深中通道鋼殼管節(jié)自密實混凝土制備及澆筑技術

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. 中交第四航務工程局有限公司， 廣東 廣州 510230)

0 引言

隨著我國社會、經濟的發(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構[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構的沉管隧道，為應對大埋深、重荷載作用，采用了高強度混凝土、超厚結構板及大配筋量等多項設計措施，對隧道結構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構，與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土沉管結構相比，具有預制場地選址靈活(鋼殼預制與混凝土澆筑分離)、管節(jié)防水性能優(yōu)(鋼殼整體外包)、預制工期短(無裝拆模作業(yè))、不均勻沉降適應性好等優(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屬首次應用，在國際上屬首次大規(guī)模應用。工程規(guī)模、技術標準、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，提高結構承載能力。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量的關鍵。

1 深中通道鋼殼管節(jié)自密實混凝土配制技術

1.1 工程特點與難點

鋼殼混凝土管節(jié)采用雙層鋼殼內部填充混凝土的結構形式，混凝土需要在無振搗的條件下在鋼殼內依靠自身流動性和填充性形成密實結構，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)制作的一項關鍵工作。由于鋼殼混凝土沉管在我國還沒有實際工程的應用，鮮有關于鋼殼自密實混凝土的研究和應用的報道，因此，相關的研究工作具有較高的探索性。首先，鋼殼混凝土管節(jié)這種特殊的結構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)特殊結構的鋼殼自密實混凝土的配制技術需要探索。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，以起到應有的結構受力作用。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《自密實混凝土設計與施工指南》、CECS 203—2006《自密實混凝土應用技術規(guī)程》和JGJ/T 283—2012《自密實混凝土應用技術規(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。考慮到施工過程中現(xiàn)場測試的適用性和質量控制的需要，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指標。在室內研究過程中，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。

鋼殼沉管倉隔內沒有布置鋼筋，但是設置有扁鋼和角鋼。混凝土要填充扁鋼、角鋼和鋼板之間的空間，需要具備一定的流動性和填充性。綜合考慮國外技術調研結果、我國標準規(guī)范的相關規(guī)定和鋼殼管節(jié)倉隔的結構特征，結合現(xiàn)場施工過程中質量控制的可行性，確定鋼殼自密實混凝土的基本性能需求和施工關鍵控制指標，如表2所示。

1.3 混凝土配合比設計

自密實混凝土的工作性能與膠凝材料用量有關，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。在此基礎上，加入復合型膨脹劑，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)結構中，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內收縮值測試結果如圖1所示。根據(jù)收縮發(fā)展曲線，自密實混凝土90 d內收縮值接近200×10-6。此外，管節(jié)倉隔結構中設置有L型肋，該結構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測研究

為預測混凝土的收縮變形，近年來國內外標準規(guī)范和學者提出了多個混凝土收縮計算模型，不同模型的適應情況分析如表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)復摻礦粉和粉煤灰混凝土的自收縮預測研究結果，考慮到現(xiàn)有經典模型對于混凝土自收縮預測的基本方程，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的修正系數(shù);β(t)為與初凝時間有關的修正系數(shù);c為與約束有關的修正系數(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)倉隔內的1年期(365 d)收縮進行計算，其結果為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

跨海隧道結構鋼殼沉管作為一種新穎的設計，其混凝土材料應用及預制工藝均與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土沉管結構有著顯著的差異，且尚未在我國大型工程中應用。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鍵技術，是實現(xiàn)管節(jié)高品質、高工效預制的關鍵。

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部的填充料，為保證混凝土澆筑后在鋼殼內有較高的填充率，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整為30 cm，作為澆筑結束條件。

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。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、排氣管設置

神戶港港島鋼殼管節(jié)倉隔下料孔、排氣孔設置如圖5所示。該鋼殼管節(jié)倉隔下料孔設置在倉隔中間部位，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。為了使倉隔內空氣有效排出，結合混凝土流動規(guī)律，深中通道鋼殼管節(jié)優(yōu)化了工藝孔的合理構造，每個倉隔頂板排氣孔數(shù)量由原設計的8個調整為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構布置圖(單位： mm)

2.4 肋板通氣孔設置

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。

在對國外相關資料研究的基礎上，結合肋板受力規(guī)范(孔洞高度不超過肋板高度1/2)，得到了以下參數(shù)設置：為降低肋板對混凝土的阻隔影響，在角鋼上設置通氣孔，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肋通氣孔位置調整至與T肋緊挨，厚薄鋼板拼接處增設小通氣孔。T排氣孔間距設為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、高工效預制。管節(jié)預制前的模型試驗，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，測試結果如表5所示。結果表明，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)場混凝土生產過程中，自密實混凝土的泵送和入模流暢，質量可控，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果如表6所示。根據(jù)抗壓強度結果，所有倉隔的芯樣混凝土抗壓強度均滿足設計強度要求。對單個倉隔不同高度處芯樣強度測試結果進行分析，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。結果表明，6#倉隔的自密實混凝土較其他倉隔混凝土勻質性略差，1#、3#、7#、8#倉隔混凝土的勻質性均良好。

表6 混凝土芯樣強度測試結果

3.3 自密實混凝土澆筑質量

對模型試驗頂部500 mm×527 mm區(qū)塊內脫空大于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。經統(tǒng)計計算，頂面區(qū)塊內脫空面積為7 620 mm2，即該區(qū)域內的脫空面積率為2.89 %。

取芯混凝土的內部形貌如圖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，對自密實混凝土內部勻質性進行判斷。觀察結果表明，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 結論與討論

1)在調研分析和試驗研究的基礎上，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)配合比設計結果表明，以大摻量粉煤灰和小摻量礦粉復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)試驗結果和模型預測，鋼殼自密實混凝土在管節(jié)倉隔內的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量的主要因素之一，通過設置合理的澆筑速度、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部勻質性好，填充密實。

深中通道鋼殼混凝土沉管隧道結構在國內屬于首次應用，在充分調研國內外標準規(guī)范和工程案例的基礎上，通過試驗研究，形成了一整套工藝技術，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。