古運河樞紐明挖暗涵防裂限裂綜合技術

趙明

(河北省水利工程局,河北石家莊 050021)

古運河樞紐明挖暗涵防裂限裂綜合技術

趙明

(河北省水利工程局,河北石家莊 050021)

古運河樞紐明挖段暗涵施工,采用了計算機控制地壟取料、秤量、集料、攪拌、皮帶機輸送、自行式布料機入倉的大型混凝土工程一體化連續施工系統裝置,使混凝土入倉速度達到65 m3/h以上,提出了一套暗涵防裂、限裂溫差控制標準為溫差△T=50.0℃,兼顧嚴格控制入倉澆筑溫度措施,形成了一套大型多孔薄壁鋼筋混凝土結構暗涵施工防裂限裂綜合技術。

防裂 限裂 連續 快速入倉 溫差 △T=50.0℃

1 工程概述

南水北調中線京石段應急供水工程古運河樞紐明挖暗涵工程位于石家莊市西郊田莊村西、古運河與太平河匯合口下游50m處；起始樁號為237+087．6～237+442．6，全長355m；為三孔一聯鋼筋混凝土箱涵；結構凈空6．6×8．2×3m(寬×高×孔)，暗涵橫剖面寬25m；暗涵底板厚1．7(1．4)m，中隔墻厚1．2m、邊墻厚1．4m，頂拱厚1．3(1．1)m，沿水流方向結構變形縫每20m一條，全段共分18節。明挖暗涵下穿石家莊北防洪堤和太平河槽，受上部河水滲入及上游地下水滲流補給，對本工程基坑開挖的邊坡穩定影響較大。石家莊地處近似大陸性氣候帶、極端最高氣溫42．7℃，極端最低氣溫-19．8℃，多年平均風速1．8m/s，最大風速16m/s，多年平均降雨量528mm，雨量年內分配不均，年內降水量75%集中在汛期，氣候條件對工程施工防裂十分不利。

2 鋼筋混凝土多孔薄壁結構防裂、限裂綜合技術在南水北調中線古運河明挖暗涵施工中應用

古運河明挖暗涵的施工，需要建立全新多孔薄壁結構的防裂限裂理念，即將施工由以溫度控制為中心，轉變到以混凝土連續快速入倉為中心兼顧合理分倉和注意溫控的防裂施工理念上來，使其貫徹于施工全過程。為此，工程施工做以下布置。

2.1 建立可控的混凝土生產、運輸、布料并且連續快速入倉施工系統

(1)設置建造一個長×寬×高=40×34×2m的儲料倉，該料倉一次儲存砂石料2700m3，儲料倉下設兩條長×寬×高=44×3×3．7m的取料地壟。(2)設置建造長×寬×高=10×5×4m的水池，及外加劑溶液池各一個，它們一次儲備量分別是200m3和6m3。(3)設置建造一座配置2×1．5m3強制式攪拌機組，4個一次合計儲備量150t的水泥、粉煤灰罐的自動化混凝土攪拌站。(4)設置建造四套各長100m的皮帶機為攪拌站運送砂石料。(5)設置建造一條自攪拌站出料口至主皮帶之間的副皮帶，長度60m；設置建造一條貫通并與1～18節明挖暗涵軸線平行的主皮帶，長度360m，負責運送由副皮帶機送來剛出機的塑態混凝土至起重布料機布料。(6)建造一個自行式的起重布料機系統，包括軌道、動力機組、布料機和控制系統，它能承擔1～18節的鋼筋模板等物料吊裝就位，并能將主皮帶機運來的混凝土分布到每一個澆筑點。(7)建立一個計算機控制系統，管控混凝土生產、運輸、布料、澆筑運行全過程的數據輸入輸出和數據誤差顯示及運行監控。(8)組建一個有一定規模的能滿足混凝土拌合站和澆筑生產質量檢測的現場實驗室，其工作狀態與拌合站相同，實行三班倒連續作業。(9)建設一個20m3的空壓站及450m管路系統對混凝土生產澆筑現場供風。(10)建立人、機、信息和科學實驗有機聯動的混凝土生產與供應系統。在項目部統合主持下對整個生產過程切割成三塊，分別由相對獨立的三個專業分公司負責，由實驗室負責質量檢驗。

當上述各部分按計劃組建竣工后，一座集混凝土原材料秤量、投料攪拌、出料、運輸到布料入倉，中間沒有間斷，自動化程度較高，經濟實用的混凝土生產系統即可投入試運行。混凝土從集料、投料攪拌到出料運輸入倉用時約7～8分鐘，實測混凝土入倉速度65m3/h以上，使混凝土層面間歇時間縮短到1．5h以內，有效的解決了因層面覆蓋不及時和薄層澆筑帶來的混凝土初始損傷的難題，對明挖暗涵防裂起到了關鍵性的技術支撐作用。

2.2 古運河明挖暗涵混凝土澆筑施工

2.2.1 混凝土澆筑分層

明挖暗涵施工采用跳倉流水作業法施工，每節暗涵分三次澆筑，第一次澆筑到底板八字以上40cm，第二次澆筑暗涵的側墻至拱腳以下120cm處，第三次澆筑剩余側墻和頂拱。

2.2.2 1#-18#管節暗涵混凝土澆筑方案

(1)底板混凝土澆筑。由于倉面面積較大，采用平鋪法不能滿足混凝土間歇時間的要求，采用臺階法澆筑。其澆筑方法為：從一端向另一端鋪料，邊前進、邊加高，逐步向前推進并形成明顯的臺階，直至把整個倉面澆到收倉高程。在澆筑過程中，臺階層次分明，鋪料厚度為30～50cm；臺階寬度大于1．0m，坡度不大于1：2。

臺階分層厚度：S101段暗涵底板厚度為1．7m，分四層臺階澆筑，分層厚度為：45cm，45cm，40cm，40cm。河道段暗涵底板厚度為1．4m，分三層臺階澆筑，分層厚度為50cm，45cm，45cm。

(2)墻體澆筑方式。洞身側墻及隔墻厚度分別為1．4m(1．3m)、1．2m，采用分層布料澆筑，各側墻均衡上升，分層厚度為30～50cm。在倉內設置溜管，每隔2～3m設置一組，將倉內澆筑面分成幾個區段，每區段內固定澆搗工人。

(3)拱頂混凝土澆筑。順暗涵軸線方向采用平鋪法澆筑，澆筑過程中從拱腳對稱澆筑。分層厚度控制在30cm左右。

3 古運河樞紐明挖段暗涵混凝土結構限裂允許溫差研究

配筋是控制混凝土裂縫的重要手段之一。研究表明，配筋雖然不能阻止裂縫的出現，但可以把無筋混凝土時的單個寬裂縫分散成許多條細微裂縫；鋼筋拉應力越小，意味著裂縫寬度越小。因此限制裂縫寬度的最有效方法是限制鋼筋的拉應力。

對于鋼筋混凝土構件，最大裂縫寬度設計值(kω)可表示為：

式中 β——最大裂縫寬度( ωk)依從于平均裂縫寬度( ωm)的系數。對于荷載裂縫， β取1．7(結構截面最小尺寸大于800mm)或1．3(截面最小尺寸小于300mm)，對于混凝土收縮裂縫可按1．3考慮；Srm——裂縫平均間距。

其中， db——鋼筋直徑(mm)；

k1——考慮鋼筋粘結特性的系數，Ⅱ級鋼筋取0．8，Ⅰ級鋼筋取1．6。對于收縮裂縫，通常要將這個系數再乘以0．8；但對于矩形截面只當其高度小于0．3m時乘以0．8，當截面高度大于0．8m時要乘以0．5；

k2——考慮應變圖形的系數，對于純彎情況取0．5；軸拉情況取1．0；

ρr——鋼筋比，定義為 ρr= As/Acef， Acef是混凝土在將要出現裂縫截面的有效受拉面積， As是布置在這個面積內的鋼筋面積。

εsm——鋼筋的平均拉應變，對于收縮裂縫，由于混凝土在相鄰兩裂縫之間的拉應變已經很小，可忽略不計，則鋼筋的平均拉應變就相當于混凝土自由干縮應變( εf)與混凝土溫降應變( ΔTαt)之和。

暗涵混凝土早期溫度裂縫大多發生于5～20天以內的溫度劇變階段，而后期溫度裂縫大多出現于冬季的持續降溫過程中。研究表明，混凝土的干縮大部分發生于早期溫降以后，且干縮大多只是影響混凝土表層，故對于厚度較大的結構來講可不考慮干縮的影響。針對上述原因，本研究式3-3中可不計自由干縮 εf。

對于本工程，結構拱圈厚1．3m、邊墻厚1．4m和底板厚1．7m；鋼筋直徑拱部內側為28mm、外側25mm，邊墻內側22mm、外側25mm，底板內外均為28mm，主筋間距均為125mm，計算中鋼筋直徑配筋面積均取小者；混凝土熱膨脹系數為8×10-6/℃，考慮徐變效應，計算中取0．8倍數值；根據模型假定條件，結構在收縮變形中可近似假定為軸向受拉狀態，故 k2=1．0， k1=0．8×0．5。根據現行水工混凝土施工規范，在長期多種內外荷載組合作用之下，混凝土裂縫最大允許寬度為0．25mm。則，

拱部：

代入式3-3和式3-1，得=72．77℃。

側墻：

代入式3-3和式3-1，得 ΔT=56．61℃。

底板：

代入式3-3和式3-1，得 ΔT=62．3℃。

對上述計算結果與實測數據綜合研究，考慮古運河明挖暗涵施工期經過兩個冬季易受氣溫驟降的襲擊影響，結構最大允許溫降按50．0℃控制。

4 防裂限裂綜合技術成果

南水北調中線古運河樞紐明挖段暗涵超靜定大型鋼筋混凝土結構的防裂限裂綜合技術，形成以下主要技術成果：(1)古運河樞紐明挖段暗涵施工，采用了計算機控制地壟取料、秤量、集料、攪拌、皮帶機輸送、自行式布料機的大型混凝土工程一體化連續施工系統裝置，兼顧嚴格控制入倉澆筑溫度措施，入倉速度達65m3/h以上，混凝土澆筑溫度小于26℃，從而有效縮短混凝土層面間歇時間，避免了混凝土澆筑期初始損傷及其蔓延發展。工程完工至今已經7年，未發現裂縫，工程防裂效果明顯。從而形成了一套大型多孔薄壁鋼筋混凝土結構暗涵施工防裂限裂綜合技術。(2)首次提出了一套暗涵防裂、限裂溫差控制標準為溫差△T=50．0℃，根據此溫降標準對判別或者掌握此類工程的裂縫防控能力提供技術支持。

[1]勞道邦,程雅斌.古運河樞紐明挖段暗涵的防裂限裂溫度控制研究.南水北調與水利科技,2009(2).

[2]水利部.《水工混凝土結構設計規范》SL/T191-96.

[3]水利電力部.《水工鋼筋混凝土結構設計規范(試行)》SDJ20-78.

[4]水利電力部.《水工混凝土施工規范》SDJ207-82.

[5]水利電力部.《水工建筑物抗冰凍設計規范》SL211-98.

[6]水利部河北水利水電勘測設計研究院.《南水北調中線京石段應急供水工程(石家莊至北拒馬河段)古運河樞紐初步設計報告》,200309.

趙明(1978—),男,水利水電工程本科,高級工程師,技術成果主要完成者。