緩凝混凝土在軌道交通工程HPE樁基中的應用研究

張漢昌

（中鐵十八局集團第四工程有限公司 天津 300222）

HPE[1]（Hydraulic pressure、Perpendicular、Embed）是一種施工工法，叫液壓垂直插入法，是指采用全液壓套管機和自動定位器完成鋼管柱的吊裝、垂直插入和核心混凝土澆筑，并對鋼管柱進行適時保護的整套工法[2]。其中間樁柱HPE施工工序[3]：①灌注樁混凝土澆筑完成；②HPE垂直插入機就位對中；③調整HPE垂直插入機水平度；④吊裝鋼管柱；⑤HPE插入機液壓插入鋼管柱；⑥鋼管柱四周回填砂碎石；⑦下放鋼管柱內鋼筋籠并澆注混凝土；⑧拆除送柱標準節，HPE垂直插入機移位；⑨碎石或砂回填柱頂至地面拔除鋼護筒。 施工順序中灌注樁混凝土要求[4]:考慮插入永久性鋼管的需要，灌注樁的混凝土要有不小于36 h的緩凝時間，同時要求混凝土運輸至插入永久性鋼管柱時間段內的坍落度不少于10 cm；混凝土運輸時間按l h計算，灌注時間按3～4 h計算，HPE垂直插入機就位按3 h計算。插入鋼管柱時間[5]按5～7 h計算，合計時間約14 h。考慮其他原因混凝土16 h后在不添加任何外加劑的情況下，二次攪拌坍落度應不小于10 cm；為保證16 h后混凝土不分層離析有較好的和易性，粗骨料易采用5-25 mm連續級配的碎石。

1 工程概況

石家莊新客站地鐵站緊鄰石家莊新客站東側，為2號線和3號線換乘站，3號線在上，2號線在下。2號線位于石家莊新客站與站東廣場之間，呈南北走向，為地下三層島式車站。3號線位于石家莊新客站站房和站東廣場地下停車場下，呈東西走向，與石家莊新客站東廣場合建，其中地下一層為石家莊站出站通道和站東廣場地下停車場，地下二層為3號線站廳層和站臺層。

因2號線開挖深度深、施工難度大及施工周期長，為滿足東廣場整體工期要求。根據目前的實際情況，需在2、3號車站換乘節點處施做臨時封堵樁（如圖1所示），將2號線車站分成三段（南段、換乘節點段、北段）施工，其中南段、北段負一層采用明挖順做法施工，負二、三層采用蓋挖逆做法施工，換乘節點段地下三層采用明挖順作法施工。蓋挖區立柱采用HPE工法進行施工。

2 試驗

圖 1 石家莊地鐵圍護結構平面圖

2.1 試驗方案比選

石家莊新客站下城市軌道交通預留工程C標段2號線車站南北兩側HPE樁（32根）采用HPE工法施工，為滿足施工工藝要求， HPE樁對灌注樁的混凝土凝結時間有較高的要求。

水下灌注混凝土施工因不具備振搗條件，所以要靠混凝土自身重量產生流動。若混凝土的流動性較差，就會造成灌注困難、堵管，無法正常灌注，甚至會出現斷樁，引發質量事故及較大的經濟損失。工程要求混凝土在灌注前，坍落度適宜。同時，水下灌注混凝土要有較好的粘聚性和保水性，以防止在灌注過程中，因混凝土的離析、泌水出現的碎石在導管中局部集結造成“卡管” 而引發質量事故。混凝土必須要有一定緩凝時間，同時要求混凝土出場時間至插入永久性型鋼柱時間段內混凝土的坍落度適宜（混凝土運輸時間按1小時計算，混凝土灌注時間按3-4小時計算，HPE垂直插入機就位按3小時計算，插入型鋼柱時間按5-7小時計算，合計時間約14小時）。

水下灌注樁基緩凝混凝土一方面要求混凝土早期要有較長的凝結時間，另一方面混凝土又必須有足夠的后期強度，根據相關規范要求，水下灌注樁基緩凝混凝土必須達到設計強度的1.15倍，因此設計了三種方案進行比選。

方案一：普通混凝土中外摻緩凝劑

表1 外摻緩凝劑方案實驗結果

選用經工程實踐效果較好的配合比作為基礎配合比，在此配合比中外摻加入CA-100B型緩凝劑，調整緩凝劑的摻入量為0.5%，1.0%，1.5%進行對比試驗。實驗過程及結果如下表1、圖2所示。

圖2 混凝土和易性測試

從試驗結果中可知，通過外摻緩凝劑能有效延長混凝土的凝結時間，但隨著緩凝劑摻量的增加混凝土坍落度逐漸增大，外摻量超過一定限度時和易性變差，混凝土凝結時間不再繼續增長。但即使凝結時間最大值為16.5小時，仍不能滿足14小時時混凝土坍落度大于120mm。因此不予采用這種方案一。

方案二：增加現有減水劑用量。

選用方案一中的基礎配合比，采用AN4000聚羧酸高性能減水劑，摻量調整范圍為2.0%、2.2%、2.5%、3.0%。具體試驗結果如下表2所示：

表2 減水劑摻量調整實驗結果

經過上述試驗發現，單純增加減水劑摻量效果要比方案一中外摻緩凝劑的效果還差，同樣存在達到一定限度后，隨著摻量的增加混凝土和易性變差，當摻量增大到3.0%混凝土泌水嚴重，存在離析現象，且14小時時坍落度已不滿足目標要求。故方案二不予采用。

方案三：采用復合型外加劑配制C40緩凝混凝土。

根據以上兩種方案的結果，將方案調整為通過摻加復合型外加劑來達到試驗預期效果。結合石家莊地方材料的特點，采用摻入復合型高效減水劑配制緩凝混凝土。通過對水膠比、水泥用量和砂率等影響混凝土強度和工作性能的因素分析，確定出混凝土的配合比。

2.2 原材料

水泥（P.O 42.5），購自鹿泉市金隅水泥廠；細骨料，采用河北正定Ⅱ區中砂；粗骨料，采用井陘生產的5-25mm連續級配的碎石；摻合料，使用的是石家莊上安Ⅰ級粉煤灰和冀泰S95礦粉；外加劑，采用YD-A2混凝土復合型外加劑。

2.3 配合比設計

根據《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ 55-2011）進行了C40混凝土基準配合比計算。基準配合比為水膠比W/J=0.37，水泥∶細骨料∶粗骨料∶粉煤灰∶礦粉∶外加劑∶水=289∶783∶997∶101∶69∶14.2∶160。

根據基準配合比試拌了20 L拌合物，其坍落度為210 mm，滿足施工和易性要求，且粘聚性及保水性均良好，體積密度為2413 kg/m3。在基準配合比的基礎上增減0.05的水膠比，同時砂率增減1%，得到以下配合比，如表3所示：經過試配，結果如表4所示。

表3 不同水膠比每立方米混凝土材料用量

表4 不同水膠比條件下試配結果

由實驗結果可知，調整水膠比以后，坍落度增大，凝結時間延長、強度雖有所降低，但仍能滿足工程要求（如圖3、4所示）。水膠比增大影響著混凝土的強度、耐久性、和易性。對于預拌混凝土來說，由于是集中攪拌，生產用混凝土配合比是在原設計配合比的基礎上，按砂石含水率和砂含石率調整后形成的生產配合比輸入計算機，經準確稱量各原材的用量后攪拌生產的，能保證混凝土的質量要求。

圖3 0h時混凝土和易性情況

圖4 14h后混凝土和易性情況

2.4 結果分析并確定配合比

在試配結果基礎上，根據經濟性比選來最終確定工程最終采用的配合比，比選內容如表5所示。根據表5的比選結果，綜合試配試驗結果，能夠滿足施工質量又經濟合理的配合比為水膠比0.37，即水泥∶細骨料：粗骨料∶粉煤灰∶礦粉∶外加劑∶水=289∶783∶997∶101∶69∶14.2∶160。并將此配合比作為石家莊新客站下城市軌道交通預留工程施工中，C40緩凝混凝土樁基的施工配合比。

表5 配合比經濟性比選表

3 工程應用

石家莊新客站下城市軌道交通預留工程在施工中使用了C40緩凝混凝土樁基，成功將型鋼柱插入緩凝混凝土樁基中，并且澆筑過程中都進行了坍落度檢測，緩凝效果及和易性控制良好，沒有出現很大變化，始終保持平穩（如圖5、6所示）。待型鋼柱順利插入樁基后，對緩凝混凝土的凝結時間進行監測，監測結果顯示符合初期設定目標要求，整個過程HPE樁基的專業施工設備使用效率較高，施工過程未出現工期延誤現象。第三方實驗室出28天抗壓強 度超過了46MPa，達到了試驗配合比強度要求。

圖 5 緩凝混凝土施工

圖 6 型鋼柱順利插入緩凝混凝土樁基

實際施工數據與試驗數據對比如表6所示。實際澆筑緩凝混凝土的凝結時間較試驗階段采集的數據短，28天抗壓強度略高，分析可能施工現場的溫差變化較試驗室內溫差變化大，另外實際施工時大方量混凝土產生的水化熱較試驗室內拌制混凝土產生的水化熱多，從而導致混凝土強度有所提高。在后續樁基的施工中發現晝夜溫差對混凝土和易性有一定影響，根據實際情況在施工現場對混凝土微調，保證了HPE樁基順利完成。

表6 實際施工數據與試驗數據對比表

4 結論

軌道交通工程HPE樁基工程造價遠高于普通樁基，且HPE樁基對施工質量要求極為嚴格，一旦緩凝混凝土凝結時間過短，會造成型鋼柱無法插入樁基中，將直接導致該樁基作廢，其后果將極其嚴重，會造成嚴重的經濟損失。因此，從灌注樁的混凝土澆筑完成至型鋼柱下插至設計標高和位置這段時間混凝土不能凝結；并且混凝土凝結時間不宜過長，一旦凝結時間過長，會造成型鋼柱穩定設備占用時間過長，影響工程工期。故使混凝土具有足夠的緩凝時間是該工法順利使用的關鍵所在。使用緩凝混凝土作為樁基材料，可保證型鋼柱很好的插入緩凝混凝土樁基中，緩凝混凝土的凝結時間符合初期設定目標要求，滿足了HPE工法的正常實施。