自密實混凝土在隧洞襯砌施工中的應(yīng)用

程木輝 王益杰 陳贛新

摘要：某水電站引水隧洞下平洞結(jié)構(gòu)受損嚴(yán)重，按結(jié)構(gòu)加固處理要求，在原有混凝土襯砌外增設(shè)壓力鋼管，鋼管與原襯砌之間填充混凝土。本工程采用自密實混凝土進(jìn)行洞內(nèi)襯砌填充，成功地解決了普通混凝土在澆筑時無法解決的襯砌厚度小、工作面狹小、流動性差及振搗困難等難題，可為類似狹小空間襯砌施工提供參考借鑒。

Abstract： The structure of the flat tunnel under the diversion tunnel of a hydropower station was seriously damaged. According to the requirements of structural reinforcement treatment， penstocks were added to the original concrete lining， and concrete was filled between the steel pipe and the original lining. This project uses self-compacting concrete to fill the lining of the cave， successfully solving the problems of narrow working face， small lining thickness， low fluidity and difficulty in vibrating that cannot be solved by ordinary concrete pouring， which can provide a reference for lining construction in similar narrow spaces.

關(guān)鍵詞：自密實混凝土;配合比;模擬試驗;隧洞襯砌;質(zhì)量檢驗

Key words： self-compacting concrete;mix ratio;simulation test;tunnel lining;quality inspection

中圖分類號：TV554? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）27-0134-03

1? 工程概況

某水電站電站總裝機(jī)容量為2×20MW，樞紐主要建筑物有碾壓混凝土雙曲拱壩，發(fā)電引水洞，電站廠房，GIS樓等。引水隧洞下平洞全長533m，開挖洞徑為4.80m，隧洞出口部位設(shè)置40.35m長的壓力鋼管段，其他為鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)，襯砌0.8m厚的鋼筋混凝土，襯砌后隧洞直徑為3.20m。

引水隧洞下平洞在高壓水頭通水試驗時發(fā)生較嚴(yán)重的破損現(xiàn)象，存在靠近出口段混凝土襯砌結(jié)構(gòu)破損、灌漿孔滲漏等缺陷。根據(jù)加固設(shè)計方案，僅將破損混凝土襯砌拆除重建，壓力鋼管鋼襯延長至400m，鋼襯厚度為25mm，壓力鋼管鋼內(nèi)徑2.4m，混凝土襯砌厚度400mm，壓力鋼管鋼進(jìn)口部分外部混凝土設(shè)置Φ28@150三級鋼筋，頂部進(jìn)行回填灌漿。鋼襯與周圍原襯砌砼之間空間不足40cm，若采用普通混凝土無法解決振搗密實的問題且流動性小，經(jīng)過專家咨詢，中國工程院院士馬洪琪推薦采用高流動性不需要振搗的C30自密實混凝土襯砌。（圖1）

2? 自密實混凝土襯砌施工

2.1 自密實混凝土簡介

自密實混凝土（Self-Compacting Concrete，簡稱SCC）屬于高性能混凝土中的一種，它具有很強(qiáng)的流動性而不離析離散，不泌水，能依靠混凝土的自重填充模板內(nèi)空間，且對于較為密集的鋼筋或型式復(fù)雜的結(jié)構(gòu)均具有很好的填充性，能在不經(jīng)振搗或稍作插搗的情況下，形成較為密實的混凝土結(jié)構(gòu)，并具有良好的力學(xué)性能和耐久性能。

自密實混凝土適用于多種混凝土結(jié)構(gòu)和復(fù)雜施工條件，被業(yè)界普遍認(rèn)為是混凝土將來發(fā)展的必然趨勢之一。但就國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀來講，自密實混凝土技術(shù)并不成熟、應(yīng)用也不算廣泛。其受到限制使用的主要原因有：一是新拌混凝土的工作性較為敏感，會受原材料質(zhì)量、配料準(zhǔn)確性等因素波動的影響而變化幅度大;二是目前沒有一個統(tǒng)一、被普遍認(rèn)可的配合比設(shè)計方法，適配時間較長;三是自密實混凝土的配合比較普通混凝土膠凝材料用量多、砂率大，其各項性能與普通混凝土存在較為明顯的差別。以上幾個方面原因造成了自密實混凝土仍然被當(dāng)作一種特殊混凝土而被謹(jǐn)慎使用，大量推廣應(yīng)用較為困難。[4]

2.2 配合比確定

作為非常規(guī)混凝土，為提高自密實混凝和易性，便于混凝土入倉順利，在混凝土拌制過程中需摻入一定量的粉煤灰。砂子采用電站廠房下游田家料場生產(chǎn)的人工砂，石子采用碎石系統(tǒng)生產(chǎn)的5-10mm瓜米石，外加劑則采用北京華石納固科技有限公司提供的專用活性外加劑。因自密實混凝土性能同原材料性能有密切聯(lián)系，尤其是原材料中粉煤灰數(shù)量及砂子細(xì)度模數(shù)的變化，應(yīng)根據(jù)原材料實際使用量情況進(jìn)行配比試驗，并根據(jù)砂石料性能變化對配合比進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

本工程委托清華大學(xué)水利水電工程試驗中心進(jìn)行C25自密實混凝土的配合比試驗試配，配合比見表1。配合比試驗委托第三方檢測單位進(jìn)行抗壓強(qiáng)度檢測，三天抗壓強(qiáng)度為21.6MPa，七天抗壓強(qiáng)度為26.7MPa，推算28天強(qiáng)度為31.6MPa，滿足設(shè)計及規(guī)范要求[1]。

2.3 混凝土生產(chǎn)

本工程攪拌站設(shè)置在下平洞施工支洞出口附近，現(xiàn)場進(jìn)行平整后安裝2臺JS500型強(qiáng)制式攪拌機(jī)，單盤最大攪拌量為0.35m3，能滿足自密實混凝土澆筑高峰需求。為確保自密實混凝土的均勻性，對混凝土攪拌方法進(jìn)行了嚴(yán)格要求：首先將砂石骨料及膠凝材料放入攪拌機(jī)內(nèi)，先干拌60秒左右，再加入適量專用外加劑和水進(jìn)行攪拌。攪拌混凝土用粉煤灰以整袋重量折算出每盤混凝土攪拌量，砂和瓜米石計量均采用PLD1200型電子配料機(jī)稱重配料，水泥采用電子稱量的方法添加，專用外加劑為液體狀，從攪拌機(jī)口有專人控制加入，拌和用水量由計量泵控制，攪拌時間按照每盤120秒控制。在攪拌機(jī)出口檢測坍落度和擴(kuò)展度，每4小時對混凝土工作性能進(jìn)行檢測，確保拌合物性能良好?；炷翝仓^程中嚴(yán)禁加水，必要時可人工加高效減水劑。[3]

2.4 工藝模擬試驗

因自密實混凝土為新型混凝土，考慮下平洞C25自密實混凝土施工需要，現(xiàn)場對自密實混凝土進(jìn)行工藝模擬澆筑試驗，檢驗砼的流動性自密性。

模板施工：在攪拌站附近空地立模，模板厚度18mm，內(nèi)部寬度900mm，高度1200mm，布置成L型，長度分別為2950mm和2450mm，模板采用鋼管腳手架加固。

鋼管安裝：采用？準(zhǔn)500mm鋼管模擬洞內(nèi)壓力鋼管，并設(shè)置加勁環(huán)一道，加勁環(huán)寬8-10cm。下部焊接2根鋼筋，左右側(cè)各1根，鋼筋采用Φ22mm螺紋鋼筋，模擬型鋼支撐加固。鋼管距離模板邊20cm，模擬洞內(nèi)混凝土內(nèi)壁至鋼管間距40cm。

混凝土澆筑：混凝土采用攪拌站強(qiáng)制式拌和機(jī)攪拌，嚴(yán)格按照配合比配料。采用HBT80混凝土拖泵泵送入倉?；炷寥雮}位置設(shè)置在一端端頭上部，用模板做緩沖隔擋，使自密實混凝土從一端緩慢流向另一端?；炷敛辉试S振搗，全過程采用自流自密實。

根據(jù)澆筑過程中自密實混凝土流動性、密實情況、泌水情況等與設(shè)計配合比對比分析，并針對下平洞混凝土澆筑進(jìn)行類比推斷分析。

本工程自密實混凝土模擬試驗拆模后，混凝土充填密實，表面平整光滑，色澤均勻，無蜂窩麻面，基本無氣泡，可以驗證施工過程中的技術(shù)措施和控制手段有效。經(jīng)現(xiàn)場回彈試驗，強(qiáng)度滿足混凝土力學(xué)性能指標(biāo)要求。

2.5 模板安裝

根據(jù)自密實混凝土塌落度大、流動性強(qiáng)的參數(shù)，結(jié)合原來隧洞內(nèi)徑高度3.2m，按20m長一段對自密實混凝土進(jìn)行分倉，壓力鋼管安裝之前排好版，在每倉長度中間一節(jié)壓力鋼管頂部開好孔洞便于混凝土澆筑時安裝泵管，根據(jù)混凝土分倉排版，壓力鋼管每安裝20m長同時進(jìn)行混凝土分倉端頭模板。

端頭模板采用免拆模板網(wǎng)。模板網(wǎng)采用Φ22螺紋鋼在壓力鋼管外沿5-10cm處焊接固定，鋼筋間距0.5-0.8m。壓力鋼管周邊設(shè)封頭模板，寬40cm，采用建筑新型材料免拆模板網(wǎng)（又稱快易收口網(wǎng)）?；境叽鐬榛⌒谓Y(jié)構(gòu)，每個斷面由4塊弧形模板拼接。

因自密實混凝土的流動性較強(qiáng)，隨著自密實混凝土澆筑量及高度的增加，對模板壁產(chǎn)生的側(cè)壓力也隨之增大，同時較高的流動性也容易造成模板的偏移、跑漿、漏漿現(xiàn)象。

免拆模板安裝時，在內(nèi)側(cè)鋼筋焊接完成后，確定其牢固，再安裝模板網(wǎng)，模板網(wǎng)緊貼外側(cè)鋼筋，并用鐵絲固定牢固。沿模板網(wǎng)貼一層土工布，土工布寬度應(yīng)大于400mm。土工布鋪好后，再安裝一層模板網(wǎng)，將土工布夾緊，確保模板無縫隙。

2.6 混凝土運(yùn)輸及入倉

本工程攪拌站臨近下平洞施工支洞，自密實混凝土通過HBT80拖泵泵送入倉。

自密實混凝土水平流動性強(qiáng)，充填密實度高，固定點(diǎn)連續(xù)澆筑，水平擴(kuò)散半徑可達(dá)到近30m，且不會發(fā)生骨料分離現(xiàn)象。為便于洞內(nèi)混凝土泵送入倉，避免與鋼管安裝的交叉作業(yè)，下平洞采用在鋼管管身開孔澆筑自密實混凝土。

在壓力鋼管頂部用開孔器每隔20m左右開設(shè)置一個孔徑200mm的泵管孔洞。壓力鋼管壁厚25mm，在管節(jié)頂部中央位置開孔，孔口修成45°坡腳。在開孔位置處鋼管外側(cè)貼焊一塊400mm長寬與母材等強(qiáng)的加強(qiáng)鋼板，鋼板設(shè)置M150粗牙螺紋，四面與壓力鋼管滿焊。

混凝土泵管從預(yù)留孔部位開始連接，底部設(shè)置90度彎頭，下部用方木墊起，搭設(shè)鋼管井字架固定豎立泵管，豎向泵管選用2m長泵管。在豎立管上部接已切斜口管深入預(yù)留孔內(nèi)，在深入孔內(nèi)前，在斜口處套上邊長400mm的方形橡皮，防止混凝土漿入倉后從孔口外溢。

下平隧洞施工分三段施工，先施工支洞下游段，在下游段壓力鋼管安裝完畢并經(jīng)驗收合格之后，再統(tǒng)一進(jìn)行洞內(nèi)自密實混凝土襯砌施工，自下游向上游逐倉推進(jìn);后施工支洞上游段，在上游段壓力鋼管安裝完畢并經(jīng)驗收合格之后，進(jìn)行自密實混凝土襯砌施工，自上游向下游逐倉澆筑;最后施工支洞口段，在該段壓力鋼管湊合安裝完畢經(jīng)驗收合格后，進(jìn)行自密實混凝土襯砌施工，該段長度不長，采用一倉澆筑，且作業(yè)條件較好，混凝土泵管直接布置壓力鋼管外面隧洞頂部澆筑混凝土。混凝土澆筑時，頂部斜口應(yīng)朝向兩側(cè);注意孔口及底部方木，防止管口脫落。澆筑時壓力鋼管兩側(cè)應(yīng)均衡下料，過程中應(yīng)經(jīng)常變換澆筑方向，即改變頂部管口斜向方向。

混凝土澆筑完成后2周左右，進(jìn)行回填灌漿，之后即進(jìn)行泵管孔洞封堵施工。封堵時，先旋上加工的M150螺桿（端頭倒角25*45°），用水下焊條打底塞焊，再用J507焊條堆焊，最后作打磨磨光處理，探傷檢查質(zhì)量合格。

2.7 混凝土質(zhì)量檢驗及評定

自密實混凝土澆筑完成后，用小錘敲擊鋼管內(nèi)壁，通過沉悶聲音來判斷混凝土充填情況，經(jīng)大面積檢查，未發(fā)現(xiàn)壓力鋼管周邊有空腔現(xiàn)象。由于自密實混凝土的高流動性，使其在回填過程中發(fā)揮極強(qiáng)的填充能力，大大減少了固結(jié)灌漿的使用，同時大大減少澆筑孔數(shù)量，簡化施工過程，為加快建設(shè)進(jìn)度、縮短工期提供了強(qiáng)有力的保證。與常態(tài)混凝土進(jìn)行澆筑相比，自密實混凝土澆筑的整體優(yōu)良率達(dá)到96%，而常態(tài)混凝土優(yōu)良率僅為10%，填充效果大大優(yōu)于常態(tài)混凝土。

按照規(guī)范要求的成型頻次，下平洞自密實襯砌混凝土共取抗壓試件26組，最低組抗壓強(qiáng)度29.6MPa，平均抗壓強(qiáng)度33.2MPa，混凝土強(qiáng)度保證率大于99.9%，滿足設(shè)計及規(guī)范要求[2]。

該水電站自2015年底投產(chǎn)發(fā)電以來，運(yùn)行情況良好，未發(fā)現(xiàn)有任何質(zhì)量缺陷問題，證明壓力鋼管外側(cè)自密實混凝土襯砌施工質(zhì)量良好。

3? 結(jié)語

本工程隧洞襯砌混凝土采用自密實混凝土，無需振搗、流動距離長等優(yōu)點(diǎn)，為水工結(jié)構(gòu)混凝土新材料和新工法，成功地解決了隧洞壓力鋼管外側(cè)工作面狹小，普通混凝土澆筑振搗困難、流動性小的難題，同時減少了鋼管開孔數(shù)量，很好地減少壓力鋼管安裝與混凝土襯砌施工的交叉干擾，縮短了施工工期，創(chuàng)造了較大的經(jīng)濟(jì)效益。在施工過程中精心組織，嚴(yán)格控制各道施工工序，大大提高了施工功效，最終圓滿完成隧洞襯砌施工任務(wù)，并取得了良好效果。通過該工程施工及運(yùn)行效果驗證，可為自密實混凝土在類似工程中的應(yīng)用提供參考借鑒。

近年來，自密實混凝土在我國發(fā)展較為迅速，其應(yīng)用也從房屋建筑行業(yè)逐步擴(kuò)大到水利水電、道路橋梁及隧道等大型工程建設(shè)領(lǐng)域。自密實混凝土作為一種新型、綠色、高性能混凝土，適用于多種類型混凝土結(jié)構(gòu)和較為復(fù)雜的施工條件，其獨(dú)具特色的性能優(yōu)勢逐漸被海內(nèi)外學(xué)者所看好，被認(rèn)為是混凝土將來的必然發(fā)展趨勢之一。

參考文獻(xiàn)：

[1]CCES 02-2004，自密實混凝土設(shè)計與施工指南[S].中國土木學(xué)會，2005.

[2]JGJ/T283-2012，自密實混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程[S].住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，2012.

[3]房小波.自流平自密實混凝土在五岳水庫輸水洞加固薄壁襯砌中的應(yīng)用[J].水利規(guī)劃與設(shè)計，2013.

[4]陳春珍.自密實混凝土性能及工程應(yīng)用研究[D].北京工業(yè)大學(xué)，2010.

作者簡介：程木輝（1970-），男，江西玉山人，本科，高級工程師，中國電建集團(tuán)江西省水電工程局有限公司生態(tài)環(huán)境公司副總經(jīng)理兼總工程師、項目經(jīng)理。