微膨脹自密實混凝土在敦化電站平洞段鋼襯中的試驗應(yīng)用

陳建龍，李世斌，張建軍，董麗榮

（中電建建筑集團有限公司，北京100120）

1 概述

敦化抽水蓄能電站引水系統(tǒng)工程是樞紐工程關(guān)鍵線路，1#、2#高壓管道中平段長度均為1053.19m，全部采用鋼板襯砌。目前，技術(shù)上制約工期進度的主要為高壓管道中平段壓力鋼管回填灌漿和鋼襯接觸灌漿，本工程中平段鋼襯所用鋼材均為600MPa 級、800MPa 級高強鋼，在施工過程中，不允許在鋼板上開孔，必須采用預(yù)埋灌漿管的傳統(tǒng)施工方法進行灌漿，根據(jù)《水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范》DL/T5148 要求，回填灌漿應(yīng)在襯砌混凝土達70%強度設(shè)計強度后進行，鋼襯接觸灌漿宜在襯砌混凝土澆筑結(jié)束60 天后進行，且每個回填灌漿區(qū)段長度不宜大于3 個襯砌段，若灌漿區(qū)段太長，混凝土內(nèi)埋管過多，不僅影響灌漿質(zhì)量，而且對混凝土本身施工質(zhì)量也有很大影響，嚴重制約施工進度，迫切需要研究施工方法和新型材料。本文以研究自密實混凝土[1]材料作為重點，從源頭上解決混凝土與圍巖、混凝土與鋼襯之間縫隙的問題。

2 研究基本理論

地下埋管結(jié)構(gòu)由鋼管、混凝土襯圈和圍巖組成，地下埋管縫隙分布簡圖見圖1。從縫隙分布位置劃分，鋼管與混凝土襯圈之間存在縫隙δ21，混凝土襯圈與圍巖之間存在縫隙δ22。

從縫隙形成原因分析：

式中：δb為施工縫隙值（mm）；δs為鋼管冷縮縫隙值（mm）；δr為圍巖冷縮縫隙值（mm）。

圖1 地下埋管縫隙分布簡圖

（1）施工縫隙δb。施工縫隙由混凝土和灌漿漿液收縮及施工不良造成，其數(shù)值大小主要取決于施工質(zhì)量。如混凝土襯砌澆筑密實，并進行可靠的回填和接觸灌漿，可取δb=0.2mm。

（2）鋼管冷縮縫隙δs。鋼管通水后，因水溫較低，由鋼管冷縮而形成的鋼管與混凝土襯砌間的縫隙。

a.最低運行溫度情況：

式中：δs1-最低運行溫度情況下的鋼管冷縮縫隙值（mm）；ΔTs-鋼管起始溫度減去最低運行溫度所得的差值（℃），起始溫度可近似用平均地溫，最低運行溫度可近似用最低水溫；αs-鋼材線膨脹系數(shù)（1/℃）；r-鋼管內(nèi)半徑（mm）；υs-鋼材泊松比。

b.最高水溫情況：

式中：δs2-最高水溫情況下的鋼管冷縮縫隙值（mm）；ΔTs1-鋼管起始溫度減去最高水溫所得的差值（℃），可為負值。

（3）圍巖冷縮縫隙δr：

式中：ΔTr-洞壁表面巖石起始溫度減去最低溫度所得的差值（℃），可近似用平均地溫減去最低三個月平均水溫所得的差值；αr-圍巖膨脹系數(shù)（1/℃）；r5-混凝土襯砌外半徑（mm）；Ψr-圍巖破碎區(qū)相對半徑影響系數(shù)（1/℃），由r6/r5值取得，Ψr與r6/r5的關(guān)系曲線見圖2；r6-圍巖破碎區(qū)外半徑（mm），堅硬完整圍巖可取r6=r5，破碎軟弱圍巖可取r6=7r5，中等圍巖內(nèi)插選取。

圖2 Ψr 與r6/r5 的關(guān)系曲線

（4）根據(jù)國內(nèi)外的工程經(jīng)驗，混凝土襯圈與鋼管、圍巖間的累計縫隙δ2建議取值為：δ2=（3.5～4.3）×10-4r

敦化電站高壓管道δ2取值按4.0×10-4r 進行計算。

根據(jù)高壓管道回填混凝土試驗的監(jiān)測資料可以算出δs、δr的值，通過以上公式可算出施工縫隙值的允許范圍。

通過對現(xiàn)場的回填混凝土試驗，確定符合施工縫隙值要求的新型混凝土配合比方案，取消壓力鋼管底部接觸灌漿，以解決現(xiàn)場由于接觸灌漿引起的施工工期較長問題。

3 回填混凝土試驗方案

根據(jù)高壓管道回填混凝土的施工要求，為保證混凝土與鋼襯及圍巖的縫隙值盡可能的小，首先選擇微膨脹混凝土，以減少混凝土自身的收縮變形；其次要易于施工，減少由于施工場地原因造成的施工過程中的振搗不密實導(dǎo)致的混凝土內(nèi)存在氣泡的施工缺陷。基于以上原因，選擇自密實混凝土作為本次試驗的基本材料[2]。

3.1 回填混凝土配合比試驗

3.1.1 試驗內(nèi)容

（1）混凝土原材料性能檢測；

（2）混凝土配合比試驗；

（3）混凝土性能試驗。

3.1.2 回填混凝土技術(shù)指標要求

（1）強度等級：C2825；

（2）抗凍等級：F50；

（3）強度保證率：95%；

（4）抗?jié)B等級：W6。

3.1.3 回填混凝土的施工要求

（1）骨料最大粒徑：20mm，一級配；

（2）混凝土抗壓強度標準差：σ=4.0MPa；

（3）混凝土塌落擴展度：60～75cm；

（4）混凝土膨脹率：0～0.25‰；

（5）混凝土抗離析率：≤10。

3.1.4 配合比選擇試驗

首先根據(jù)《水工混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》（DL/T 5330）內(nèi)容，對混凝土配合比原材均進行檢測，過程不再贅述，然后進行混凝土強度的計算，根據(jù)《自密實混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T 283）進行混凝土拌合物中粗骨料體積、砂漿中砂的體積分數(shù)、水膠比、膠凝材料用量、礦物摻和料的比例等參數(shù)的設(shè)計。

我部委托北京中電投公司對配合比進行了試驗，最終優(yōu)選4 組配合比，具體數(shù)據(jù)見表1。

3.1.5 混凝土性能試驗

對推薦配合比的混凝土進行性能試驗：包括混凝土拌和物塌落擴展度和擴展時間試驗，離析率篩析試驗，泌水率試驗，含氣量試驗，容重試驗，凝結(jié)時間試驗，混凝土抗壓強度試驗，劈裂抗拉強度試驗。

我部委托珠江水利科學(xué)研究院駐敦化電站第三方試驗室進行了上述各項試驗，試驗成果均滿足《水工混凝土試驗規(guī)程》（DL/T 5150）、《水工混凝土施工規(guī)范》（DL/T 5144）、《自密實混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T 283）的規(guī)定內(nèi)容。

3.2 壓力鋼管回填混凝土施工

3.2.1 試驗段位置

根據(jù)高壓管道中平段開挖支護施工情況，以及壓力鋼管制作情況，選定四段試驗段，每段長12m，共計48m，作為壓力鋼管回填混凝土試驗任務(wù)的試驗段。

試驗段內(nèi)圍巖類別為Ⅱ類，壓力鋼管壁厚均為42mm，斷面類別相同。試驗段一壓力鋼管管節(jié)編號為Ⅱ329～Ⅱ332，試驗段二壓力鋼管管節(jié)編號為Ⅱ325～Ⅱ328，試驗段三壓力鋼管管節(jié)編號為Ⅱ321～Ⅱ324，試驗段四壓力鋼管管節(jié)編號為Ⅱ317～Ⅱ320。巖壁及貼壁排水安裝不變。

為便于實時掌握鋼襯與回填混凝土、圍巖的縫隙變化情況，分別在Y2 1+785.620、Y2 1+773.635、Y2 1+761.650、Y2 1+749.665 樁號處的四個斷面布置了監(jiān)測儀器，每個斷面的頂拱及底板處均布置了單向測縫計（振弦式，量程：0～50mm；靈敏度：0.025%F.S，非線性≤0.5%F.S，溫度范圍-20℃～+80℃，耐水壓：2.0MPa）。

試驗段監(jiān)測儀器布置縱剖面圖見圖3，監(jiān)測儀器布置橫剖面見圖4。

3.2.2 回填混凝土施工

根據(jù)混凝土配合比試驗確定的四種混凝土配合比方案，分別對應(yīng)于四條試驗管段進行壓力鋼管混凝土回填。

（1）澆筑準備

混凝土澆筑前，針對澆筑倉面的具體情況做好倉面設(shè)計，主要包括：鋼管安裝的施工措施計劃、倉面特性分析、明確質(zhì)量技術(shù)要求、施工方法、資源配置以及質(zhì)量保證措施等。

表1 優(yōu)選配合比

圖3 試驗段監(jiān)測儀器布置縱剖面圖 單位：mm

圖4 試驗段監(jiān)測儀器布置橫剖面圖 單位：mm

（2）澆筑實施

a.壓力鋼管回填混凝土以12.0m 作為一個回填單元進行施工。

b.澆筑時，由拱頂分兩側(cè)進入倉面，在底拱下料時必須采用單側(cè)下料另一側(cè)引料，澆至底拱90 度以上后，再由拱頂分兩側(cè)下料，均勻上升至覆蓋整個澆筑段鋼管，以保證底拱不出現(xiàn)脫空。為了確保鋼管在澆筑時不發(fā)生變位，在澆筑前，除用角鋼焊接在安裝錨桿上對鋼管進行固定外，還應(yīng)增加臨時支撐對頂拱180°范圍內(nèi)鋼管外壁采用許可的鋼材以加強對鋼管的加固，混凝土澆筑至臨時支撐位置時拆除。澆筑過程中應(yīng)控制倉內(nèi)混凝土的上升速度。

回填混凝土澆筑至鋼管頂拱以上時，應(yīng)采取加固措施對頂拱倉面進行封閉，混凝土泵出口壓力應(yīng)不大于0.3MPa，確保頂拱混凝土回填密實。施工時應(yīng)嚴格控制混凝土的坍落擴展度，保證其有良好的性能，試驗段自密實混凝土入倉前塌落度試驗情況見圖5。混凝土入倉后的平倉嚴格按規(guī)范要求進行操作，試驗段自密實混凝土入倉前塌落擴展度試驗情況見圖6。根據(jù)鋼管的承載能力控制混凝土的澆筑速度，混凝土分層、平起、對稱地澆筑，各層澆筑的時間間隔不超過允許時間間隔。

c.當定位節(jié)鋼管外回填混凝土的抗壓強度達到75%以上時，開始下一管節(jié)的安裝。上一倉混凝土回填灌漿完畢后，方可進行下一倉混凝土的澆筑。鋼管外新澆筑的混凝土抗壓強度達到5MPa 以上時，方可繼續(xù)安裝鋼管。

2018 年4 月26 日～6 月17 日，分別對四個試驗段進行了混凝土澆筑。

圖5 試驗段自密實混凝土入倉前塌落擴展度試驗情況

圖6 試驗段自密實混凝土入倉情況

試驗段一～試驗段四自密實混凝土入倉前的塌落擴展到均在72cm 左右，滿足65～75cm 的要求。混凝土入倉前的氣溫均在15℃左右。

3.2.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)

對于在每個回填混凝土單元中布置的測縫計，每隔3～5 天記錄一次監(jiān)測數(shù)據(jù)。以下是中國電建集團東北勘察設(shè)計研究院駐敦化電站項目部出具的部分監(jiān)測數(shù)據(jù)分別見表2、表3 及圖7。

4 試驗數(shù)據(jù)分析

根據(jù)四組混凝土配合比方案在試驗段的施工質(zhì)量情況、測縫計監(jiān)測情況，分析高壓管道回填自密實混凝土取消接觸灌漿及回填灌漿的可行性。

4.1 施工質(zhì)量分析

（1）根據(jù)第三方試驗室的檢測結(jié)果，四組回填混凝土在28 天齡期內(nèi)均達到設(shè)計強度。

（2）通過對倉面混凝土的表面觀測，混凝土表面沒有產(chǎn)生裂縫。鋼襯與混凝土之間、混凝土與頂拱圍巖之間肉眼均無法觀測到縫隙。

混凝土施工質(zhì)量良好。

4.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

根據(jù)公式（2）、（3）、（4）中的計算公式確定δs、δr。

（1）最低運行溫度情況：δs1=ΔTsαsr（1+υs）

（2）圍巖冷縮縫隙δr：δr=ΔTrαrr5Ψr

αs-鋼材線膨脹系數(shù)（1/℃），取1.2×10-5/℃；r-鋼管內(nèi)半徑（mm），本次試驗段鋼管內(nèi)半徑為2700mm；υs-鋼材泊松比，取0.3；αr-圍巖膨脹系數(shù)（1/℃），試驗段圍巖為正長花崗巖，取3.5×10-6/℃；r5-混凝土襯砌外半徑（mm），為3300mm；r6-圍巖破碎區(qū)外半徑（mm），試驗段為Ⅱ類圍巖可取r6=3r5；Ψr-圍巖破碎區(qū)相對半徑影響系數(shù)（1/℃），由r6/r5值查圖取1.5。

根據(jù)施工期觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計計算，9 月份的平均地溫為11.74℃，5 月～8 月的平均地溫為13.89℃，則年平均地溫為12.46℃。

根據(jù)額穆氣象站統(tǒng)計的氣象資料，多年極端最低氣溫為-39.4℃，多年月平均最高溫度是7 月的20.4℃。故運行期上、下水庫庫周冰蓋現(xiàn)象嚴重，庫內(nèi)水溫接近0℃，計算中最低水溫取0℃。最低三個月平均水溫同樣取0℃。運行最高水溫可近似取20.4℃。

由此計算：

δs取δs1和δs2中的大值0.525mm 進行計算，δr取0.216mm，δ2按4.0×10-4r 進行計算為1.08mm，由此得出施工縫隙δb最大允許值為0.339mm。

根據(jù)斷面1～斷面4 的監(jiān)測數(shù)據(jù)，布置在頂拱的Jyd5-1、Jyd6-1、Jyd7-1、Jyd8-1 四只測縫計的平均數(shù)值分別為0.66mm、1.05mm、0.82mm、1.13mm，均大于施工縫隙δb與圍巖冷縮縫隙δr之和0.555mm。故高壓管道頂拱回填混凝土與圍巖間的縫隙必須進行回填灌漿處理。

表2 單向測縫計安裝位置及參數(shù)

表3 斷面1 測縫計監(jiān)測成果

圖7 斷面4 測縫計變化過程線

根據(jù)斷面1～斷面4 的監(jiān)測數(shù)據(jù)，布置在鋼襯底拱的Jyd5-2、Jyd6-2、Jyd7-2、Jyd8-2 四只測縫計的平均數(shù)值分別為0.42mm、0.25mm、0.30mm、0.26mm，最大數(shù)值分別為0.53mm、0.31mm、0.39mm、0.30mm，除斷面1 的最大監(jiān)測數(shù)據(jù)稍大于鋼管冷縮縫隙δs0.525mm 外，其余數(shù)據(jù)均小于δs。

但根據(jù)接縫開度隨溫度的變化趨勢來看，隨著溫度的降低，接縫開度也逐漸增大，基本每降0.4～0.6℃，接縫開度就會增加0.01mm，以此推算，洞內(nèi)氣溫為0℃時，斷面2～斷面4 的接縫開度最大值為0.57mm、0.65mm、0.56mm。大于δs，但小于δs與δb之和0.864mm。

由于目前只是監(jiān)測的施工期的縫隙數(shù)據(jù)，鋼管不受運行期內(nèi)水壓力的影響，鋼管的冷縮縫隙值偏大，氣流交換頻繁，受大氣溫度影響較大，鋼襯冷縮程度較高，但仍然可以不通過進行接觸灌漿就滿足縫隙值要求。

5 回填混凝土試驗成果

（1）從試驗段的施工質(zhì)量分析，自密實微膨脹混凝土能夠有效的降低施工難度，同時由于自密實混凝土流動性較好的特性，對充分發(fā)揮填充功能，而且對施工質(zhì)量的穩(wěn)定性較好。

（2）從試驗段監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，自密實微膨脹混凝土能夠有效的減小混凝土與鋼襯的縫隙值，同時能夠很好的控制自身的干縮變形。同時由于自密實微膨脹混凝土具有對施工質(zhì)量較為穩(wěn)定的控制特性，采用自密實微膨脹混凝土進行高壓管道壓力鋼管回填混凝土，取消接觸灌漿的方案是可行的。但是由于泵送混凝土在施工方法上對回填頂拱部位的混凝土存在先天上的缺陷，使得采用自密實微膨脹混凝土仍然不能取代回填灌漿。

（3）從試驗段的試驗結(jié)果來看，采用編號18、26、30配合比的自密實混凝土，均可以達到取消接觸灌漿的試驗?zāi)康摹?/p>

6 結(jié)束語

引水系統(tǒng)工程是敦化電站樞紐工程的關(guān)鍵線路，若其施工進度滯后，將影響工程發(fā)電工期。目前制約引水系統(tǒng)施工進度的關(guān)鍵項目為中平段的回填灌漿、鋼襯接觸灌漿，若采用自密實混凝土進行高壓管道中平段混凝土回填，將可能大大壓縮壓力管道平段施工工期，為工程如期發(fā)電創(chuàng)造條件。