國道115號線元淵隧道工程二襯混凝土質(zhì)量改進技術(shù)措施

陳昕

（廈門路橋工程投資發(fā)展有限公司，福建 廈門 361000）

1 工程概況

國道115 號線元淵隧道工程位于日本福島縣相馬市山上村元淵片區(qū)，項目總投資3,288,422,400日元（人民幣約1.7 億元）。工程內(nèi)容包括：隧道長度L=963m（NATM 鉆爆法）；端墻式洞門2 處；箱涵（PCBOX）L=56.7m；網(wǎng)格護坡489m；填方43,900m，挖方20,300m，橋臺1 處，橋墩2 處。

2 二襯混凝土品質(zhì)改善措施

二襯混凝土施工通常容易在上半部和下半部界處（springline）出現(xiàn)蜂窩麻面、冷縫，拱頂部容易因混凝土充填不足出現(xiàn)空洞、開裂，因拆模時養(yǎng)護不足產(chǎn)生表面剝落和開裂。本文主要介紹元淵隧道為防止以上缺陷所采取的技術(shù)措施及實施效果。

2.1 二襯混凝土相關(guān)技術(shù)措施

2.1.1 混凝土施工相關(guān)措施

技術(shù)提案：在臺車的拱頂部增設(shè)3 處、肩部左右兩側(cè)分別增設(shè)3 段3 處（共18 處）施工窗口（用于振搗和觀察確認）；泵送管道切換采用Elephant Nozzle 系統(tǒng)，該系統(tǒng)能通過電動和油壓動力方式將混凝土自動切換泵送到不同的澆筑部位。

追加措施：將原混凝土配比設(shè)計18-15-40BB 調(diào)整為21-18-40BB（日本混凝土標號格式為：設(shè)計強度-塌落度-水泥種類），提升混凝土強度和施工便利性。

2.1.2 混凝土振搗措施

技術(shù)提案：設(shè)置自動感知振搗棒，振搗棒感知混凝土后會自動開始振搗，振搗結(jié)束后自動上卷升高，跟隨模板內(nèi)側(cè)混凝土高度上升、自動振搗；拱頂及兩肩設(shè)置4 支抽出式振搗棒，抽出式振搗棒可在拱頂及兩肩施工窗關(guān)閉的情況下振搗上部混凝土，隨著澆筑和振搗的進行緩慢從上部抽出；將螺旋振搗棒作為輔助振搗工具，螺旋振搗棒表面具有螺旋狀凹凸紋，可以提升震動的傳遞效率，讓混凝土向上或者向下不同方向流動；設(shè)置54 處混凝土澆筑檢查口；為了準確把握混凝土澆筑的區(qū)域和高度等，項目采用靜電容量傳感監(jiān)控系統(tǒng)進行管理。系統(tǒng)通過實時檢測傳感線的靜電容量變化來準確判斷混凝土實際到達位置，利用檢測結(jié)果管理不同部位置澆筑時間間隔及時序。

2.1.3 混凝土充填的相關(guān)措施

技術(shù)提案：在二襯橫斷面方向端部設(shè)置兩處網(wǎng)格模板（可排出泌水）；在二襯頂部設(shè)置吸水管，采用內(nèi)徑為9mm 的網(wǎng)狀濾水管，可以吸出滯留在混凝土中的泌水；在臺車上部設(shè)置3 處排氣孔（兼具檢測功能）；管理混凝土充填壓力：搭接面和端頭面的臺車上部各設(shè)置2 處壓力傳感器，確保搭接面的混凝土充填壓力達到90kPa 以上，另一端頭側(cè)達到40kPa 以上，為了保證臺車承壓能力，臺車按照100kPa 壓力進行設(shè)計；在隧道頂部設(shè)置3 處充填傳感器進行充填管理，根據(jù)充填傳感器信號判定模板內(nèi)側(cè)為空氣/水分/水泥，通過彩色圖像顯示澆筑過程。

2.1.4 混凝土養(yǎng)護、拆模的相關(guān)措施

追加措施：設(shè)置臺車養(yǎng)護隔離罩，避免外部空氣對混凝土養(yǎng)護狀態(tài)產(chǎn)生影響，起到對罩內(nèi)空間保溫保濕的作用；測量臺車模板表面溫度，計算混凝土成熟度，推算混凝土強度；通過PT 型回彈儀實際測定拆模時混凝土強度，PT 型可測定1～5N/mm的短齡期的混凝土強度；對臺車鋼模板表面進行磨砂處理，提升拆模劑的附著性；在臺車設(shè)置模板自動清理帶，清理帶來回拖動自動清理鋼模表面；采用3D 噴霧風扇進行濕潤養(yǎng)護，風量最大可達到每分鐘240m，噴霧量為每分鐘1.3～11.3L。

2.1.5 其他措施

技術(shù)提案：在隧道全線進行頂部1 測線，肩部2 測線，共3 測線的雷達檢測，通過雷達波檢查混凝土背面是否有空隙。

追加措施：根據(jù)澆筑位置、充填壓力、混凝土成熟度測算混凝土強度，并在臺車設(shè)置大型顯示器，對澆筑部位進行3D 顯示并對充填壓力進行顏色顯示（見圖1）。同時，在澆筑完成后，通過測量混凝土成熟度及實時計算，推測混凝土強度。

圖1 現(xiàn)場充填顯示效果

2.2 二襯混凝土的品質(zhì)改善措施效果研究

以上措施實施效果分析如下：

2.2.1 混凝土施工相關(guān)措施效果

以往，混凝土泵送部位切換通常采用Y 型管，且需要人工切換，切換時間約需10min，該項目采用Elephant Nozzle 系統(tǒng)，將切換時間縮短為1min。通過縮短切換時間，實現(xiàn)了從更多不同泵送口澆筑作業(yè)，同時可以根據(jù)混凝土的流動情況合理切換到其他部位，出現(xiàn)堵管等意外情況也能迅速切換處理。同時，該項目將混凝土落度由15cm 變更為18cm，更好地實現(xiàn)了不同澆筑部位的平衡。通過采取以上措施，該項目實現(xiàn)了二襯施工的整體平衡化，避免了澆筑時序不當和間隔過長引起的冷縫問題。盡管泵送口的增加導致清洗和管內(nèi)存留混凝土的處理工作量增加，但總體上來說，該系統(tǒng)在大斷面隧道的二襯施工中取得了非常好的應用效果。

2.2.2 混凝土振搗措施效果

二襯下部到肩部的振搗采用左右各5 支懸掛的自動感知振搗棒，拆模后springline 附近（通常容易出現(xiàn)表面氣泡）表面氣泡少、外觀效果好。但是由于7 列檢查窗口中有2 處因為作為泵送口無法設(shè)置自動感知振搗棒，使混凝土落下時夾帶了少量空氣，相應部位初期表面氣泡較多。為改善此問題，項目部在無法設(shè)置自動感知振搗棒的檢查窗口，采用螺旋振搗棒進行人工振搗輔助。該項目將需要人工輔助的部位集中在2 處，有效提高了人工利用率，且較以往項目更好地改善了表面氣泡問題，但相較于自動感知振搗棒振搗的部位，混凝土外觀還有改進空間。

抽出式振搗棒近年來被廣泛應用于道路工程項目，其避免臺車上部出現(xiàn)混凝土表面水波紋的作用在該項目實踐中得到了驗證。但由于抽出式振搗棒是在混凝土澆筑后啟動并隨振搗緩慢抽出的，振搗和抽出過程中產(chǎn)生的混凝土沉降可能導致隧道上部與混凝土之間出現(xiàn)空隙。雖然該項目在施工中將澆筑和抽出分數(shù)次進行以減少沉降的產(chǎn)生，但依然無法完全避免沉降，進一步措施在后文闡述。

通過二襯監(jiān)控系統(tǒng)和大屏幕可視化措施，加上Elephant Nozzle，能夠避免堵管導致的施工中斷，兩者結(jié)合能夠有效預防冷縫問題。此外，該系統(tǒng)對于應對混凝土運輸延遲和計劃施工休息時間也十分有效。

2.2.3 混凝土充填相關(guān)措施效果

在隧道施工中，空洞是混凝土厚度不足的原因之一。為避免此問題，該項目在澆筑時對混凝土充填壓力進行量化管理。根據(jù)前文闡述，抽出式振搗棒啟動后，振搗導致的混凝土沉降容易使混凝土背面出現(xiàn)空隙。以往，在施工過程中是通過排氣口的水泥流出情況進行判斷，或通過檢查窗口和端部進行目視確認，憑借經(jīng)驗和感覺來設(shè)置混凝土泵送的停止時間點。近年來，大多數(shù)項目采用充填檢測儀進行充填壓力管理，但只能對混凝土進行部分檢測管理。而該項目根據(jù)充填壓力對施工情況進行量化分析，基于合理的判斷把控混凝土泵送的停止時機，取得了明顯效果。

泌水殘留在混凝土內(nèi)可能導致開裂，使混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量下降。該項目采用網(wǎng)格模板和吸水管將混凝土泌水排出，而加壓充填混凝土能在此基礎(chǔ)上進一步把多余的水分從混凝土內(nèi)排出，確?；炷恋拿軐嵍群徒Y(jié)構(gòu)質(zhì)量，實際施工中，加壓充填以后，不借助水泵吸水即可看到多余的水分流出，可見加壓排水效果明顯。

加壓充填時，為確保端頭面的壓力不會先于搭接面上升，應盡可能采用流動性好的混凝土，但考慮到高流動性和中流動性的混凝土價格較高，在和原設(shè)計混凝土單位水量和水灰比保持基本一致的前提下，將原本的混凝土塌落度調(diào)整為18cm，進一步降低了加壓充填施工的難度。

2.2.4 混凝土養(yǎng)護、拆模的相關(guān)措施效果

二襯混凝土通常每兩日施工一模?？紤]模板清理、儀器設(shè)置、拆模時間等，澆筑后第2 天上午10 點前必須拆模，拆模時混凝土的強度很重要。若是強度不足，混凝土會因自重導致開裂和表面剝離。通?；炷恋牟鹉姸仁?N/mm，但根據(jù)該項目的混凝土強度試驗結(jié)果，在20C 的標準養(yǎng)護條件下，混凝土達到2N/mm強度需要19h，無法實現(xiàn)在次日10 點前拆模以完成施工循環(huán)。

綜合考慮以上情況，養(yǎng)護時測量混凝土成熟度，實時推算混凝土強度并通過顯示器顯示，以此為依據(jù)管理拆模時間，計算方法如下：

第一，壓縮強度的推算是拆模時間管理的根本，推算參照《混凝土標準示方書施工篇》（日本土木學會混凝土委員會）的相關(guān)計算方法，采用式（1）進行計算。同時，根據(jù)學會要求，有效齡期（20C 標養(yǎng)條件下的等價齡期）通過式（2）進行計算。

式（1）中：f'(t)為齡期t日時的壓縮強度（N/mm）；f'為混凝土的設(shè)計基準強度（N/mm）；t 為齡期（日）；i 為設(shè)計基準強度齡期（日），通常i=28 或91；a、b 為水泥系數(shù)，品種不同的水泥系數(shù)不同；d 為從齡期28 天到齡期91 天的強度增加率。

該項目采用高爐礦渣水泥，參數(shù)為a＝6.2，b＝0.93，d(28)＝1.15。

式（2）中：t為有效齡期（日）；△t為養(yǎng)護溫度為T（C）的天數(shù)；T為1C。

通過以上式（1）及式（2），該項目對施工最后澆筑的拱頂部溫度進行10min 間隔的定期測量，將測量值帶入式（2）計算有效齡期t，將t帶入式（1）中的t，推算混凝土的壓縮強度。

第二，二襯的施工初期，項目部測量了現(xiàn)場養(yǎng)護的短齡期試塊強度。養(yǎng)護場所設(shè)置了溫度計，對養(yǎng)護溫度進行同步測量（結(jié)果見表1、圖2）。按照19h、21h、23h 時的養(yǎng)護時間進行壓縮強度試驗，因現(xiàn)場養(yǎng)護溫度比標準養(yǎng)護溫度（20C）低，通過式（2）參照實際養(yǎng)護溫度進行計算，有效齡期結(jié)果如表1所示。

圖2 短齡期壓縮強度試驗結(jié)果

表1 短齡期壓縮強度試驗結(jié)果

養(yǎng)護時間/h 考慮養(yǎng)護溫度的有效齡期/h 13.830 15.551 17.251 19 21 23壓縮強度平均/（N/mm2）0.54 0.77 1.07

第三，推算混凝土成熟度和壓縮強度。根據(jù)前述方法及該項目采用的混凝土的短齡期壓縮強度特性，計算混凝土成熟度和壓縮強度，如公式（3）所示。同時，為了與項目實際的短齡期壓縮強度試驗（12～24h）所測得的壓縮強度實際情況相近，公式設(shè)定了修正齡期。

式（3）中：t為修正齡期。

通過公式（3）計算，該項目標準溫度（20C）下養(yǎng)護時間和壓縮強度的關(guān)系如圖3所示。利用上述近似計算公式，采用計算機進行自動計算和管理。

圖3 養(yǎng)護時間與壓縮強度的關(guān)系

該項目根據(jù)實際混凝土成熟度計算拆模時間，因為用于試驗的混凝土試塊無法獲得混凝土整體產(chǎn)生的水化熱，加上隔離罩帶來的罩內(nèi)溫度上升等原因，相比試塊的測量結(jié)果，實際17h 即可拆模，該項目成功實現(xiàn)兩天一模的循環(huán)。同時，混凝土成熟度的測算為佐證拆模時間的正當性提供了依據(jù)。在此基礎(chǔ)上，該項目把PT 型回彈儀實際測量的拆模混凝土強度作為補充依據(jù)，進行雙重管理。

3 結(jié)語

綜上所述，經(jīng)過國道115 號線元淵隧道工程在二襯混凝土施工中的實踐檢驗，該項目中所采取的措施均達到了預期效果，為后續(xù)隧道項目的二襯混凝土施工品質(zhì)提升提供了重要的參考依據(jù)。

但在取得預期效果的同時，上述二襯混凝土振搗、充填、養(yǎng)護等技術(shù)措施，需要在施工中額外安裝傳感器、壓力測量儀等，會增加作業(yè)班組的工作量，該項目在施工中發(fā)現(xiàn)實施上述設(shè)備安裝后，為保證施工進度，二襯混凝土與防水層需由兩個班組分別實施。今后應結(jié)合現(xiàn)場施工情況，繼續(xù)研究改進上述配套設(shè)備，增加安裝便捷性，有效節(jié)省人工成本，保障工程進度。