代敬輝

(中鐵十八局集團(tuán)第五工程有限公司,天津 300459)

以天津市濱海新區(qū)中央大道海河隧道工程為研究背景,管段預(yù)制質(zhì)量受北方水文及區(qū)域氣候影響明顯,給混凝土配比、大型預(yù)制模板體系設(shè)計(jì)與施工、溫控養(yǎng)護(hù)、管段干弦值控制等方面帶來(lái)很大困難。本課題著重從塢底軟基處理、大型模板設(shè)計(jì)與施工、大體積薄壁混凝土結(jié)構(gòu)施工、以及管段干弦值控制等方面進(jìn)行研究,著重突出管段預(yù)制施工關(guān)鍵技術(shù)控制。

1 工程概況

海河隧道工程為國(guó)內(nèi)高震區(qū)第一條沉管隧道,工程在水下22 m環(huán)境下運(yùn)行使用,設(shè)計(jì)使用年限100年,沉管管段設(shè)計(jì)為“兩孔三管廊”結(jié)構(gòu),寬度36.6 m,高度9.65 m,底板厚度1.4 m,頂板厚度1.35 m,外側(cè)墻厚度1 m,中側(cè)墻厚度0.6 m,沉管總長(zhǎng)度255 m,分3節(jié),長(zhǎng)度分別為85、85、(80+5) m,混凝土強(qiáng)度等級(jí)C40,抗?jié)B等級(jí)P10,在軸線干塢內(nèi)進(jìn)行預(yù)制。沉管管段橫斷面如圖1所示。

圖1 沉管管段橫斷面(單位：mm)

2 施工難點(diǎn)分析

工程臨近天津港,地質(zhì)屬于濱海相沉積為主的軟土類土層,主要以回填素土、粉砂土、黏土、淤泥質(zhì)土為主。沉管每節(jié)重約3萬(wàn)t,因此對(duì)管段預(yù)制場(chǎng)所干塢,提出了更高承載力要求,同時(shí)也對(duì)塢底起浮層設(shè)計(jì)提出嚴(yán)格的要求,以便管段的順利起浮。

管段結(jié)構(gòu)防水,以自防水為主,混凝土裂縫寬度小于0.15 mm,在腐蝕性水下22 m環(huán)境下,使用100年,且屬于大體積薄壁混凝土結(jié)構(gòu),每節(jié)管段混凝土用量達(dá)12 000 m3,管段設(shè)計(jì)起浮干弦值在15～25 cm。

綜上所述,如此龐大混凝土結(jié)構(gòu)物,從混凝土施工現(xiàn)場(chǎng)組織與技術(shù)管理,即大體積混凝土防裂、大型模板臺(tái)車設(shè)計(jì)與施工、管段尺寸與混凝土容重控制等方面難度很大,而且風(fēng)險(xiǎn)高。

3 管段預(yù)制軟基處理

干塢在封閉止水帷幕結(jié)合三級(jí)井點(diǎn)降水達(dá)到設(shè)計(jì)要求后,進(jìn)行分層、分塊開(kāi)挖,開(kāi)挖過(guò)程中,采用鋼筋混凝土與打入毛竹抗滑相結(jié)合的方式來(lái)增加邊坡穩(wěn)定性,開(kāi)挖到塢底高程后,采取換填墊層法,進(jìn)行塢底軟基處理。

3.1 塢底管底軟基處理

塢底換填尺寸,總寬度118.8 m,長(zhǎng)度273 m,換填厚度為1 m,基底換填厚度與換填材料,根據(jù)管段重及滿足管段施工、起浮等方面要求進(jìn)行設(shè)計(jì)[2]。

塢底管底換填層結(jié)構(gòu)：大塊石及碎石層、中粗砂倒濾層、鋼筋混凝土板、濾水槽、中細(xì)粒砂層。主要作用有：換填最底層鋪設(shè)的大塊石及碎石,起到保證足夠承載力的作用；設(shè)置中粗砂倒濾層及沿垂直于管段軸線方向每隔一定間距布置1根濾水管,可以起到排除基底地下水的作用；鋼筋混凝土板可以減小管段預(yù)制期間軟弱地基的沉降差；混凝土板沿橫、縱向開(kāi)槽,可以滿足管段放水起浮期間水流順利流入管段底部；換填最頂層粗砂層,可以減小管段底板與混凝土板的吸附力。塢底結(jié)構(gòu)換填見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 濾管段下基底處理 (單位：mm)

圖 3 非濾管段基底處理(單位：mm)

3.2 管段起浮層施工

管段起浮層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：在塢底換填基礎(chǔ)上,設(shè)置縱橫向垂直于管段100 mm×50 mm的濾水槽,并在頂部鋪設(shè)10 mm厚中粗砂層。具體結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖4。

圖4 管段起浮層結(jié)構(gòu)(單位：mm)

管段起浮層施工：在澆筑塢底基礎(chǔ)混凝土頂板時(shí),預(yù)埋[10槽鋼,進(jìn)行100 mm×50 mm的濾水槽的施工,當(dāng)濾水槽與塢底混凝土施工完成后,在槽內(nèi)填充小粒徑瓜子石,再鋪設(shè)1層厚度為10 mm的中粗砂。

起浮層作用：管段起浮階段,干塢灌水后,濾水槽即可成為管段進(jìn)水通路,水可以通過(guò)管段底部濾水槽,迅速進(jìn)入管段底部。10 mm的中粗砂可以減小管段起浮初期與其底部混凝土基礎(chǔ)的吸附力,以便順利起浮。

3.3 干塢通道軟基處理

結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)依據(jù)：塢底道路下地基換填厚度,主要根據(jù)行車荷載及堆放重物荷載計(jì)算,換填厚度只要能保證干塢土方開(kāi)挖及后期管段預(yù)制過(guò)程中道路使用功能即可。

塢底道路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：管段南側(cè)道路寬度設(shè)計(jì)為9.5 m,北側(cè)寬12.5 m,東側(cè)寬10.6 m,西側(cè)寬10.4 m,管段與管段之間道路寬度設(shè)計(jì)為9 m。具體基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖5。

圖5 干塢通道基礎(chǔ)換填處理(單位：mm)

4 沉管管段預(yù)制

沉管管段預(yù)制在干塢內(nèi)完成,主要從大型模板胎車設(shè)計(jì)與施工、混凝土配比、混凝土澆筑施工與養(yǎng)護(hù)技術(shù)、管段尺寸及干弦值控制等方面進(jìn)行控制,以保證管段預(yù)制質(zhì)量。

4.1 大型模板胎車設(shè)計(jì)與施工

4.1.1 管段模板總體設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

原設(shè)計(jì)方案：管段預(yù)制采用組合式鋼模板。12.5 m寬大空間車道內(nèi)模采用門式桁架鋼模,定型組裝,通過(guò)對(duì)拉、抗推連桿與廊道模板體系形成整體。

廊道中隔墻模板采用木膠板加背楞方木,設(shè)防滲對(duì)拉螺栓連接；頂板內(nèi)模及底板倒角內(nèi)模均采用全鋼模板。外側(cè)模采用大塊鋼模,外側(cè)設(shè)型鋼或桁架作為側(cè)向支撐,底部在預(yù)制平臺(tái)上錨固。如圖6所示。

方案優(yōu)化后：外側(cè)墻及底部模板采用定型鋼模板,其余內(nèi)模、頂模均采用木膠板加滿堂腳手架支撐[5]。方案優(yōu)化后,采用滿堂支架模板比采用移動(dòng)胎車門式桁架鋼模節(jié)約成本將近500萬(wàn)元,因3節(jié)管段平行作業(yè)施工,所以管段內(nèi)模采用滿堂支架模板法,在工期上,并不比采用組合胎車鋼模長(zhǎng),而且既經(jīng)濟(jì)、牢固,操作也簡(jiǎn)單。如圖7所示。

圖6 方案優(yōu)化前管段模板體系

圖7 方案優(yōu)化后管段模板體系

4.1.2 管段模板施工

(1)模板分段

管段由于有縱坡,模板按照斜長(zhǎng)進(jìn)行分段,3節(jié)管段模板實(shí)際分段長(zhǎng)度如表1所示。E1、E2、E3管段分段預(yù)制平面見(jiàn)圖8。

表1 沉管管段分段澆筑施工

圖8 沉管管段分段預(yù)制平面(單位：m)

(2)模板分層

管段寬度為36.6 m,高度為9.65 m,分底層和頂層二次混凝土澆筑。第一次澆筑高度3.9 m,其中底板厚1.4 m,側(cè)墻倒角高0.50 m。第二次管段澆筑高度5.75 m,側(cè)墻倒角高0.50 m,頂板厚1.35 m,行車道內(nèi)模二次施工模板高度為4.35 m,即行車道內(nèi)側(cè)墻位置處。

(3)外側(cè)墻與內(nèi)側(cè)模體系設(shè)計(jì)

外側(cè)墻采用鋼模板,分模板與桁架支撐兩部分,模板采用大塊鋼模,鋼模面板為δ=6 mm鋼板,加勁楞為[100,間距為50 cm,標(biāo)準(zhǔn)塊模板寬度為2.25 m。第一次澆筑部分模板高度為4 m,第二次澆筑部分模板為3 m和2.65 m。

內(nèi)側(cè)墻及中隔墻模采用木膠板,木膠板厚度為18 mm,模板次楞采用100 mm×100 mm方木,間距為300 mm,結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖9。

圖9 外側(cè)模及桁架支撐斷面

(4)第一次澆筑混凝土模板支架體系施工

第一次澆筑高度3.9 m,其中底板厚1.4 m,側(cè)墻倒角高0.50 m。模板施工主要包括：管段側(cè)墻模模板；管廊側(cè)墻內(nèi)模；行車道側(cè)墻內(nèi)模板。管段側(cè)墻模板采用組合鋼模板,使用型鋼與桁架作為支撐加固,內(nèi)模采用支架法與竹膠模板相結(jié)合方式,使用對(duì)拉、內(nèi)頂方式加固。

(5)第二次澆筑混凝土模板體系施工

第二次管段澆筑高度5.75 m,側(cè)墻倒角高0.50 m,頂板厚1.35 m,行車道內(nèi)模二次施工模板高度為4.35 m,即行車道內(nèi)側(cè)墻位置處。模板施工主要包括：邊管廊側(cè)墻內(nèi)模；行車道側(cè)墻內(nèi)模；中間管廊側(cè)墻內(nèi)模。內(nèi)模板均采用支架法與竹膠板相結(jié)合的支撐體系,使用對(duì)拉,內(nèi)頂?shù)姆绞郊庸?。?nèi)模施工,行車道中間管廊內(nèi)模施工示意見(jiàn)圖10。

圖10 行車道中間管廊內(nèi)模板安裝立面(單位：mm)

4.2 沉管混凝土配比設(shè)計(jì)

沉管隧道混凝土設(shè)計(jì)指標(biāo)要求：混凝土強(qiáng)度等級(jí)C40和抗?jié)B指標(biāo)P10；混凝土含堿量≤3 kg/m3；混凝土重度2 350 kg/m3；混凝土中引入的水溶性氯離子總量≤膠凝材料質(zhì)量0.1%及混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)≤4.0×10-12m2/s。

根據(jù)工程環(huán)境以及結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)性能指標(biāo)要求,對(duì)從混凝土水膠比、原材料水泥、粗集料、混凝土重度、外加劑、摻和料等方面進(jìn)行研究。為滿足管段預(yù)制特殊要求,選擇具有相應(yīng)資質(zhì)及經(jīng)驗(yàn)的混凝土生產(chǎn)廠家專門設(shè)計(jì)混凝土配合比并經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證,其中除常規(guī)試驗(yàn)項(xiàng)目外,還要專門進(jìn)行水泥水化熱、水泥干縮、混凝土收縮、混凝土溫升、浮球試驗(yàn)、通電CI-擴(kuò)散系數(shù)等一系列項(xiàng)目的試驗(yàn)論證,從而得到符合強(qiáng)度、抗?jié)B、耐久性要求的最佳配合比。常溫下沉管隧道預(yù)制混凝土配比見(jiàn)表2。

表2 常溫下沉管隧道預(yù)制混凝土最終配比

為保證大型沉管混凝土配比的可靠性,對(duì)沉管1/4管段進(jìn)行足尺模型試驗(yàn),長(zhǎng)度15 m,共澆筑混凝土量 530 m3。從試驗(yàn)結(jié)果檢測(cè)結(jié)果看,工程混凝土整體性很好,表面平整光滑,沒(méi)有發(fā)生裂紋現(xiàn)象。

同時(shí)在混凝土澆筑過(guò)程中,經(jīng)質(zhì)檢部門、監(jiān)理和混凝土拌和站三方取樣試驗(yàn)檢測(cè),混凝土試件抗壓強(qiáng)度都在43 MPa至48 MPa之間；抗?jié)B指標(biāo)>P10；混凝土配合比通過(guò)耐海水浸蝕試驗(yàn),其耐蝕系數(shù)>0.95。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)多次測(cè)得混凝土容重均在(23.5±0.01) kN/m3范圍內(nèi),滿足設(shè)計(jì)要求。

4.3 沉管混凝土施工

4.3.1 管段預(yù)制分段、分層澆筑

管段外形龐大,兼?zhèn)浯篌w積及薄壁多孔箱型混凝土構(gòu)件的特性。為防止或盡量減少管段混凝土表面裂縫,管段預(yù)制時(shí)縱向分段施工,并設(shè)置后澆帶,每段混凝土分3次澆筑,每節(jié)管段85 m,預(yù)制施工分為5小段,4個(gè)后澆帶,長(zhǎng)度分別為16.25 m+15.5 m×3+16.141 m,后澆帶長(zhǎng)度為1.5 m。每小段混凝土施工時(shí)分3次澆筑,第1次澆筑高度為包括底板3.9 m,第2次內(nèi)側(cè)墻澆筑高度為4.3 m,第3次澆筑外側(cè)墻5.75 m及頂板。

4.3.2 混凝土澆筑工藝

(1)混凝土下料高度控制

底板和頂板,供料時(shí)管口與頂面鋼筋距離≯30 cm,左右方向連續(xù)性“Z”字形移動(dòng)供料。

側(cè)墻供料,設(shè)置4～5個(gè)固定供料口，間距為2 m,料口下接套管伸入底部,落料高度≯1.5 m,逐層上升逐次提升套管。待側(cè)墻混凝土面澆到頂部抗彎傾斜鋼筋時(shí)才可拆除下料套管。

(2)混凝土澆筑分層

管段底板和頂板結(jié)構(gòu)尺寸相似,澆筑混凝土?xí)r,分層澆筑,從下往上分4層均勻上升澆筑,每層高度不得超過(guò)40 cm。澆筑均采用臺(tái)階法推進(jìn),每層臺(tái)階寬度為3 m。

(3)澆筑順序及方向

澆筑底層和頂板混凝土?xí)r,澆筑順序從底板或頂板正中間的管廊底部開(kāi)始,南北方向逐層上升,并逐漸向東西邊側(cè)擴(kuò)展,逐層升高。邊墻和中隔墻同樣為分層澆筑,自下而上逐層均勻上升,每層供料厚度≯40 cm,振搗后為30 cm；上升速度≯1 m/h。澆筑順序?yàn)橄葷矇χ虚g后澆兩側(cè),逐層升高。

4.4 管段干弦值控制

沉管管段預(yù)制很特殊,不同于其他大體積結(jié)構(gòu)物,預(yù)制完成后還要經(jīng)過(guò)起浮、浮運(yùn)、沉放等工序施工,因此管段干弦值直接影響著管段的起浮與浮運(yùn)安全。管段干弦值一般與海水容重、深度、管段尺寸、管段質(zhì)量等方面直接有關(guān)。在施工中,管段的尺寸、混凝土容重等方面對(duì)干弦值影響很大,歸納總結(jié)出以下施工經(jīng)驗(yàn)。

(1)設(shè)計(jì)方控制。設(shè)計(jì)院在設(shè)計(jì)干弦值方面,須根據(jù)當(dāng)?shù)厮w容重、基槽深度等,準(zhǔn)確計(jì)算干弦值,并且綜合考慮施工誤差與環(huán)境突變因素,盡量適當(dāng)提高設(shè)計(jì)干弦值。

(2)管段混凝土容重控制。對(duì)每批混凝土澆筑前,進(jìn)行容重檢測(cè),由試驗(yàn)室進(jìn)行全程跟蹤檢測(cè),超出設(shè)計(jì)容重范圍內(nèi)混凝土不得進(jìn)行澆筑施工。

(3)管段預(yù)制尺寸控制。在保證模板剛度的前提下,混凝土澆筑前與澆筑過(guò)程中,測(cè)量班須全程跟蹤監(jiān)測(cè),保證模板變形在3 mm內(nèi)。

(4)管段預(yù)制過(guò)程控制。管段分段預(yù)制過(guò)程中,須及時(shí)計(jì)算管段質(zhì)量,把握好已完成的管段質(zhì)量,以便及時(shí)調(diào)整后續(xù)分段管節(jié)施工工藝。

4.5 混凝土養(yǎng)護(hù)

4.5.1 夏季及春秋季混凝土養(yǎng)護(hù)

混凝土澆筑后,立即覆蓋,進(jìn)行保溫、保濕養(yǎng)護(hù),表面覆蓋土工布,再用塑料包裹封閉,養(yǎng)護(hù)時(shí)間應(yīng)≥14 d[1]。

頂板和底板養(yǎng)護(hù)在混凝土硬化后,在四周砌磚墻蓄水養(yǎng)護(hù)[3]；管內(nèi)側(cè)墻養(yǎng)護(hù)采用專門制作的養(yǎng)護(hù)臺(tái)架進(jìn)行,在臺(tái)架上安裝PVC水管,在管底靠混凝土側(cè)打孔,形成“水簾式”自動(dòng)噴淋裝置,并掛上雙層麻袋保溫保濕,下部安裝水泵,保證管內(nèi)水有一定的壓力,使養(yǎng)護(hù)水噴淋于混凝土表面；外側(cè)墻混凝土養(yǎng)護(hù),采用在外側(cè)墻內(nèi)埋設(shè)冷熱兩用的循環(huán)水管進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

4.5.2 冬季混凝土養(yǎng)護(hù)

外側(cè)墻拆模后,進(jìn)行混凝土養(yǎng)護(hù)。先蓋一層土工布,土工布外蓋一層苫布,再將土工布與苫布固定好,防止混凝土風(fēng)裂。

頂板混凝土養(yǎng)護(hù),采用層層覆蓋法,即第1層土工布,第2層塑料布,第3層、第4層棉布,第5層苫布,棉布搭接不少于20 cm。當(dāng)外界溫度在5 ℃以上時(shí),可以僅覆蓋1層土工布、1層塑料布,1層棉被,混凝土養(yǎng)護(hù)不少于14 d。

4.6 管段預(yù)制質(zhì)量控制

管段預(yù)制質(zhì)量控制,主要從大體積混凝土施工措施上加以保證,防止混凝土裂縫的產(chǎn)生。大體積混凝土在硬化初期升溫階段內(nèi)部溫度較高,且混凝土表面散熱較快,形成較大內(nèi)外溫差,容易使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生溫度裂縫,所以大體積混凝土施工的技術(shù)防裂措施,是本工程管段混凝土施工核心控制內(nèi)容。

主要控制措施：重要工程部位施工,遵守“科研試驗(yàn)先行,后指導(dǎo)施工”的原則。在進(jìn)行1/4管段橫截面足尺模型澆筑試驗(yàn)后,召開(kāi)專家論證會(huì),進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)總結(jié),并聘請(qǐng)國(guó)內(nèi)相關(guān)沉管隧道預(yù)制專家進(jìn)行指導(dǎo),提出合理的施工工藝與方案。施工過(guò)程中,加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)施工管理,嚴(yán)格控制混凝土澆筑質(zhì)量,同時(shí)加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室對(duì)混凝土溫度監(jiān)控力度。

5 結(jié)語(yǔ)

在高震區(qū)軟弱地基下,進(jìn)行沉管隧道設(shè)計(jì)與施工,目前為國(guó)內(nèi)首次。沉管管段的預(yù)制成功,以及浮運(yùn)、沉放成功,為我國(guó)在軟弱地質(zhì)、高震區(qū)等不利工況下進(jìn)行沉管隧道設(shè)計(jì)與施工,積累了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),推動(dòng)了我國(guó)沉管隧道施工技術(shù)的發(fā)展,值得借鑒與推廣。

[1] 中國(guó)冶金建筑協(xié)會(huì).GB50496—2009 大體積混凝土施工規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社,2009．

[2] 中國(guó)建筑科學(xué)研究院.JGJ79—2002 建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2002．

[3] 王鐵夢(mèng).工程結(jié)構(gòu)裂縫控制[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1997.

[4] 王鐵夢(mèng).談混凝土工程收縮裂縫18個(gè)主要因素[J].混凝土,2003(11):65-65．

[5] 馮希民.中央大道海河隧道工程沉管段模板設(shè)計(jì)與施工技術(shù)[J].國(guó)防交通工程與技術(shù),2010(4):56-58.

[6] 李榮高.外環(huán)越江沉管隧道大體積矩形混凝土管段制作裂縫控制[J].上海建設(shè)科技,2010(1):57-58.

[7] 梅甫良,曾德順.沉管隧道管段預(yù)制時(shí)裂縫控制研究[J].低溫建筑技術(shù),2004(1):81-82.

[8] 車法星.大體積混凝土管段溫度測(cè)試及裂縫控制研究[J].地下工程與隧道,2001(4):30-34.

[9] 張易謙.大型沉管隧道裂縫控制研究[DB].隧道網(wǎng)www.stec.net,2001-12-31.

[10] 黃忠輝.上海外環(huán)隧道大型管段制作方案的確定[DB].隧道網(wǎng)www.stec.net,2002-02-15．