陳 燦，王雪剛，范志宏，于 方，曾俊杰

(中交四航工程研究院有限公司，水工構(gòu)造物耐久性技術(shù)交通運輸行業(yè)重點實驗室，廣州 510230)

0 引 言

深中通道工程是港珠澳大橋上游的深圳至中山的過江通道工程，受技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、通航、防洪及航空限高等因素的限制，該通道主航道等區(qū)段采用沉管隧道穿越。深中通道的沉管隧道為雙向八車道，單孔跨度超過18 m，為超大跨度、深埋、特長型鋼殼沉管隧道，沉管規(guī)模罕見，綜合技術(shù)難度和挑戰(zhàn)性極高[1-3]。

鋼殼沉管隧道采用鋼殼包裹素混凝土的結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土沉管結(jié)構(gòu)相比，鋼殼制作與混凝土澆筑實現(xiàn)了場地分離，選址更加靈活，且通過設(shè)置鋼殼提高了混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力和管節(jié)的防水性能，不均勻沉降的適應(yīng)性也更好[4-5]。另外在鋼殼沉管結(jié)構(gòu)中,自密實混凝土的應(yīng)用使鋼殼混凝土結(jié)構(gòu)在澆筑時無需模板安裝拆除作業(yè)，管節(jié)預(yù)制工期大為縮短，大幅度降低了現(xiàn)場的施工作業(yè)強度[6-7]。但鋼殼沉管作為一種新穎的跨海隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計，其混凝土材料應(yīng)用及預(yù)制工藝均與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土沉管結(jié)構(gòu)有著顯著差異，且鋼殼自密實混凝土需要具備良好的工作性和體積穩(wěn)定性, 使其在鋼殼倉格內(nèi)依靠自身流動性形成密實的填充，并減少混凝土澆筑后的體積收縮，同時自密實混凝土還需要具備足夠的強度,保證應(yīng)有的受力作用[8-9]。因此，鋼殼混凝土管節(jié)自密實混凝土的制備、浮態(tài)澆筑工藝以及工藝質(zhì)量驗證是深中通道工程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

對比傳統(tǒng)的鋼筋混凝土沉管隧道管節(jié)預(yù)制施工方法，鋼殼混凝土管節(jié)預(yù)制施工最大的特點是由于鋼殼的存在，可以利用鋼殼的浮力實現(xiàn)水上浮態(tài)澆筑。采用在船臺、船塢或干塢內(nèi)預(yù)制鋼殼或澆注部分混凝土后，將鋼殼沿滑道滑入水中或向塢內(nèi)注水后使其成為浮體，鋼殼不拆卸，利用自身浮力或助浮在漂浮狀態(tài)下澆注混凝土管節(jié)。本文旨在通過制備鋼殼沉管自密實混凝土并采用浮態(tài)澆筑法進(jìn)行大斷面模型試驗，對自密實混凝土性能、鋼殼浮態(tài)預(yù)制澆筑工藝和模型澆筑質(zhì)量進(jìn)行研究，為深中通道鋼殼自密實混凝土管節(jié)浮態(tài)澆筑施工工藝的可行性進(jìn)行驗證并提供試驗基礎(chǔ)。

1 模型試驗概況

大斷面鋼殼模型的尺寸為16.0 m×17.1 m×5.0 m，縱向分為A～E共5段倉格，頂?shù)装?、?cè)板、縱隔板為厚16 mm的Q345鋼板，縱肋為L140 mm×90 mm×10 mm角鋼，橫向隔板及橫肋的鋼板厚度10 mm。模型的示意圖如圖1所示。圖中F1、F2、F3、F4、Z1、Z2、Z3、Z4倉格為第一次澆筑中B斷面的墻體和第二次澆筑中D斷面的墻體，D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7倉格為第一次澆筑中D斷面的底板和第二次澆筑中B斷面的底板，T1、T2、T3、T4、T5倉格為第三次澆筑中B、D區(qū)段的頂板。

圖1 大斷面模型示意圖(單位：mm)

1.1 原材料

根據(jù)模型試驗設(shè)計的澆筑總量，混凝土配制按照1.5倍的計算方量進(jìn)行混凝土原材料備料，所采用的混凝土原材料包括水泥、粉煤灰、礦粉、砂、碎石和減水劑等，原材料各項性能參數(shù)如表1所示,表中表示含量的百分?jǐn)?shù)均指質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

表2為鋼殼自密實混凝土基本性能需求和施工關(guān)鍵控制指標(biāo)。其中，新拌混凝土坍落擴展度、V型漏斗通過時間兩項測試依照CECS 203—2006《自密實混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行，L型儀試驗依照CCES 02—2004《自密實混凝土設(shè)計與施工指南》進(jìn)行，混凝土容重、新拌混凝土含氣量測試依照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行。

表1 混凝土原材料的性能

表2 鋼殼自密實混凝土基本性能需求及關(guān)鍵控制指標(biāo)

1.2 混凝土試配

模型試驗采用的自密實混凝土配合比如表3所示。在進(jìn)行室內(nèi)試配時，對鋼殼自密實混凝土拌合物的擴展度、擴展度經(jīng)時損失、L型儀試驗、V型漏斗試驗、含氣量、容重、泌水率等進(jìn)行了測試。

大斷面模型試驗自密實混凝土試配結(jié)果如表4所示，從表中可以看出，室內(nèi)試配的混凝土拌合物性能滿足指標(biāo)要求。

表3 大斷面模型試驗自密實混凝土配合比

表4 大斷面模型試驗自密實混凝土試配結(jié)果

1.3 浮態(tài)澆筑

大斷面模型在縱向分為A～E五個區(qū)域，其中B、D為澆筑區(qū)，混凝土澆筑總量為367.5 m3。模型船運至預(yù)制廠附近，在雜貨碼頭采用1 000 t浮吊將其吊入水中，最后在粉料碼頭完成系泊。在大斷面模型澆筑前要進(jìn)行布料機的改造安裝、下料管的除銹、下料管排氣管的安裝、模型頂板底部開孔、下料引導(dǎo)管的安裝、模型的標(biāo)識等準(zhǔn)備工作。

將在攪拌站檢測合格的自密實混凝土運輸至澆筑現(xiàn)場，過泵檢測合格后，開始進(jìn)行混凝土的澆筑。大斷面模型分三次采用兩臺布料機同時澆筑，澆筑時間分別為1月9日、1月11日及1月13日，每次澆筑分為若干小步。大斷面模型的第一次澆筑區(qū)域為B斷面的墻體、D斷面的底板，澆筑總量為127.5 m3。大斷面模型的第二次澆筑區(qū)域為B斷面的底板、D斷面的墻體，澆筑總量為127.5 m3。大斷面模型的第三次澆筑區(qū)域為B、D區(qū)段的頂板，澆筑總量為112.5 m3。

模型澆筑完成后，拆除并清洗下料管與排氣管，以便第二次澆筑時使用。在倉格澆筑完成并拆除下料管及排氣管后，需對排氣孔、下料孔進(jìn)行封閉焊接，并要求焊接后的孔口具有良好的水密性。

2 模型試驗過程監(jiān)測

為完善管節(jié)大斷面模型試驗方法，在大斷面模型澆筑過程以及混凝土硬化過程中，對混凝土的溫度和應(yīng)變以及混凝土強度進(jìn)行監(jiān)測。

2.1 混凝土溫度和應(yīng)變監(jiān)測

對于溫度和應(yīng)變監(jiān)測，試驗選擇了B倉段的底板、頂板以及側(cè)板的三個倉格埋設(shè)溫度和應(yīng)變傳感器。為了獲得不同部位混凝土溫度和應(yīng)變的發(fā)展規(guī)律，在進(jìn)行傳感器布置時分別在倉格的中部以及靠近表面處進(jìn)行了傳感器的埋設(shè)。在大斷面模型試驗混凝土澆筑過程以及混凝土硬化過程中，對混凝土的溫度和應(yīng)變進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測。混凝土溫度和應(yīng)變監(jiān)測傳感器埋設(shè)方案分別如圖2和圖3所示，大斷面模型試驗溫度和應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果如表5所示。

由表5可知，大斷面模型試驗不同位置(底板、頂板和側(cè)板)鋼殼自密實混凝土的最高溫度較接近，在66.8～68.3 ℃之間波動，最高溫出現(xiàn)時間約在混凝土澆筑后的55 h，混凝土的最大溫升在43.3～45.4 ℃之間，最高溫度出現(xiàn)在倉格的中心位置?？芍Ｐ驮囼炰摎ぷ悦軐嵒炷恋臏囟鹊玫搅溯^好控制，有利于控制混凝土的溫度收縮。

由于鋼殼自密實混凝土處于一種近似封閉狀態(tài)，混凝土的收縮主要為自收縮，且主要發(fā)生在早期，從應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果可知，監(jiān)測的三個倉格鋼殼自密實混凝土28 d的體積變形表現(xiàn)為收縮應(yīng)變，且收縮應(yīng)變不高于150×10-6?？梢姡渲频匿摎ぷ悦軐嵒炷辆哂休^好的體積穩(wěn)定性。

圖2 混凝土溫度監(jiān)測傳感器埋設(shè)方案

圖3 混凝土應(yīng)變監(jiān)測傳感器埋設(shè)方案

表5 大斷面模型浮態(tài)澆筑試驗混凝土溫度和應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果

2.2 混凝土強度測試

圖4 大斷面模型浮態(tài)澆筑試驗混凝土留樣強度

大斷面模型試驗混凝土強度的測試分為兩個部分，分別為現(xiàn)場混凝土留樣強度測試和模型實體鉆芯取樣強度測試。對于留樣強度，分別對模型試驗過程中3次澆筑的混凝土進(jìn)行留樣，留樣混凝土試件的尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，每次留樣3組，放置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，分別測試混凝土7 d和28 d抗壓強度，混凝土留樣強度測試結(jié)果如圖4所示。

除了測試留樣混凝土強度外，還對模型上層不同倉格進(jìn)行了實體取芯，取芯具體位置為倉格的下料孔。針對選擇的倉格，鉆取從頂部到底部的全部芯樣，通過測試芯樣強度以及對比不同高度處芯樣強度的差別，來分析混凝土的強度及其勻質(zhì)性是否到達(dá)要求。通過對模型上層和側(cè)邊選取5個倉格進(jìn)行鉆芯取樣，將所取的芯樣由頂部至底部切割成9個直徑為100 mm、高徑比為1 ∶1的混凝土圓柱體試件，并進(jìn)行抗壓強度測試，混凝土芯樣強度測試結(jié)果如表6所示。

從圖4和表6可知，模型試驗留樣混凝土的28 d抗壓強度在50 MPa以上，滿足配制指標(biāo)要求。模型實體混凝土芯樣28 d抗壓強度均在50 MPa以上，混凝土強度分布較為均勻，表明混凝土整體密實性和勻質(zhì)性較好。

表6 大斷面模型試驗混凝土芯樣強度

3 結(jié) 論

(1)大斷面模型浮態(tài)澆筑試驗中所配制的鋼殼自密實混凝土拌合物性能滿足流動性、填充性和抗離析性能等基本性能要求。

(2)本次模型試驗鋼殼自密實混凝土的溫度得到了較好控制，有利于控制混凝土的溫度收縮，且具有較好的體積穩(wěn)定性。

(3)通過對現(xiàn)場混凝土留樣和模型實體鉆芯取樣進(jìn)行強度測試，28 d抗壓強度均在50 MPa以上，自密實混凝土密實性和勻質(zhì)性較好，滿足配制指標(biāo)要求，說明鋼殼沉管自密實混凝土浮態(tài)澆筑施工工藝可行。