回填灌漿，設(shè)計(jì)澆筑倉(cāng)段為40m左右(8節(jié)5m的PCCP管，或者加上一個(gè)1.24～1.59m長(zhǎng)的鋼制管件)。由于洞內(nèi)PCCP管安裝采用專用設(shè)備——馱管車，所以必須要將襯砌施工分兩期進(jìn)行，第一期主要為馱管車進(jìn)洞安裝進(jìn)行的準(zhǔn)備工作，即澆筑底板混凝土后，鋪設(shè)馱管車軌道。

圖2 襯砌施工分段部署示意圖

主要工序包括：測(cè)量放線→清基→墊層混凝土澆筑→外圈鋼筋制安→馱管車軌道埋件安裝→底板混凝土澆筑→鑿毛處理→馱管車軌道安裝。

按每清理100m左右澆筑一次墊層混凝土，每完成60m鋼筋綁制安筑一段底板混凝土考慮，形成流水作業(yè)。

4.3 管道安裝和混凝土襯砌階段

主要施工工序包括：卸管子至鋼筋綁扎工作平臺(tái)→內(nèi)圈鋼筋綁扎在PCCP管上→將鋼筋綁扎成型的管子吊至軌道→馱管車將PCCP管架起、鋼筋局部調(diào)整→管子進(jìn)洞安裝→混凝土澆筑前的準(zhǔn)備工作(混凝土管、混凝土泵就位,堵頭模板安裝)→混凝土澆筑→混凝土泵撤出、拆除堵頭模板→下一段管子安裝→進(jìn)入下一循環(huán)。

回填灌漿在每一倉(cāng)段混凝土強(qiáng)度達(dá)到70%后進(jìn)行。

5 生產(chǎn)性試驗(yàn)

自密實(shí)混凝土應(yīng)用于水工隧洞的襯砌，在長(zhǎng)距離、狹小、近乎封閉的環(huán)境中澆筑，這在國(guó)內(nèi)尚屬首次，沒(méi)有規(guī)范和施工經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。為驗(yàn)證40m為一澆筑倉(cāng)段長(zhǎng)距離輸送的可行性，自密實(shí)混凝土能否將狹小的澆筑倉(cāng)填充密實(shí)，如何確保澆筑過(guò)程中不出現(xiàn)漂管及其他不可預(yù)料的問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了生產(chǎn)性試驗(yàn)，為大規(guī)模施工提供必要的參考和數(shù)據(jù)。

工程選取埡口上游左、右洞的洞口第一個(gè)澆筑倉(cāng)進(jìn)行試驗(yàn)。由于其位置處于洞口，雙向均有澆筑口，既便于試驗(yàn)觀察，又可以在倉(cāng)內(nèi)一旦出現(xiàn)澆筑不滿的情況下采取補(bǔ)救措施。

5.1 左洞第1個(gè)澆筑倉(cāng)HD13+000～HD12+957.62

5.1.1 泵管的布設(shè)

該澆筑倉(cāng)長(zhǎng)42.38m，倉(cāng)內(nèi)布設(shè)33m長(zhǎng)的輸送泵管，輸送管路采用滑動(dòng)裝置固定在隧洞頂部的工字鋼滑軌上，以便于調(diào)節(jié)混凝土出料口位置。同時(shí)，在埡口倉(cāng)頭處布設(shè)了10m長(zhǎng)的泵管一根。如下圖3。

5.1.2 澆筑情況

澆筑前期，經(jīng)過(guò)在兩個(gè)倉(cāng)頭堵頭模板處觀察孔監(jiān)測(cè)，即使泵管下料口不做移動(dòng)，混凝土也可自流至兩倉(cāng)頭，呈中間(下料口處)高，兩頭低的流態(tài)。在澆筑后期，由于泵管過(guò)長(zhǎng)和混凝土堵塞滑輪等因素影響，滑動(dòng)

圖3 第一個(gè)澆筑試驗(yàn)倉(cāng)內(nèi)泵送管路布置示意圖

裝置失靈，無(wú)法實(shí)現(xiàn)泵管移動(dòng)。當(dāng)泵管下料口混凝土高度達(dá)到洞室頂部位置時(shí)，逐步形成了中間阻隔墻，混凝土被泵送壓力反向壓至距下料口較遠(yuǎn)的一側(cè)，即埡口HD13+000倉(cāng)頭模板處，并充填密實(shí)。較近一側(cè)頂部卻出現(xiàn)了長(zhǎng)約8m，高40～50cm左右的空隙。這跟預(yù)估的情況正好相反，所以預(yù)埋的第二根泵管無(wú)法發(fā)揮作用。為將空隙部位灌注密實(shí)，現(xiàn)場(chǎng)加大了泵送壓力進(jìn)行澆筑，但效果不很明顯。為此，在12+957.62處又重新布置了一路泵管進(jìn)行澆筑，共灌注混凝土12m3左右，將空隙處澆筑密實(shí)。

5.2 右洞第1個(gè)澆筑倉(cāng)HD13+000～HD12+957.62

吸取第一個(gè)試驗(yàn)倉(cāng)的經(jīng)驗(yàn)，將混凝土輸送泵管滑動(dòng)裝置取消，采用射入巖石的錨桿連接管箍固定泵送管；同時(shí)將泵管長(zhǎng)度由30m加長(zhǎng)為38m，距堵頭模板約4m長(zhǎng)。通過(guò)布設(shè)在兩倉(cāng)頭模板處的觀察孔，專人全過(guò)程中檢測(cè)，可以將42.38m長(zhǎng)的澆筑倉(cāng)填充密實(shí)。具體布管見(jiàn)圖4。

圖4 第二個(gè)澆筑試驗(yàn)倉(cāng)內(nèi)泵送管路布置示意圖

5.3 倉(cāng)頭模板的封堵工藝

澆筑自密實(shí)混凝土，除管路布置外，還需要考慮的另一個(gè)問(wèn)題是對(duì)模板產(chǎn)生的側(cè)壓力。與普通混凝土相比，自密實(shí)混凝土屈服值很低，幾乎沒(méi)有支撐自重的能力，澆筑的過(guò)程下部模板所承受的側(cè)向壓力會(huì)隨澆筑高度增長(zhǎng)而線性增加，這樣就要求模板具有更高的剛度和堅(jiān)固程度。

在西甘池隧洞工程中，堵頭模板結(jié)合設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)分縫的做法，采用浸油木板進(jìn)行封堵。模板加固原則為“內(nèi)拉為主，外撐為輔”。采用方木和架子管緊貼浸油木板做橫、豎楞，φ16的對(duì)拉鋼筋與隧洞內(nèi)外側(cè)錨樁連接，螺栓緊固成整體。堵頭模板分塊加工、安裝，各塊模板尺寸相對(duì)固定，批量加工生產(chǎn)。堵頭模板采分為10塊定型模板，洞室腰線附近⑤、⑥號(hào)和頂部⑩號(hào)分塊模板，在澆筑前期先不安裝，留作觀察孔，在澆筑至該部位后再進(jìn)行封堵。具體詳見(jiàn)圖5、圖6。

圖5 隧洞襯砌模板分塊及加固示意圖 (單位：mm)

圖6 模板內(nèi)拉加固縱斷面示意圖 (單位：mm)

5.4 混凝土澆筑工藝

HB80T型混凝土泵泵送混凝土入倉(cāng)，澆筑時(shí)在倉(cāng)頭安排3～4人密切關(guān)注混凝土流態(tài)，確保PCCP管兩側(cè)的混凝土面高差在30cm以內(nèi)，防止PCCP管漂移。混凝土澆筑根據(jù)上升高度采取快慢結(jié)合，合理控制?；炷撩娓叨仍赑CCP管身1.5m以下(PCCP管偏下位置)時(shí)，適當(dāng)加快澆筑速度；高度在1.5～3.0m之間(PCCP管中間位置)時(shí)，適當(dāng)放慢澆筑速度，控制在20m3/小時(shí)以內(nèi)，并密切關(guān)注管子兩側(cè)混凝土面的高差和堵頭模板的變形情況；高度在3.0m以上時(shí)可加快速度，澆筑接近頂拱部位第一次出現(xiàn)高壓無(wú)法壓入倉(cāng)時(shí)，間歇20～30分鐘，第二次出現(xiàn)高壓無(wú)法壓入后，間歇20～30分鐘，再次高壓泵送入倉(cāng)澆筑，最后高壓泵送入倉(cāng)澆筑到無(wú)法壓入止，同時(shí)通過(guò)預(yù)留觀測(cè)孔觀測(cè)倉(cāng)內(nèi)澆筑情況和澆筑質(zhì)量，以保證混凝土澆筑飽滿?；炷翝仓骄俣炔淮笥?5m3/h。

5.5 試驗(yàn)段總結(jié)

通過(guò)兩個(gè)試驗(yàn)澆筑倉(cāng)的摸索，積累了40m長(zhǎng)的倉(cāng)段自密實(shí)混凝土澆筑的基本經(jīng)驗(yàn)。通過(guò)合理的布設(shè)泵送管路，并密切關(guān)注倉(cāng)內(nèi)混凝土的流態(tài)，適時(shí)進(jìn)行引流，同時(shí)加大混凝土供應(yīng)強(qiáng)度，確保連續(xù)進(jìn)行澆筑，完全可以確保倉(cāng)內(nèi)混凝土澆筑密實(shí)。

6 實(shí)際施工及效果

實(shí)際施工時(shí)由于泵管過(guò)長(zhǎng)和混凝土堵塞管箍等因素影響混凝土泵送管無(wú)法移動(dòng)，為此，工程采用價(jià)格較便宜的φ125無(wú)縫鋼管作為泵送管，鋼筋彎曲成U形馱住鋼管焊接在鋼架或外層鋼筋上，無(wú)縫鋼管不拔出倉(cāng)內(nèi)與混凝土埋設(shè)在一起。

采取改進(jìn)措施后，西甘池隧洞洞穿PCCP管與管后混凝土襯砌施工日均進(jìn)尺達(dá)13.3m/天，月進(jìn)尺達(dá)400m/月，在不計(jì)洞穿PCCP管工期的情況下，該方案比原襯砌計(jì)劃4.0m/天的日均進(jìn)尺提高了2倍, 且混凝土澆筑過(guò)程中未發(fā)生漂管現(xiàn)象?，F(xiàn)場(chǎng)制作的614組抗壓試塊，抗壓強(qiáng)度在31.6～52.2MPa，強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

通過(guò)對(duì)隧洞襯砌工程的全過(guò)程監(jiān)控，采用自密實(shí)混凝土可以將狹小的澆筑倉(cāng)填充密實(shí)；而且經(jīng)理論襯砌方量(包括超挖量)和實(shí)際澆筑的方量對(duì)比核算，澆筑倉(cāng)內(nèi)已回填密實(shí)。另外，施工過(guò)程中在8個(gè)洞口位置進(jìn)行了鉆芯取樣，芯樣的最小強(qiáng)度32MPa，結(jié)果表明，澆筑倉(cāng)內(nèi)和混凝土材料的密實(shí)情況均為良好，滿足設(shè)計(jì)要求。

通過(guò)埋設(shè)混凝土中的土壓力計(jì)、鋼筋收斂計(jì)、應(yīng)變計(jì)、無(wú)應(yīng)力計(jì)等共計(jì)112支儀器的檢測(cè)數(shù)據(jù)表明，隧洞襯砌受力情況穩(wěn)定，工程運(yùn)行情況良好。

7 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

通過(guò)實(shí)際施工的不斷摸索，對(duì)自密實(shí)混凝土在水工隧洞襯砌中的應(yīng)用總結(jié)經(jīng)驗(yàn)如下：

a.泵管下料口盡量靠近順壓送方向的堵頭模板，應(yīng)不超過(guò)3m。

b.模板支撐采用“內(nèi)拉法”，外部支撐為輔，在確保模板加固牢固的前提下，盡量減少外部支撐，便于盡快拆除，盡快進(jìn)入管道安裝工序?；炷翝仓谀０逯Я?m高后進(jìn)行，邊澆筑邊進(jìn)行腰線以上模板的加固、支撐；減少堵頭模板支撐占用的直線工期。

c.加強(qiáng)對(duì)自密實(shí)混凝土的坍落擴(kuò)展度、T50、V形漏斗三項(xiàng)指標(biāo)的檢測(cè)，嚴(yán)格控制襯砌材料的入倉(cāng)質(zhì)量，以確保澆筑質(zhì)量。

d.確?；炷凉?yīng)強(qiáng)度，澆筑應(yīng)連續(xù)進(jìn)行，防止堵管。澆筑至頂部時(shí)，可適當(dāng)加快速度，確?；炷猎诙词翼敳刻畛涿軐?shí)。

e.當(dāng)泵管長(zhǎng)度超過(guò)300m時(shí)，為防止堵管，采取雙泵接力替代單臺(tái)混凝土泵送，消除單泵不利因素。

f.在PCCP管加固中，除采用工字鋼頂撐外，每根管子加設(shè)3道φ25的向下對(duì)拉管箍鋼筋的加強(qiáng)措施，對(duì)防止漂管效果明顯。