沉管隧道底鋼板空鼓的原因及對策

李云濤,陳霞

(1.中鐵隧道股份有限公司,鄭州450003;2.聊城大學建筑工程學院,山東聊城 250029)

0 引言

隨著水下隧道的發(fā)展,沉管隧道已越來越多地被應用在穿越江河的水下工程領域。鑒于沉管隧道處于地下水極為豐富的地層中,其外防水層的選用及施作質量顯得尤為重要[1]。廣州市生物島—大學城沉管隧道管段主體結構采用了外包底鋼板作為防水層,底鋼板采用錨筋與結構底板連接成一體的底板防水結構。底鋼板與混凝土局部脫空形成空鼓,為管段的防水埋下了隱患。而前人對此方面的研究與學習比較少;因此,本文將以廣州市生物島—大學城沉管隧道底鋼板出現空鼓的工程為例,闡述其成因及處理方法,為類似工程的施工提供一定的參考。

1 工程概況

廣州市生物島—大學城沉管隧道管段主體結構為矩形框架結構,高8.7m,寬23m。本沉管隧道橫穿官洲河底,分為3節(jié)預制,總長214m。管段底板采用6 mm厚預埋底鋼板外包防水,側墻、頂板表面涂刷2.5 mm厚柔性聚氨酯防水涂料防水。防水底鋼板由6 000mm×1 051mm×6 mm Q235-B鋼板拼焊而成,沿管段底部整體布設,并伸入側墻1.65m。底鋼板上以400mm×400mm的間距布置 φ12錨筋與結構底板連接成一體。底鋼板焊接采用E43型焊條,錨筋采用HRB335鋼筋,錨筋焊接采用E50型焊條。底鋼板加工長度隨底板澆注長度確定,分段施工。底鋼板設計如圖1所示。

2 空鼓原因分析

在廣州市生物島—大學城沉管隧道管段預制施工中,結構混凝土收縮完成、性能穩(wěn)定后,底鋼板伸入側墻部分出現多處脫空現象,空鼓面積一般為0.2～0.3m2。結合設計及施工過程情況分析,產生空鼓的原因[2]主要有以下幾個方面。

圖1 預埋底鋼板橫斷面圖(單位:mm)Fig.1 Cross-section of steel bottom plate(mm)

1)底鋼板錨筋連接不牢。設計錨筋與底鋼板的連接采用點接觸,要求錨筋與底鋼板沿鋼筋端頭接觸面圍焊1圈,高8mm,錨筋與底鋼板焊接設計如圖2所示。焊接過程中,由于底鋼板薄、錨筋直徑小,底鋼板極易被焊穿,破壞了構件的本身性能,且焊接高度不易達到設計要求。錨筋與底鋼板連接質量會影響到底鋼板與底板混凝土的錨固效果,局部錨固失效,為形成空鼓提供了條件。

圖2 錨筋與底鋼板連接示意圖(單位:mm)Fig.2 Sketch of connection between anchoring rod and steel bottom plate(mm)

2)底板混凝土振搗不密實。廣州市生物島—大學城沉管段主體結構多采用 φ28以上的鋼筋,主筋間距100mm,分布筋間距150mm。結構鋼筋直徑大、凈間距小,致使混凝土澆注時振搗棒插入困難;底板厚度為1 150 mm,倒角部位厚達1 650 mm,矮側墻高400 mm,一次澆注高度可達2 050mm,導致局部混凝土振搗不密實,從而使混凝土內、底鋼板與混凝土間殘余空氣。隨著混凝土澆注量的增大,水泥水化所產生的熱量會越來越大,內部殘余空氣由于溫度升高而急劇膨脹。底板被底鋼板外包為封閉體系,內部殘余空氣在無路可走的情況下只能將壓力作用在側墻底鋼板上。錨筋與底鋼板的連接抵擋不住底鋼板內部空氣熱膨脹所產生的壓力,從而導致底鋼板與錨筋、混凝土被頂壓分離;另外鋼板彈性模量為2.1×105N/mm2,管段C35混凝土彈性模量[3]為3.15×104N/mm2,比混凝土彈性模量高10多倍,兩者受熱變形不同步,從而形成空鼓。

3 空鼓的危害

底鋼板空鼓會對結構主體造成如下影響:

1)空鼓處鋼筋保護層厚度不足,影響結構的耐久使用;

2)空鼓處底鋼板與結構不能緊密貼合,其熱脹冷縮會反復作用于與其接觸的混凝土表面,造成混凝土表面拉裂,嚴重時可能使裂紋發(fā)展至鋼筋表面;

3)空鼓處會由于鋼板邊緣與混凝土交界處出現裂隙、鋼板焊縫缺陷等原因與外界貫通,這樣底鋼板防水失效,水就會滲入空鼓處,埋下鋼筋被腐蝕的隱患。

4 措施改良

4.1 改變錨筋與底鋼板連接方式

在后期施工中,改變了錨筋與底鋼板的連接方式。錨筋兩端均彎曲60mm,與底鋼板的點連接改為雙面滿焊,并使用圓型小錘敲擊消除中間焊層應力[4]。焊接時采用小徑焊條,電流大小調節(jié)適當。嚴格控制焊接質量,側墻部位更應加強控制。錨筋焊接應按設計布局進行,且不得與底板主筋接觸,以免形成漏水通道,影響管段自防水質量。錨筋與底鋼板焊接示意如圖3所示。

圖3 錨筋與底鋼板連接改善示意圖(單位:mm)Fig.3 Sketch of optimized connection between anchoringrod and steel bottom plate(mm)

4.2 底鋼板焊接平整及分段加工

底鋼板的平整度對底板的成型也有一定的影響。因鋼板只有6mm厚,焊接時產生的大量熱量極易導致鋼板變形。用400mm×4 000 mm底面平整的鋼壓塊將鋼板對接縫壓緊,采用跳焊方式進行拼焊以避免局部加熱集中,有效地將底鋼板的平整度控制在了設計要求之內。

在施作底板鋼筋前,澆注段底板底部預埋鋼板一次性加工完畢,側墻部位底鋼板每12m左右為1段進行分段加工,待混凝土澆注完畢,拼接焊縫,拼焊縫處預埋注漿鋁管以便后期進行壓力注漿處理。

4.3 創(chuàng)造振搗條件,加強振搗控制

底板倒角尺寸為500mm×1 500mm,規(guī)格較大,混凝土堆積較厚。商品混凝土坍落度控制為(120±20)mm,完全可以依靠混凝土的自穩(wěn)力成型。不施作模板,不但可以方便振搗,而且可以加強混凝土的散熱及養(yǎng)護效果。混凝土澆注應盡量選取有大體積混凝土澆注經驗的隊伍進行。澆注前,必須對施工操作人員進行培訓,讓其明確振搗的重要性及操作要點。澆注時,正確使用振搗棒,分段、分層澆注。對間隙較小的地方,可輔以小振搗棒進行振搗;預埋件加強鋼筋較多,宜采用細石混凝土進行澆注;分層厚度不應過大,以300～500mm為宜,分段長度按現場工人振搗速度進行控制[5-6]。

4.4 底鋼板空鼓注漿處理

在底鋼板空鼓上下各鉆1個孔,埋設注漿鋁管后進行壓力注漿,下孔為注漿孔,上孔為排氣孔。注漿分2次進行。第1次注漿液為純水泥漿,第2次注漿液為高強防滲材料[7]摻合固化劑、促進劑。第1,2次注漿應間隔48h以上,注漿參數[8-9]見表1。

表1 高壓注漿參數Table 1 Parameters of high pressure grouting

將底鋼板與側墻剝離的部位混凝土鑿成45°斜角后用環(huán)氧砂漿封堵,并在環(huán)氧砂漿及底鋼板空鼓處預埋注漿管。待環(huán)氧砂漿硬化后對空鼓進行注漿處理,注漿壓力應適宜,以免壓力過大導致底鋼板與底板混凝土大面積脫離。注漿完畢,對注漿孔進行封堵,并在其上涂刷1層環(huán)氧樹脂后再進行底鋼板的防腐、防銹處理[10-11]。

5 結論

1)通過改良錨筋與底鋼板連接方式、底鋼板焊接平整及分段加工、底鋼板空鼓注漿處理、加強振搗控制等一系列措施,可改善底鋼板與管段底板混凝土的結合,有效地治理及防止了空鼓,保證了施工質量,確保管段的安全使用。

2)混凝土與鋼板彈性模量相差較大,水化反應時兩者因熱脹冷縮變形不同步引起的空鼓仍需進一步的研究解決。

3)生物島—大學城沉管隧道底鋼板空鼓的處理較為成功,可為以后沉管隧道底鋼板的設計及施工提供參考及借鑒。

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