鋼殼沉管自密實(shí)混凝土性能指標(biāo)工藝試驗(yàn)研究*

何 濤，陳偉樂(lè)，吳旭東，彭英俊，夏豐勇，劉 春，劉 輝，吳琪鋒

(1.保利長(zhǎng)大工程有限公司，廣東 廣州 510620； 2.深中通道管理中心，廣東 中山 528400)

0 引言

鋼殼-混凝土沉管結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是一種具有競(jìng)爭(zhēng)力的沉管隧道結(jié)構(gòu)形式[1]。深中通道海底隧道工程沉管全長(zhǎng)5.035km，由32節(jié)鋼殼澆筑自密實(shí)混凝土預(yù)制組成，其中標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)長(zhǎng)165m，曲線(xiàn)變寬管節(jié)長(zhǎng)123.8m，沉管隧道采用兩孔一管廊橫斷面，兩側(cè)為行車(chē)道孔，中間為綜合管廊，管廊內(nèi)分3層：上層為專(zhuān)用排煙通道；中層為安全橫通道，建筑限界高2.1m；下層為電纜溝和海底泵房。隧道中隔墻上每隔一定間距設(shè)置1處橫向安全門(mén)，連通兩行車(chē)孔及安全橫通道。管節(jié)橫斷面如圖1所示。

圖1 鋼殼沉管管節(jié)橫斷面(單位：cm)

深中通道鋼殼沉管主體結(jié)構(gòu)形式新穎，國(guó)內(nèi)首次采用矩形雙層鋼殼內(nèi)部填充混凝土的“三明治”結(jié)構(gòu)形式，是世界首例雙向八車(chē)道高速公路沉管隧道，其設(shè)計(jì)理論、新設(shè)備、施工工藝、質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)等在國(guó)內(nèi)無(wú)成熟的經(jīng)驗(yàn)或可直接參照使用的規(guī)范，需借鑒國(guó)內(nèi)外已有建設(shè)成果和經(jīng)驗(yàn)再創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。

1 施工重難點(diǎn)分析

沉管隧道采用鋼殼-混凝土組合結(jié)構(gòu)，鋼殼構(gòu)造主要有內(nèi)外面板、橫縱隔板、橫縱加勁肋及焊釘組成。內(nèi)外面板和橫縱隔板連接成受力整體，形成混凝土澆筑獨(dú)立隔倉(cāng)；縱向加勁肋采用T 型鋼及角鋼，與焊釘共同保證面板與混凝土的有效連接，與橫向扁肋共同作用增強(qiáng)面板剛度，隔倉(cāng)上預(yù)留澆筑孔和排氣孔，混凝土澆筑完成后進(jìn)行焊接密封。

單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)隔倉(cāng)數(shù)量超過(guò)2 000個(gè)，隔倉(cāng)型號(hào)多達(dá)17種，混凝土用量約2.9萬(wàn)m3，鋼殼沉管單個(gè)隔倉(cāng)澆筑如圖2所示。針對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，嚴(yán)格限定鋼殼沉管自密實(shí)混凝土與鋼殼間脫空[2]。鋼殼沉管自密實(shí)混凝土不僅性能指標(biāo)要求高(見(jiàn)表1)，而且性能易受原材料指標(biāo)、施工環(huán)境溫濕度、混凝土經(jīng)時(shí)時(shí)間、澆筑設(shè)備及澆筑全過(guò)程工藝參數(shù)控制的影響，同時(shí)施工組織難度大，對(duì)鋼殼沉管自密實(shí)混凝土性能在施工全過(guò)程的控制提出了極高要求。

圖2 單個(gè)隔倉(cāng)澆筑示意

表1 鋼殼沉管自密實(shí)混凝土性能指標(biāo)要求

為保證鋼殼沉管自密實(shí)混凝土澆筑完成后與鋼殼之間的協(xié)同受力，確保工程質(zhì)量，在澆筑工藝、設(shè)備參數(shù)、運(yùn)輸路線(xiàn)及人員配置等明確后，需針對(duì)鋼殼沉管自密實(shí)混凝土性能指標(biāo)進(jìn)行如下工藝試驗(yàn)驗(yàn)證：配合比設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制備、運(yùn)輸路線(xiàn)、澆筑設(shè)備及工藝參數(shù)。

鋼殼沉管自密實(shí)混凝土性能指標(biāo)工藝試驗(yàn)驗(yàn)證總體流程如圖3所示。

圖3 工藝試驗(yàn)流程

2 工藝試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 配合比

針對(duì)表1鋼殼沉管自密實(shí)混凝土性能指標(biāo)要求，水泥選取P·II42.5 硅酸鹽水泥；粉煤灰選取F類(lèi)I級(jí)；?；郀t礦渣粉選取S95級(jí)；粗骨料選取5～10mm 與10～20mm碎石兩種單粒徑合成5～20mm連續(xù)級(jí)配碎石；細(xì)集料選取天然河砂，滿(mǎn)足II區(qū)中砂；外加劑為某廠(chǎng)家鋼殼沉管自密實(shí)混凝土專(zhuān)用外加劑；水為生活自來(lái)水。

鋼殼沉管自密實(shí)混凝土膠凝材料用量宜≤550kg/m3，水泥用量宜不超過(guò)膠凝材料總量60%，水膠比宜≤0.34，砂率宜≤55%。通過(guò)大量室內(nèi)試驗(yàn)研究，采用的配合比如表2所示。

表2 混凝土配合比 kg·m-3

2.2 生產(chǎn)制備及運(yùn)輸路線(xiàn)

鋼殼沉管自密實(shí)混凝土性能影響因素多，采用大摻量礦物摻合料，保證新拌混凝土勻質(zhì)性是保障鋼殼沉管自密實(shí)混凝土性能穩(wěn)定的一個(gè)重要前提[3]。攪拌設(shè)備對(duì)于混凝土均質(zhì)性影響較大，相比于立軸行星式攪拌機(jī)與臥軸式攪拌機(jī)，立軸行星式攪拌機(jī)攪拌葉片既能進(jìn)行公轉(zhuǎn)又能進(jìn)行自轉(zhuǎn)，攪拌葉片運(yùn)動(dòng)速度和方向也時(shí)刻變化，攪拌剪切路線(xiàn)相互補(bǔ)充，大大減少攪拌盲區(qū)，明顯提高攪拌效能，在相同攪拌時(shí)間條件下，能使混凝土攪拌更充分、均勻[3-4]。因此，生產(chǎn)設(shè)備采用更利于自密實(shí)混凝土攪拌的立軸行星式攪拌機(jī)。

由于實(shí)際生產(chǎn)在某大型船廠(chǎng)塢內(nèi)，與船廠(chǎng)日常生產(chǎn)交叉，會(huì)對(duì)混凝土攪拌車(chē)的行進(jìn)路線(xiàn)造成干擾甚至堵塞，按鋼殼沉管自密實(shí)混凝土施工要求，混凝土自生產(chǎn)至澆筑完成不可超過(guò)90min，因此，混凝土生產(chǎn)運(yùn)輸至澆筑完成的時(shí)間效應(yīng)應(yīng)滿(mǎn)足要求。

2.3 澆筑工藝試驗(yàn)

在兩種不同澆筑設(shè)備中澆筑小隔倉(cāng)過(guò)程中，為進(jìn)一步觀察鋼殼沉管自密實(shí)混凝土在鋼殼沉管小隔倉(cāng)內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)、接觸鋼殼頂面直至排氣孔出漿狀態(tài)及在非傳統(tǒng)振動(dòng)動(dòng)力條件下自密實(shí)效果，工藝試驗(yàn)小隔倉(cāng)采用側(cè)面部分透明亞克力板+鋼板，頂面全部采用透明亞克力板。

鋼殼沉管單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)隔倉(cāng)設(shè)計(jì)尺寸為3.5m×3m×1.5m，工藝試驗(yàn)澆筑單個(gè)隔倉(cāng)模型尺寸為3.5m×3m×0.92m，中央設(shè)置1個(gè)高0.050mφ0.273m澆筑孔，周邊邊角設(shè)置10個(gè)高50mmφ89mm排氣孔。澆筑孔外套管為長(zhǎng)1m普通PE管，排氣孔外套管為長(zhǎng)0.5m透明亞克力管，并在亞克力管上粘貼統(tǒng)一刻度尺(量程)。不同澆筑工藝均需具備下料速度智能可調(diào)功能，即滿(mǎn)足隔倉(cāng)下層0.72m厚混凝土按≤30m3/h速度澆筑，剩余上層0.20m厚混凝土按≤15m3/h速度澆筑。

2.3.1底板澆筑臺(tái)車(chē)工藝試驗(yàn)結(jié)果及分析

底板采用智能澆筑臺(tái)車(chē)澆筑工藝，即先通過(guò)一種防離析導(dǎo)管將混凝土從運(yùn)輸車(chē)中卸入臺(tái)車(chē)料斗中，然后通過(guò)與臺(tái)車(chē)料斗相連接的管道(管道具備放料速度可調(diào)功能)進(jìn)行混凝土澆筑。整個(gè)澆筑過(guò)程中，鋼殼沉管自密實(shí)混凝土性能指標(biāo)如表3所示，卸料過(guò)程、中轉(zhuǎn)過(guò)程及排氣孔液面上升高度均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求(見(jiàn)表1)。通過(guò)臺(tái)車(chē)澆筑工藝試驗(yàn)不僅驗(yàn)證了鋼殼沉管自密實(shí)混凝土在特定設(shè)備、澆筑工藝下性能的可靠性，同時(shí)澆筑速度的可控性也得到驗(yàn)證。

表3 臺(tái)車(chē)澆筑工藝自密實(shí)混凝土性能測(cè)試值

針對(duì)時(shí)間經(jīng)時(shí)關(guān)系，外加劑對(duì)鋼殼沉管自密實(shí)混凝土調(diào)控技術(shù)非常關(guān)鍵，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在膠凝材料、粗骨料、細(xì)骨料選定前提下，需通過(guò)大量試驗(yàn)合理選取外加劑，其中緩釋型聚羧酸外加劑的合理運(yùn)用非常關(guān)鍵[5-6]，一方面可合理避免溫度對(duì)混凝土工作性能損失的影響，另一方面可解決運(yùn)輸消耗時(shí)間對(duì)混凝土工作性能損失的影響，更進(jìn)一步地可解決設(shè)備、人員組織的應(yīng)急等待時(shí)間對(duì)混凝土工作性能損失的影響。利用緩釋型外加劑調(diào)控技術(shù)時(shí)，需結(jié)合混凝土攪拌時(shí)間、攪拌設(shè)備類(lèi)型的快速分散效果，即攪拌勻質(zhì)性及攪拌分散效率也至關(guān)重要，前期攪拌不均勻造成智能臺(tái)車(chē)澆筑工藝過(guò)程中外加劑分散不均勻，會(huì)造成后期緩釋型外加劑“反增”效果不可控，甚至易造成“過(guò)摻”現(xiàn)象，引起離析、泌水現(xiàn)象[7]。由于鋼殼沉管自密實(shí)混凝土在智能臺(tái)車(chē)澆筑過(guò)程中存在料斗中轉(zhuǎn)過(guò)程，生產(chǎn)攪拌均勻?qū)炷恋膭蛸|(zhì)性至關(guān)重要。因此，采用立軸行星式攪拌機(jī)與緩釋型聚羧酸外加劑協(xié)同調(diào)控措施。

智能臺(tái)車(chē)澆筑過(guò)程中混凝土漿面狀態(tài)如圖4所示。由圖4可知，澆筑過(guò)程中混凝土漿面上升高度基本保持等高，證明鋼殼沉管自密實(shí)混凝土工作性能得到保證。排氣孔混凝土漿面上升高度如圖5所示。由圖5可知，排氣孔漿面高度在滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求前提下，單個(gè)隔倉(cāng)排氣孔液面高度基本相當(dāng)，說(shuō)明在相同澆筑沖力及壓頭條件下，各排氣孔液面同步上升，可見(jiàn)鋼殼沉管自密實(shí)混凝土勻質(zhì)性得到保證，并且排氣孔漿面骨料清晰可見(jiàn)并分布均勻。

圖4 智能臺(tái)車(chē)澆筑過(guò)程中混凝土漿面狀態(tài)

圖5 排氣孔混凝土漿面上升高度

2.3.2頂板布料機(jī)泵送工藝試驗(yàn)結(jié)果及分析

頂板采用拖泵+布料機(jī)澆筑工藝，通過(guò)布料機(jī)管道口灌入隔倉(cāng)內(nèi)地泵，混凝土性能測(cè)試值如表4所示。由表4可知，各項(xiàng)指標(biāo)均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求(見(jiàn)表1)。

表4 拖泵+布料機(jī)澆筑工藝自密實(shí)混凝土性能測(cè)試值

與智能臺(tái)車(chē)澆筑工藝不同，頂板采用拖泵+布料機(jī)澆筑方式，過(guò)程中無(wú)料斗中轉(zhuǎn)，但涉及鋼殼沉管自密實(shí)混凝土泵送，泵送混凝土衍生出的泵損是不可回避的重要問(wèn)題[8-12]。為解決這一問(wèn)題，在保證原材料合格前提下，一方面生產(chǎn)過(guò)程需嚴(yán)格控制生產(chǎn)工藝；另一方面利用聚羧酸減水劑分子結(jié)構(gòu)和針對(duì)性功能可設(shè)計(jì)性[11-12]，進(jìn)一步利用其不同功能相互協(xié)調(diào)補(bǔ)充，針對(duì)原材料在合格范圍內(nèi)波動(dòng)、不同季節(jié)環(huán)境溫度、不同泵管長(zhǎng)度及泵機(jī)流量等，解決現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中遇到的不同問(wèn)題。

[9] 高嵐，顧芹.混凝土拌合物工作性能在泵送過(guò)程中變化的原因分析及解決方案[J].商品混凝土，2019(12)：4-6.

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[11] 繆昌文，冉千平，洪錦祥，等.聚羧酸系高性能減水劑的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].中國(guó)材料進(jìn)展，2009，28(11)：36-45，53.

[12] 王衍偉,冉千平,劉加平.赫巴流體在圓管內(nèi)層流流動(dòng)理論及混凝土泵送應(yīng)用實(shí)例[J].混凝土與水泥制品,2018(1):22-26.

經(jīng)過(guò)泵送工藝后，小隔倉(cāng)內(nèi)混凝土液面上升平穩(wěn)，趨于自流平，在上升過(guò)程中骨料分布均勻并清晰可見(jiàn)，未發(fā)生骨料下沉、分層離析現(xiàn)象。澆筑完成時(shí)，排氣孔液面上升高度均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，并且排氣孔排出的混凝土液面骨料同樣清晰可見(jiàn)，未發(fā)生離析現(xiàn)象，可見(jiàn)鋼殼沉管自密實(shí)混凝土在拖泵+布料機(jī)整個(gè)澆筑過(guò)程中，性能指標(biāo)合格，勻質(zhì)性也較好。因此，根據(jù)規(guī)定的澆筑速度及其他工藝參數(shù)耦合條件能與鋼殼沉管自密實(shí)混凝土性能協(xié)調(diào)控制澆筑質(zhì)量。

為進(jìn)一步驗(yàn)證鋼殼沉管自密實(shí)混凝土澆筑過(guò)程的質(zhì)量控制及澆筑完成后小隔倉(cāng)內(nèi)硬化漿體強(qiáng)度是否合格，利用澆筑過(guò)程入倉(cāng)前成型抗壓試塊進(jìn)行28d齡期抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果如圖6所示，試驗(yàn)結(jié)果表明鋼殼沉管自密實(shí)混凝土強(qiáng)度均滿(mǎn)足C50設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)要求，且芯樣密實(shí)，骨料分布均勻，和易性、勻質(zhì)性控制均較好。

圖6 28d齡期混凝土抗壓強(qiáng)度

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)實(shí)際工況工藝試驗(yàn)，驗(yàn)證了配合比、生產(chǎn)運(yùn)輸、澆筑工藝的可行性。在設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常、澆筑工藝及相關(guān)工藝參數(shù)控制穩(wěn)定前提下，鋼殼沉管自密實(shí)混凝土性能指標(biāo)是否合格是整個(gè)施工質(zhì)量最為關(guān)鍵的控制點(diǎn)，質(zhì)量控制的工作重心為尋求實(shí)際工況條件下各種影響因素耦合情況，保證在整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)體系下，系統(tǒng)性設(shè)計(jì)、生產(chǎn)解決鋼殼沉管自密實(shí)混凝土性能指標(biāo)的匹配性穩(wěn)定。