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深中通道鋼殼管節(jié)自密實混凝土制備及澆筑技術(shù)

2021-07-05 03:22:46王彭生黃文慧范志宏
隧道建設(shè)(中英文) 2021年6期
關(guān)鍵詞:通氣孔鋼殼管節(jié)

王彭生, 黃文慧, 嵇 廷, 范志宏

(1. 中交四航工程研究院有限公司, 廣東 廣州 510230; 2. 中交四航局第二工程有限公司,廣東 廣州 510230; 3. 中交第四航務(wù)工程局有限公司, 廣東 廣州 510230)

0 引言

隨著我國社會、經(jīng)濟的發(fā)展,以及人們環(huán)保意識的提高,采用水下隧道方式跨越江河和海灣(峽)的需求越來越迫切。相比于橋梁,水下隧道可實現(xiàn)全天候通行,對航運干擾少,同時也可較好地保護原有生態(tài)與自然環(huán)境[1-2]。

據(jù)國際隧道協(xié)會的統(tǒng)計資料,20世紀世界各國已建的沉管隧道中約有1/3的隧道均采用了鋼殼混凝土結(jié)構(gòu)[3]。在我國已建及在建的沉管隧道工程中,僅香港有1座單層鋼殼雙孔的沉管隧道,其他均為鋼筋混凝土沉管隧道[4]。2018年10月24日建成通車的港珠澳大橋主體工程沉管隧道為節(jié)段式鋼筋混凝土箱型斷面結(jié)構(gòu)的沉管隧道,為應(yīng)對大埋深、重荷載作用,采用了高強度混凝土、超厚結(jié)構(gòu)板及大配筋量等多項設(shè)計措施,對隧道結(jié)構(gòu)的施工提出了很高的要求[5]。

鋼殼沉管隧道采用鋼殼包裹素混凝土結(jié)構(gòu),與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土沉管結(jié)構(gòu)相比,具有預(yù)制場地選址靈活(鋼殼預(yù)制與混凝土澆筑分離)、管節(jié)防水性能優(yōu)(鋼殼整體外包)、預(yù)制工期短(無裝拆模作業(yè))、不均勻沉降適應(yīng)性好等優(yōu)點[6-7]。

目前,位于港珠澳大橋上游的深圳至中山的過江通道工程(以下簡稱“深中通道”)是繼港珠澳大橋之后集“超寬超長海底隧道、超大跨海中橋梁、深水人工島、水下樞紐互通”于一體的又一超級工程,沉管隧道寬度及長度均為世界之最;同時鋼殼混凝土沉管隧道在國內(nèi)屬首次應(yīng)用,在國際上屬首次大規(guī)模應(yīng)用。工程規(guī)模、技術(shù)標準、建造難度均是前所未有,其中較為突出的就是如何保障鋼殼內(nèi)澆筑的無法振搗的混凝土填充密實,尤其要保障混凝土與頂部鋼殼的密實接觸、不留大面積脫空等,從而保證混凝土與鋼殼協(xié)同受力,提高結(jié)構(gòu)承載能力。因此,高穩(wěn)健的自密實混凝土制備和澆筑工藝是保證鋼殼混凝土隧道質(zhì)量的關(guān)鍵。

1 深中通道鋼殼管節(jié)自密實混凝土配制技術(shù)

1.1 工程特點與難點

鋼殼混凝土管節(jié)采用雙層鋼殼內(nèi)部填充混凝土的結(jié)構(gòu)形式,混凝土需要在無振搗的條件下在鋼殼內(nèi)依靠自身流動性和填充性形成密實結(jié)構(gòu),并最終與鋼殼共同作用達到協(xié)同受力的效果。因此,鋼殼自密實混凝土的配制是鋼殼混凝土管節(jié)制作的一項關(guān)鍵工作。由于鋼殼混凝土沉管在我國還沒有實際工程的應(yīng)用,鮮有關(guān)于鋼殼自密實混凝土的研究和應(yīng)用的報道,因此,相關(guān)的研究工作具有較高的探索性。首先,鋼殼混凝土管節(jié)這種特殊的結(jié)構(gòu)形式對混凝土性能指標的要求不明確; 其次,滿足指標要求且適合管節(jié)特殊結(jié)構(gòu)的鋼殼自密實混凝土的配制技術(shù)需要探索。鋼殼自密實混凝土一方面需要具備良好的工作性能,在鋼殼倉隔內(nèi)依靠自身流動性形成密實填充;另一方面,為了增加混凝土與鋼殼之間的協(xié)同作用效果,混凝土還需要具備良好的體積穩(wěn)定性,理論上要求盡量減少混凝土在澆筑到倉隔后的體積收縮; 同時,混凝土還需要具備足夠的強度,以起到應(yīng)有的結(jié)構(gòu)受力作用。因此,鋼殼自密實混凝土的配制需要解決高工作性能與高體積穩(wěn)定性之間的矛盾。同時,鋼殼混凝土管節(jié)的服役是一個長期過程,鋼殼自密實混凝土在這個長期過程中的性能演變對整個管節(jié)的正常服役具有重要影響,因此混凝土的長期性能需要明確。

1.2 鋼殼管節(jié)自密實混凝土性能關(guān)鍵控制指標

我國自密實混凝土標準規(guī)范CCES 02—2004《自密實混凝土設(shè)計與施工指南》、CECS 203—2006《自密實混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》和JGJ/T 283—2012《自密實混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》對自密實混凝土的工作性能指標給出了詳細規(guī)定;日本及歐洲的自密實混凝土標準規(guī)范也給出了自密實混凝土工作性能的評價方法,如表1所示。

表1 國內(nèi)外標準規(guī)范中自密實混凝土工作性能評價方法

由表1可知,自密實混凝土的填充性可以通過坍落擴展度和擴展時間(T500)來評價,間隙通過性可以通過L型儀和U型儀試驗來評價,抗離析性可以通過離析率等指標測試來評價??紤]到施工過程中現(xiàn)場測試的適用性和質(zhì)量控制的需要,采用L型儀試驗評價混凝土抗離析性和間隙通過性的基本技術(shù)指標。在室內(nèi)研究過程中,也將U型儀試驗作為自密實混凝土工作性能評價方法之一。

鋼殼沉管倉隔內(nèi)沒有布置鋼筋,但是設(shè)置有扁鋼和角鋼?;炷烈畛浔怃摗⒔卿摵弯摪逯g的空間,需要具備一定的流動性和填充性。綜合考慮國外技術(shù)調(diào)研結(jié)果、我國標準規(guī)范的相關(guān)規(guī)定和鋼殼管節(jié)倉隔的結(jié)構(gòu)特征,結(jié)合現(xiàn)場施工過程中質(zhì)量控制的可行性,確定鋼殼自密實混凝土的基本性能需求和施工關(guān)鍵控制指標,如表2所示。

1.3 混凝土配合比設(shè)計

自密實混凝土的工作性能與膠凝材料用量有關(guān),通常提高膠凝材料用量有利于提高自密實混凝土的工作性能。但是膠凝材料用量過高也會產(chǎn)生不良影響,如體積收縮增大、混凝土分層、混凝土成本增加等。砂率也是影響自密實混凝土工作性能的主要因素之一,砂率太低,混凝土流動性不足,太高則可能導(dǎo)致混凝土強度降低、彈性模量下降、收縮量增大、成本提高等。減水劑對自密實混凝土工作性能起到關(guān)鍵作用,采用專屬聚羧酸系高效減水劑,可以保證混凝土擴展度在650±50 mm內(nèi)仍具有較好的和易性。膠凝材料用量和砂率對自密實混凝土工作性能的影響如表3所示。

表2 自密實混凝土基本性能參數(shù)及指標要求

表3 膠凝材料用量和砂率對自密實混凝土工作性能的影響

采用大摻量粉煤灰和小摻量礦粉復(fù)摻的混凝土具有較小的干縮值和較好的體積穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上,加入復(fù)合型膨脹劑,混凝土的收縮量進一步下降,但是下降效果并不十分顯著。在鋼殼混凝土管節(jié)結(jié)構(gòu)中,自密實混凝土處于封閉狀態(tài),混凝土中的水分不會向周圍環(huán)境中散失,因此混凝土的收縮主要為自收縮,總收縮值較小。模擬鋼殼密閉環(huán)境下,未加膨脹劑的自密實混凝土90 d內(nèi)收縮值測試結(jié)果如圖1所示。根據(jù)收縮發(fā)展曲線,自密實混凝土90 d內(nèi)收縮值接近200×10-6。此外,管節(jié)倉隔結(jié)構(gòu)中設(shè)置有L型肋,該結(jié)構(gòu)可對混凝土的收縮起到重要的約束作用,進一步降低混凝土的收縮量。因此,在鋼殼自密實混凝土的配制中,可考慮采用不摻膨脹劑的低收縮混凝土[8]。

1.4 鋼殼自密實混凝土收縮性能預(yù)測研究

為預(yù)測混凝土的收縮變形,近年來國內(nèi)外標準規(guī)范和學(xué)者提出了多個混凝土收縮計算模型,不同模型的適應(yīng)情況分析如表4所示。

圖1 模擬鋼殼密閉環(huán)境自密實混凝土收縮測試結(jié)果

表4 不同混凝土收縮計算模型適用情況分析

表4(續(xù))

根據(jù)復(fù)摻礦粉和粉煤灰混凝土的自收縮預(yù)測研究結(jié)果,考慮到現(xiàn)有經(jīng)典模型對于混凝土自收縮預(yù)測的基本方程,建立鋼殼密閉環(huán)境下自密實混凝土收縮εca預(yù)測模型如下:

εca(t)=εca(∞)αβ(t)c。

(1)

εca(∞)=4.5fcu×10-6。

(2)

β(t)=1-exp[-0.6(t-t0)0.4]。

(3)

式中:fcu為鋼殼自密實混凝土的28 d立方體抗壓強度,MPa;α為與礦物摻合料有關(guān)的修正系數(shù);β(t)為與初凝時間有關(guān)的修正系數(shù);c為與約束有關(guān)的修正系數(shù);t0為鋼殼自密實混凝土的初凝時間,d。根據(jù)圖1的測試結(jié)果,確定模型參數(shù)。針對鋼殼自密實混凝土在管節(jié)倉隔內(nèi)的1年期(365 d)收縮進行計算,其結(jié)果為206.8×10-6,混凝土長期體積穩(wěn)定性較好。

2 深中通道鋼殼混凝土澆筑技術(shù)

跨海隧道結(jié)構(gòu)鋼殼沉管作為一種新穎的設(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)有著顯著的差異,且尚未在我國大型工程中應(yīng)用。因此,鋼殼混凝土管節(jié)的自密實混凝土澆筑施工工藝是深中通道工程鋼殼方案的一項關(guān)鍵技術(shù),是實現(xiàn)管節(jié)高品質(zhì)、高工效預(yù)制的關(guān)鍵。

2.1 澆筑方法和速度

混凝土的澆筑方法和澆筑速度直接影響混凝土在鋼殼內(nèi)部的填充料,為保證混凝土澆筑后在鋼殼內(nèi)有較高的填充率,控制澆筑管口距液面下落高度不超過50 cm; 當混凝土液面距頂板20 cm以上時,澆筑速度控制在30 m3/h; 當距離倉隔頂板20 cm以內(nèi)時,澆筑速度控制在15 m3/h;同時,將排氣孔混凝土液面上升高度調(diào)整為30 cm,作為澆筑結(jié)束條件。

2.2 深中通道管節(jié)混凝土澆筑順序

2.2.1 橫向澆筑順序

深中通道鋼殼沉管截面尺寸為46.9 m×10.5 m×165 m,管節(jié)橫斷面較大。若按照日本那霸管節(jié)施工經(jīng)驗,先完成全部墻體的澆筑,單次混凝土澆筑量過大,且可能對管節(jié)底板的變形控制不利,而底板的變形與管節(jié)的基床息息相關(guān)。因此采用跳倉對稱澆筑,澆筑順序先底板、再墻體、最后頂板,這樣可以有效控制管節(jié)變形。管節(jié)的澆筑分區(qū)如圖2所示。

圖2 混凝土澆筑分區(qū)斷面示意圖

2.2.2 縱向澆筑順序

管節(jié)在縱向的澆筑順序在長度方向劃分為16個混凝土澆筑施工段(S1~S16)。在澆筑橫斷面單個分區(qū)時,混凝土在管節(jié)縱向的總體安排為:第1次澆筑S6、S11施工段,第2次澆筑S2、S15施工段,第3次澆筑S8、S9施工段,第4次澆筑S4、S13施工段,第5次澆筑S5、S12施工段,第6次澆筑S1、S16施工段,第7次澆筑S7、S10施工段,第8次澆筑S3、S14施工段。總體澆筑順序如圖3所示。

圖3 混凝土縱向分段澆筑順序示意圖(單位: cm)

2.2.3 單次混凝土澆筑順序

根據(jù)豎向及縱向澆筑順序,管節(jié)混凝土澆筑共需進行64次澆筑。單次澆筑時,“對稱”的總體要求采用4臺布料機分為2組分別在對稱的施工段澆筑,單個施工段澆筑時遵循從管節(jié)兩端向中間進行澆筑原則。單次澆筑順序如圖4所示。

圖4 混凝土單次澆筑順序示意圖

2.3 鋼殼管節(jié)倉隔的下料管、排氣管設(shè)置

神戶港港島鋼殼管節(jié)倉隔下料孔、排氣孔設(shè)置如圖5所示。該鋼殼管節(jié)倉隔下料孔設(shè)置在倉隔中間部位,直徑為200 mm,排氣孔布置在倉隔四周邊,共8個,直徑為50 mm,間距約為1.3 m。為了使倉隔內(nèi)空氣有效排出,結(jié)合混凝土流動規(guī)律,深中通道鋼殼管節(jié)優(yōu)化了工藝孔的合理構(gòu)造,每個倉隔頂板排氣孔數(shù)量由原設(shè)計的8個調(diào)整為10個,如圖6所示。

圖5 神戶港港島隧道倉隔排氣孔布置圖(單位: mm)

圖6 深中通道倉隔排氣孔結(jié)構(gòu)布置圖(單位: mm)

2.4 肋板通氣孔設(shè)置

肋板通氣孔的有無對型鋼周邊的混凝土填充性有很大的影響,如果沒有肋板通氣,混凝土的澆筑情況就無法達到預(yù)期效果。另外,國外研究資料表明,肋板通氣孔的大小,一般為最大顆粒尺寸的2~3倍比較合適。自密實混凝土的最大顆粒尺寸要求不超過25 mm,所以肋板通氣孔尺寸為50~75 mm。

在對國外相關(guān)資料研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合肋板受力規(guī)范(孔洞高度不超過肋板高度1/2),得到了以下參數(shù)設(shè)置:為降低肋板對混凝土的阻隔影響,在角鋼上設(shè)置通氣孔,角鋼通氣孔間距為250 mm,位于角鋼、扁鋼交叉點、以及交叉點中點部位,通氣孔底部高30 mm,寬30 mm,開孔頂角為R40半圓過渡。離澆筑孔最遠端T肋通氣孔位置調(diào)整至與T肋緊挨,厚薄鋼板拼接處增設(shè)小通氣孔。T排氣孔間距設(shè)為300 mm。

3 鋼殼自密實混凝土澆筑效果

通過制定鋼殼自密實混凝土施工關(guān)鍵控制指標,配制滿足指標要求的自密實混凝土,并采用合理的鋼殼管節(jié)自密實混凝土施工工藝。目前,深中通道的管節(jié)已能夠高品質(zhì)、高工效預(yù)制。管節(jié)預(yù)制前的模型試驗,驗證了鋼殼自密實混凝土的澆筑效果。

3.1 自密實混凝土工作性

模型試驗現(xiàn)場澆筑前,對鋼殼自密實混凝土拌合物各項性能進行測試,如圖7所示,測試結(jié)果如表5所示。結(jié)果表明,在實際施工過程中,所配制的鋼殼自密實混凝土拌合物工作性良好,質(zhì)量穩(wěn)定,混凝土性能滿足控制指標要求。在現(xiàn)場混凝土生產(chǎn)過程中,自密實混凝土的泵送和入模流暢,質(zhì)量可控,倉隔澆筑效率高。

(a) 擴展度測試

(b) V型漏斗試驗

(c) 含氣量測試

表5 自密實混凝土澆筑前拌合物性能測試結(jié)果

3.2 自密實混凝土強度

對硬化后的自密實混凝土取芯,檢測28 d抗壓強度,混凝土芯樣的抗壓強度結(jié)果如表6所示。根據(jù)抗壓強度結(jié)果,所有倉隔的芯樣混凝土抗壓強度均滿足設(shè)計強度要求。對單個倉隔不同高度處芯樣強度測試結(jié)果進行分析,6#倉隔上部混凝土芯樣抗壓強度較下部混凝土強度要低,其他倉隔混凝土的強度分布較均勻,從頂部到底部沒有明顯的強度變化趨勢。結(jié)果表明,6#倉隔的自密實混凝土較其他倉隔混凝土勻質(zhì)性略差,1#、3#、7#、8#倉隔混凝土的勻質(zhì)性均良好。

表6 混凝土芯樣強度測試結(jié)果

3.3 自密實混凝土澆筑質(zhì)量

對模型試驗頂部500 mm×527 mm區(qū)塊內(nèi)脫空大于5 mm的缺陷進行標識,并對其進行垂直拍照,采用數(shù)值描點方法,統(tǒng)計其大于5 mm的脫空面積。頂部脫空拍照和描點如圖8所示。經(jīng)統(tǒng)計計算,頂面區(qū)塊內(nèi)脫空面積為7 620 mm2,即該區(qū)域內(nèi)的脫空面積率為2.89 %。

取芯混凝土的內(nèi)部形貌如圖9所示。芯樣分為頂、中、底3段,對比不同高度芯樣混凝土的骨料分布情況,對自密實混凝土內(nèi)部勻質(zhì)性進行判斷。觀察結(jié)果表明,倉隔不同高度自密實混凝土的骨料分布較為均勻,沒有發(fā)生明顯的骨料下沉聚集情況,澆筑后的自密實混凝土勻質(zhì)性較好。此外,混凝土芯樣中均分布少量氣泡,但沒有大尺寸的缺陷,表明自密實混凝土填充較密實。

(a) 草圖

(b) 描點圖

圖9 模型試驗混凝土形貌圖

4 結(jié)論與討論

1)在調(diào)研分析和試驗研究的基礎(chǔ)上,確定了鋼殼自密實混凝土拌合物基本性能控制指標:坍落擴展度650±50 mm、V型漏斗通過時間5~15s、L型儀H2/H1≥0.8mm、含氣量≤4%。通過這些控制指標,保證混凝土具有良好的流動性、填充能力、間隙通過能力和抗離析性。

2)配合比設(shè)計結(jié)果表明,以大摻量粉煤灰和小摻量礦粉復(fù)摻的膠凝材料體系制備鋼殼自密實混凝土,所配制的混凝土拌合物性能滿足工作性要求,混凝土體積穩(wěn)定性較好,28 d抗壓強度可達到50 MPa以上。根據(jù)試驗結(jié)果和模型預(yù)測,鋼殼自密實混凝土在管節(jié)倉隔內(nèi)的1年期(365 d)收縮率為206.8×10-6。

3)澆筑工藝是影響鋼殼自密實混凝土填充質(zhì)量的主要因素之一,通過設(shè)置合理的澆筑速度、下料高度、下料孔、排氣孔和肋板通氣孔等澆筑工藝參數(shù),可較好地實現(xiàn)自密實混凝土在鋼殼內(nèi)的流動、填充和密實。

4)通過模型試驗,驗證了鋼殼自密實混凝土澆筑效果,結(jié)果表明,頂部鋼殼與混凝土之間的脫空較小,大于5 mm的脫空面積占比低,同時,澆筑后自密實混凝土內(nèi)部勻質(zhì)性好,填充密實。

深中通道鋼殼混凝土沉管隧道結(jié)構(gòu)在國內(nèi)屬于首次應(yīng)用,在充分調(diào)研國內(nèi)外標準規(guī)范和工程案例的基礎(chǔ)上,通過試驗研究,形成了一整套工藝技術(shù),保障了鋼殼混凝土沉管管節(jié)的順利澆筑,也可為后續(xù)類似工程提供參考。

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