全圓式針梁襯砌臺(tái)車底拱混凝土氣泡產(chǎn)生的原因及措施

黃小紅

全圓式針梁襯砌臺(tái)車襯砌圓形隧洞時(shí)，洞襯腰線以下兩側(cè)及底拱混凝土表面均出現(xiàn)不同程度及較大面積氣泡水紋等質(zhì)量問(wèn)題，通過(guò)對(duì)全圓針梁臺(tái)車結(jié)構(gòu)優(yōu)化、全圓針梁臺(tái)車底拱增設(shè)窗口、優(yōu)化混凝土配合比等來(lái)解決襯砌帶來(lái)的質(zhì)量問(wèn)題。

一、工程概況

吉林敦化抽水蓄能電站位于敦化市北部，電站樞紐建筑物由上水庫(kù)、下水庫(kù)、輸水系統(tǒng)、地下廠房、開(kāi)關(guān)站等部分組成。引水系統(tǒng)由引水隧洞、調(diào)壓井和高壓管道等結(jié)構(gòu)組成，共設(shè)計(jì)引水隧洞2條，開(kāi)挖斷面均為圓形。依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙《引水隧洞體型圖》(BJ185S-H4-4-3-1～2)及《引水隧洞鋼筋圖》(BJ185S-H4-4-4-1～2)圖示，采用鋼筋混凝土襯砌，典型分倉(cāng)為12m一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元，洞室襯砌后直徑6.2m，厚度0.6m，襯砌總長(zhǎng)度1562.03m。

二、存在的問(wèn)題

全圓模板澆筑，底拱部位氣泡成為混凝土澆筑質(zhì)量通病，難以徹底消除，影響混凝土質(zhì)量外觀評(píng)定，是針梁臺(tái)車澆筑的質(zhì)量控制難題，長(zhǎng)期困擾，難以解決。

三、產(chǎn)生的原因及措施

1.全圓模板底拱氣泡產(chǎn)生的原因剖析及措施

氣泡產(chǎn)生原因剖析：由于整體臺(tái)車泵送混凝土坍落度大，同時(shí)整體式臺(tái)車模板襯砌振搗困難，給泵送混凝土施工的外觀質(zhì)量造成一定的影響，這些質(zhì)量缺陷表現(xiàn)是：洞襯腰線以下兩側(cè)及底拱混凝土表面均出現(xiàn)不同程度的、較大面積氣泡和水紋、粉面等缺陷，且很難消除。氣泡產(chǎn)生的原因表面上看兩方面：①在圓形洞室底拱澆筑過(guò)程中，隨著混凝土的上升并接近底部模板,由振搗產(chǎn)生的氣泡及混凝土表面的空氣，因浮力作用和表面張力作用很容易被封閉在混凝土面與模板之間，澆筑完成后在混凝土表面形成氣泡。全圓式針梁臺(tái)車襯砌，底拱呈現(xiàn)倒模狀態(tài)，尤其是圓心角90°范圍內(nèi)，出現(xiàn)頻率較多，面積較大。②由于混凝土拌和物的和易性不理想，泌水率大，在澆筑振搗過(guò)程中，泌水附著在模板表面形成氣泡、水紋等。

全圓針梁臺(tái)車在施工過(guò)程中，主要原因是臺(tái)車的剛度和抗浮抗振能力，因?yàn)槿绻_(tái)車的剛度不好或者臺(tái)車的固有頻率與插入式振動(dòng)器的振動(dòng)頻率相同（形成共振）或者抗浮機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)有問(wèn)題、有缺陷，臺(tái)車的振動(dòng)幅度就大，模板面與混凝土面就有一個(gè)接觸→脫離→接觸→再脫離的循環(huán)過(guò)程，剛澆筑的混凝土流動(dòng)性較好，模板面與混凝土面接觸時(shí)中間不會(huì)或很少有氣體，脫離時(shí)，氣體就會(huì)進(jìn)入模板面與混凝土面中間，同時(shí)混凝土的流動(dòng)和回填間隙通常是微觀不均勻的，當(dāng)模板面與混凝土面再次接觸時(shí)，就會(huì)將一部分氣體憋在間隙中不能排出，隨著混凝土的凝結(jié)，其流動(dòng)性越來(lái)越低，模板面與混凝土面在不斷的接觸與脫離的循環(huán)過(guò)程中，就不斷的有氣體夾在模板面與混凝土面間形成氣泡和麻面等施工缺陷。

2.混凝土氣泡消除措施

（1）臺(tái)車結(jié)構(gòu)優(yōu)化。針梁臺(tái)車按照針梁與模板相對(duì)位置不同分為中置式和上置式，相對(duì)應(yīng)模板開(kāi)口部位為頂拱和底拱，中置式臺(tái)車重心較低，適合多種縱坡坡度的行走，是傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式。隨著技術(shù)革新，在坡比小于10%的縱坡條件下，施工單位更多采用上置式臺(tái)車，上置式臺(tái)車模板支撐結(jié)構(gòu)的底部空間較大，人員穿行方便，經(jīng)過(guò)改造最大的優(yōu)勢(shì)為混凝土澆筑至頂部，底拱混凝土已初凝，底弧模板可以打開(kāi)進(jìn)行人工二次抹面壓光，從此消除大部分混凝土表面氣泡、水紋、錯(cuò)臺(tái)等外觀缺陷。底拱模板打開(kāi)時(shí)間須根據(jù)混凝土入倉(cāng)速度、初凝時(shí)間、環(huán)境溫度等試驗(yàn)確定，太早容易發(fā)生混凝土塌落事故，太晚則混凝土已上強(qiáng)度，實(shí)施二次壓光難度較大。同時(shí)上置式臺(tái)車對(duì)針梁結(jié)構(gòu)抗扭力學(xué)性能要求高于中置式，在穩(wěn)定性理論計(jì)算、大梁型鋼材質(zhì)和結(jié)構(gòu)件連接需要嚴(yán)加控制。相鄰標(biāo)段尾水隧洞襯砌采用了上置式臺(tái)車，實(shí)現(xiàn)了底拱開(kāi)啟抹面壓光，處理后混凝土面層平整、光潔。

（2）底拱增設(shè)窗口。臺(tái)車模體一般由1.5m～2.0m單元模塊組成，設(shè)計(jì)每塊側(cè)模板開(kāi)設(shè)一對(duì)窗口，上下、左右錯(cuò)開(kāi)，梅花形布置，主要用于混凝土低位入倉(cāng)和振搗觀察。為促進(jìn)底拱空氣和泌水排出，在底拱模塊增設(shè)一組窗口，每塊一個(gè)，交錯(cuò)布置，混凝土澆筑時(shí)通過(guò)底拱窗口插入振搗棒進(jìn)行強(qiáng)振，盡可能提漿，致使氣泡快速逸出。我部臺(tái)車為中置式，增設(shè)窗口后，混凝土外觀氣泡有很大改觀，窗口范圍周邊較為理想，但窗口間遠(yuǎn)振搗棒范圍仍然存在密集氣泡區(qū)。

表1 C25F100W6配合比調(diào)整前后對(duì)比

（3）優(yōu)化振搗模式?；炷翝仓陂g，一般采用振搗棒進(jìn)行強(qiáng)振，然后通過(guò)附著式振動(dòng)器進(jìn)行輔助振搗，其中目的之一是促使混凝土與模板之間的氣泡和泌水上升，浮出混凝土面，形成光滑的混凝土面。附著式振搗器在針梁臺(tái)車設(shè)計(jì)制作時(shí)已經(jīng)配備，分布于模板背側(cè)，梅花形布置，功率一般為2.0～3.5kW，各自獨(dú)立和串聯(lián)，分區(qū)分部位振動(dòng)，在洞室襯砌腰線以上部位，效果明顯。經(jīng)分析和試驗(yàn)，腰線以下部位輔助振搗更為關(guān)鍵，常規(guī)振動(dòng)器一般為點(diǎn)動(dòng)式，即開(kāi)即動(dòng)，關(guān)機(jī)即停，研究考慮采用變頻裝置，改進(jìn)振動(dòng)模式，通過(guò)變頻控制，對(duì)振動(dòng)頻率和振幅進(jìn)行調(diào)控，由低頻率小振幅匯集混凝土孔隙間的小氣泡和泌水，逐步形成較大氣泡，然后變頻變幅，將氣泡擠出混凝土與模板間隙，如此往復(fù)。我部在原有附著式振動(dòng)器上加置了電動(dòng)變頻器，與增加底拱窗口措施共同收到很好效果。

（4）優(yōu)化抗浮裝置。由于是一次性澆筑，當(dāng)澆筑速度過(guò)快時(shí)，鋼模將受到混凝土產(chǎn)生的浮力，為防止?jié)仓r(shí)臺(tái)車上浮，提高混凝土澆筑和振搗時(shí)的支撐剛度，在臺(tái)車上安裝設(shè)有抗浮機(jī)構(gòu)，抗浮裝置為鋼模兩端的四個(gè)抗浮千斤頂，制約上浮力的作用，在前后抗浮架上安裝四個(gè)側(cè)向千斤頂，使針梁和鋼模不產(chǎn)生側(cè)向位移?？垢C(jī)構(gòu)主要安裝在頂模和側(cè)模腰線以上的模板大背楞前后端、前后外框架外端，主要用于承受澆筑混凝土?xí)r產(chǎn)生的上浮力和混凝土振搗時(shí)的激振力，確保模板與混凝土的緊密接觸，避免氣泡和麻面等質(zhì)量缺陷。前抗浮機(jī)構(gòu)支在待襯拱頂和腰線以上巖石上，后抗浮機(jī)構(gòu)及接茬模板支在已襯拱頂上。

臺(tái)車澆筑有效長(zhǎng)度12m，鋼結(jié)構(gòu)大梁在自重和模板作用下產(chǎn)生向下?lián)隙?，在合同?nèi)入倉(cāng)泵送管推動(dòng)和振動(dòng)器共振下，臺(tái)車中部仍然產(chǎn)生較大幅度的抬動(dòng)，為此，我部在頂部入料口臨近的觀察窗口設(shè)置了三組臨時(shí)支撐，采用鋼管和配套頂托，將模板中部分三個(gè)部位依次加固，當(dāng)混凝土澆筑至腰線部位以上，用扳手松開(kāi)絲扣，取出支撐，這樣減少了模板和混凝土面來(lái)回分離和結(jié)合間隙，抑制了氣泡產(chǎn)生。

（5）優(yōu)化混凝土配合比。引水隧洞采用C25F100W6混凝土襯砌，設(shè)計(jì)塌落度160±20mm，二級(jí)配。澆筑過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，為便于施工，混凝土塌落度一般按照上限控制，拌合物流動(dòng)性較好后，保水性出現(xiàn)負(fù)面效應(yīng)，入倉(cāng)后泌水較多，振搗完后表面水漿富集，水膠比偏大，外加劑計(jì)量秤分度值偏大，對(duì)于引氣劑較小摻量控制誤差偏大。項(xiàng)目部邀請(qǐng)第三方試驗(yàn)室對(duì)原配合比進(jìn)行復(fù)核，結(jié)論為原配合比設(shè)計(jì)時(shí)，出于成本考慮，能夠保證混凝土基本指標(biāo)，但工作性能較差，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)骨料級(jí)配情況，調(diào)整難度較大，實(shí)施過(guò)程也不易掌握。隨之在原配比基礎(chǔ)上予以優(yōu)化，見(jiàn)表1。

粉煤灰顆粒呈多孔型蜂窩狀組織，比表面積較大，具有較高的吸附活性，顆粒的粒徑范圍為0.5～300μm。并且珠壁具有多孔結(jié)構(gòu)，孔隙率高達(dá)50%～80%，有很強(qiáng)的吸水性。保證混凝土強(qiáng)度條件下，在規(guī)范允許范圍內(nèi)調(diào)整膠凝材料的比例，是可行的。由于外加劑摻量較少，更換分度值較小的計(jì)量設(shè)備，精準(zhǔn)控制每盤拌合物投料，保證了配料的穩(wěn)定性。在配合比調(diào)整后，我部根據(jù)倉(cāng)面澆筑不同部位，進(jìn)行塌落度微調(diào)，洞室底拱90～120°范圍，塌落度按照下限控制，結(jié)合臺(tái)車系列優(yōu)化改造，加強(qiáng)振搗效率，大大減少了氣泡產(chǎn)生部位和面積，為后期外觀評(píng)定與處理帶來(lái)優(yōu)勢(shì)。

四、取得的主要研究成果

在減少圓形洞室襯砌底拱產(chǎn)生氣泡、水紋等質(zhì)量通病方面，采用對(duì)比不同結(jié)構(gòu)臺(tái)車、底拱增設(shè)窗口、優(yōu)化振搗模式、補(bǔ)充抗浮裝置，優(yōu)化混凝土配合比等系列措施，提高了混凝土外觀質(zhì)量，減少了后期處理費(fèi)用和時(shí)間。

五、結(jié)語(yǔ)

隧洞洞襯技術(shù)，相對(duì)較為成熟，細(xì)節(jié)管控才能從安全、質(zhì)量和進(jìn)度管控上進(jìn)一步完善。通過(guò)本項(xiàng)目研究，在混凝土質(zhì)量通病預(yù)防管控方面取得良好效果，文中所述的方案和措施是可行的，具備推廣和借鑒意義。