J.Grayson+J.Nickerson+白楊

摘 要：論述與開發(fā)水下澆注混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計相關(guān)的挑戰(zhàn)和米德湖的深水混凝土澆注攝入。這是將導(dǎo)管混凝土應(yīng)用于橋梁、大壩和位于或接近水面的不尋常的工程，或者可以這樣說，地下水位于工作區(qū)域內(nèi)，不尋常的是大約8 410 m3的水下澆注混凝土在106.68 m深的水中，離海岸3 218.69 m，連續(xù)110 d的工期，作為米德湖3號隧道的豎井項目。這是指定的配合比，衰退期將穩(wěn)定幾個小時，需要表現(xiàn)出低到中度沖刷和低到中度熱增益。這需要在實驗室測試一個電池，并進行理論建模。相關(guān)人員在實驗室進行了大量的測試，并在項目現(xiàn)場開發(fā)完成混凝土混合料配合比設(shè)計，根據(jù)需要對工作地點和施工手段方法進行約束規(guī)范。最初，利用幾種外加劑，例如超級增塑劑和抗沖刷混合劑，設(shè)計開發(fā)高坍落度導(dǎo)管混凝土配合比。在現(xiàn)場測試導(dǎo)管混凝土的配合并不理想，因此，需要在實驗室進行。作為現(xiàn)場測試的結(jié)果，它被確定的導(dǎo)管混凝土配合比應(yīng)為修改后的自密實混凝土配合比設(shè)計與批處理的黏度改性混合物，而不是反沖洗混合物。最后，實驗室測定的混凝土配合比與現(xiàn)場測試結(jié)果一樣，說明該實驗是成功的。

關(guān)鍵詞：米德湖；隧道；混凝土；配合比

中圖分類號：U454 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）11-0077-03

1 介紹

目前，拉斯維加斯山谷接收到的飲用水大部分是來自位于大都會東部約32 200 m的米德湖。水通過現(xiàn)有的兩進水口吸入阿爾弗雷德·梅里特·史密斯水處理設(shè)施（AMSWTF）。1號引入口位于海平面以上320 m，2號引入口位于海平面以上305 m，兩個引入口都要為拉斯維加斯山谷提供一定量的水。

由于干旱嚴(yán)重，達到美國西南地區(qū)的米德湖水位已經(jīng)從372 m的平均海拔高程退去。截至2010-12，米德湖水位跌至331 m平均海拔高程，比湖的最高水位低41 m。水位不斷下降令人擔(dān)憂。如果湖泊水位低于海拔320 m平均海拔時，1號引入口將不能使用，只剩2號引入口。失去1號引入口增加的風(fēng)險和2號口可能存在的風(fēng)險，促使南內(nèi)華達州水務(wù)局（SNWA）急需構(gòu)造一個新的、更深的第三引入口。3號引入口不僅位于一個較低的海拔，即262 m的平均海拔，而且新的3號引入口也將得到質(zhì)量更好的水資源。3號引入口每天可以引入54 553 m3水，滿足拉斯維加斯人口的用水需求。

南內(nèi)華達州水務(wù)局（SNWA）的3號引入口工程在阿爾弗雷德·梅里特·史密斯水處理設(shè)施（AMSWTF）附近，包括一個深183 m、直徑為9 m的接軸，一個大約長4 828 m、內(nèi)徑為6 m的引水隧洞和一個大約30.5 m高的進水提升管。接軸襯有現(xiàn)澆混凝土襯砌和引水隧洞內(nèi)襯預(yù)制萬能環(huán)襯段。該進水提升管是由一個3 629 kg的復(fù)合結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土基座部分與A316L不銹鋼垂直立管和入口組成。進水結(jié)構(gòu)置于一個基坑中，用11 000 m3的導(dǎo)管混凝土錨固。進水結(jié)構(gòu)是自我整合的發(fā)展和安置。緩凝

和低水化熱混凝土配合比設(shè)計是本文的重點。

2 導(dǎo)管混凝土澆筑作業(yè)手段和方法

VTC計劃是用最佳可用技術(shù)進行大規(guī)模水下混凝土的澆筑操作?；炷翝仓椒ㄊ抢米畛蹰_發(fā)的混凝土澆筑方法，并根據(jù)隧道實際情況進行調(diào)整以滿足項目要求。該方法和設(shè)備是由比利時的Rik Pellegrims NV先生設(shè)計提出的。該系統(tǒng)是由鋼管和大墊板連接到底部。該大墊板是一個直徑約2.74 m的圓頂板，允許固定在塑性混凝土的表面，并使我們能夠水平移動混凝土導(dǎo)管系統(tǒng)。該混凝土導(dǎo)管的水平移動系統(tǒng)是必要的，因為這個質(zhì)量的混凝土澆筑比不可能控制到7∶1.“浮子”被用在混凝土導(dǎo)管的頂部，以均衡該系統(tǒng)的浮力，使大約0.1 m的大墊板保持嵌入到塑性混凝土中，并在任何時候都創(chuàng)造了必要的水平。

有幾個選項認為使用商品混凝土，但最后確定使用現(xiàn)場澆筑所用的便攜式設(shè)備，這樣可以降低成本，縮短交付時間。使用的批生產(chǎn)工廠是一個便攜式干工廠，干物料和液體物料混合在攪拌車內(nèi)完成。該攪拌器包括標(biāo)準(zhǔn)后排放攪拌器和前置料攪拌器。所有攪拌車能夠進行7.65 m3混凝土的攪拌。攪拌好的混凝土將被裝到運輸船舶，一次能裝8卡車。被用于拖船和貨船之間操作的船舶有3只。每只運輸船從岸邊裝載至到達的時間大約是45 min。一旦運輸船到達起重船，混凝土將被從攪拌車送到皮帶運輸機?；炷两?jīng)皮帶輸送到7.65 m3的重復(fù)攪拌機，然后轉(zhuǎn)移到塔臂架泵車。塔臂最后到達混凝土料斗中，將混凝土以恒定的速度輸入鋼管系統(tǒng)。一個穩(wěn)定的填充重要的是要保持鋼管系統(tǒng)浮力不變，這樣不會反彈在失去浮子的大墊板上。該鋼管系統(tǒng)是手動移動在周圍區(qū)域的，以確?；谶h程操作潛水器的高程位置讀數(shù)（ROV），這是用來觀察水下的操作面，水下視覺和圖形的獲得分別使用相機和聲吶系統(tǒng)。運輸船上卡車?yán)锏幕炷烈坏┯猛辏惴祷仃懙亟粨Q滿載的卡車。鋼管內(nèi)混凝土水平增加時，剛性下料管會被移除。這一過程一直持續(xù)到混凝土到達244 m 平均海拔的設(shè)計標(biāo)高。

3 鋼管混凝土設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

鋼管混凝土配合比設(shè)計考慮到了布置和方法的要求，該鋼管混凝土的最低設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)是由設(shè)計工程師和原征求建議書（RFP）文件和SNWA規(guī)定成立的。

配合比的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)基于這種業(yè)務(wù)固有風(fēng)險的大小?；炷翝仓^程中一個潛在的大問題是水化過程中的高溫。為了降低這種風(fēng)險，設(shè)計工程師指定控制溫度為74 ℃，并限制混凝土配合物有至少20%的粉煤灰相對于配合物的總水泥含量。由于水化熱存在高風(fēng)險，大體積混凝土可能受熱開裂。經(jīng)測定，這些裂縫可能足夠大，使湖水通過裂縫進入到鋼管混凝土中。為了減少熱裂化，最大溫差被指定為1.7 ℃。此外，還需避免另一個問題，即混凝土冷卻收縮也會產(chǎn)生裂縫。為了避免這種情況，混凝土的初凝時間至少為24 h。

該導(dǎo)管混凝土塌落度需有一定的高度。鋼管混凝土的具體要求是要有一個單獨的自凝組合，以確保其濃密合適而無需使用機械振動，但此操作需要一個引導(dǎo)流組合，以順利填滿開挖面。高坍落度混凝土的正常流動造成了“脹流”現(xiàn)象。其中，舊的鋼管混凝土被不斷地推進，遠離新的混凝土。這一過程減少了暴露在混凝土表面的部分水，從而減少了沖洗和浮漿量。

水泥漿體的沖刷備受關(guān)注，最小的沖刷量為基于美國陸軍公司（美國陸軍工程兵團）的標(biāo)準(zhǔn)測試方法CRD-C61-89A的最低量。沖刷實驗的初步結(jié)果符合規(guī)定要求。

美國陸軍工程兵團通過2 000 mm三次自由落下的水，測量一個塑性混凝土質(zhì)量的損失。質(zhì)量損失的測量是三次損失的和，用百分數(shù)表示。設(shè)計需要在1 361 kg最低水壓下澆注混凝土28 d。混凝土的強度在2 d內(nèi)達到45～136 kg，7 d以上達到1 361 kg，28 d的平均強度為2 994 kg。

4 混凝土配合比設(shè)計的發(fā)展

在VTC管理中包括測試，以確?；炷涟韬狭系脑O(shè)計符合混合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求。對于技術(shù)支持，職訓(xùn)局聘請曾指導(dǎo)水下大體積混凝土施工的史蒂夫塔特羅先生來進行混凝土配合比的設(shè)計和評估。

塔特羅先生的工作是對現(xiàn)成材料的特性進行評價，提供配合比設(shè)計的建議，監(jiān)督實驗室試驗配料，并評估最后的混合設(shè)計。同時，職訓(xùn)局指定另一名人員——東尼先生塔特羅，開發(fā)試驗測試計劃，比較粉煤灰的變化，化學(xué)外加劑、水泥和總體的變化。

此外，塔特羅先生利用他的建模軟件確定潛在的裂紋發(fā)展和可能開裂的程度，并確定基于最初的水下澆筑混凝土混合料配合比。他的模型將位置、混凝土質(zhì)量、嵌入式結(jié)構(gòu)和湖底環(huán)境溫度考慮在內(nèi)。該模型表明，溫差熱增益不再是一個問題，也不會有任何形式的顯著開裂。經(jīng)測定，可能存在的裂縫由于本身的結(jié)構(gòu)將出現(xiàn)在凹角里。

在設(shè)計過程中，水化熱和混合穩(wěn)定性是影響混凝土配合比的主要因素，因此，降低水化熱和提高粉煤灰的混合穩(wěn)定性是提高混凝土配合比穩(wěn)定性的措施。進行了實驗室試驗配料，該測試方案包括7種原料水泥含量。測試結(jié)果表明，砂率以及化學(xué)外加劑都有變化。

采用自然聚合骨料被認為可以創(chuàng)建一個更流暢、穩(wěn)定的混凝土配合比。通過初步測試發(fā)現(xiàn)，天然砂和花崗巖骨料具有較高的吸收率，從而導(dǎo)致加工性損失更快。經(jīng)測試程序，確定本地石灰石骨料是最好的聚合材料。當(dāng)?shù)厥沂橇想m然是一個破碎物料，但其具有更好的散熱性和較低的吸收特性，因此可以創(chuàng)造一個更穩(wěn)定的組合。

在測試過程中確定化學(xué)外加劑的種類時，混合性能指標(biāo)是主要因素?；瘜W(xué)外加劑的選擇參考了外加劑制造商的建議。同時，為了保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和材料的塑性，使用了減少水化熱的外加劑。由于延長了混凝土的運輸時間，攪拌時間至少為2 h。該減水劑和減水劑外加劑被用來保持必要的水灰比，并且增加了混合物的塌落度。

5 試用配料

測試一旦建立，將收集的材料在實驗室中進行試驗。實驗材料按照使用40%～60%的水泥比例在1∶1中，混合料的總水泥含量均在7麻袋左右。配合比設(shè)計測試試驗分批使用超塑化劑、坍落度保持外加劑和反沖洗化學(xué)外加劑。超級增塑劑是典型的F型品種，用來降低水在混合物中的使用量，同時增加混合物的流動性。

化學(xué)外加劑對塑性混合物具有觸變效應(yīng)，一旦混合便不能施加到塑性混凝土中，因為將會導(dǎo)致塑性混凝土變成凝膠。這種效應(yīng)可能是非常突然的，混凝土將在試驗中失去流動性。顯然，這不利于自密實混凝土的流動。一旦混合物凝膠化，除非有外部熱量加入，否則不會恢復(fù)其流動性。

通常，初始設(shè)定的時間被用來確定混合物何時失去流動性。確定混合物是否有觸變這是很困難的。我們發(fā)現(xiàn)凝膠的發(fā)生時間明顯比實驗室測試設(shè)定的初始時間快?？焖倌z有利于某類型的工作，但在混凝土自我整合型中是有害的?？焖倌z似乎像是實驗室測得的貫入阻力。對鋼管混凝土初凝時間的控制是必要的，可由大量的粉煤灰和化學(xué)外加劑來控制。實驗室最初227 kg的貫入阻力用時24 h，最后1 814 kg的貫入阻力用時30 h。含沙量和沖刷一樣，對降低流動性是有用的，高達2%的含沙率可以使混合物具有較低的塌落度，高含沙量的混合物抵制沖刷比低含沙量的混合物要好。含砂量的平衡是混合設(shè)計中的關(guān)鍵參數(shù)，因為一個理想的含砂率具有較高的流動性和較低沖刷性。為了減少沖刷的混凝土配合比，需要膠結(jié)材料額外水滲透的混合物。目前，市場上的防沖刷化學(xué)外加劑成分不同，基本上是膠結(jié)混凝土混合物。這些抗沖刷外加劑可以創(chuàng)造更高屈服強度的混凝土，從而減少混凝土混合物的和易性，增加混凝土膠凝的速度。

同時，大量使用高流速的鋼管混凝土容易引起混凝土離析。黏度調(diào)節(jié)外加劑（VMA）和抗沖刷外加劑（AWA）是必要的，用來容納在懸浮液中的所有混合成分，但大量使用VMA和AWA對其傳授的性能有約束作用。這是一個平衡——在獲得高流動性的混合物同時，保持混合物的均勻和抵制沖刷的能力。有了適當(dāng)?shù)谋壤?，混合物蠕變的速度會最大程度地減慢?；炷恋奶涠缺辉O(shè)計在0.58～0.68 m。混合物的塌落超過0.68 m，證明易于分離。過度離析產(chǎn)生質(zhì)量差的混凝土將造成結(jié)塊、砂紋等現(xiàn)象。通過實驗發(fā)現(xiàn)，低于7 m的混凝土在鋼管中不容易流動。在實驗室對試拌混凝土樣品進行測試是為在相似的湖底環(huán)境下混凝土施工提供參考數(shù)據(jù)。將冷藏集裝箱保持在53 ℃的水浴中，用來處理混凝土樣品。樣品維持在按照ASTM規(guī)定的固化條件下進行比較。

6 鋼管設(shè)備現(xiàn)場測試

鋼管混凝土配合比設(shè)計的一個重要任務(wù)是在干燥條件下進行現(xiàn)場測試，確定該系統(tǒng)的運行是否符合設(shè)計要求?，F(xiàn)場設(shè)置包括12 m一節(jié)的鋼管、料斗和振動器。第一次迭代的下料管是一個直徑0.2 m的鋼管。料斗與鋼管扣是可拆卸的，在接口導(dǎo)管配置有一個可移動的活塞。最初的料斗配置大小能夠容納混凝土約1.53 m3。這個確定通過計算足以提供足夠的質(zhì)量來克服靜水壓力。止動件被鉸接和連接到起重機上。當(dāng)料斗被裝滿時，塞子被移除，鋼管混凝土塞下降來啟動系統(tǒng)。

在現(xiàn)場進行了幾種測試，每種都安裝了不同密度和幾何形狀的泡沫體。這些塞子分別安裝到鋼管正下方墊塊的頂部。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，圓形塞子會浮到水面上。這些塞子可以回收利用，但不能有效地封住鋼管。圓柱形塞子比圓形塞子密度小，一旦被水浸透便不會浮動，可以有效防止沖刷，延緩初凝。

測試系統(tǒng)最初定位在水中。從船舶上升起的下料管上，封口的料斗裝滿導(dǎo)管混凝土，然后提升到一定高度。一旦料斗和管段連接，起重機將其吊到位于陸地上的具體位置。除去止動件，導(dǎo)管混凝土自動下落到鋼管中。早期的試驗是不成功的，并得出結(jié)論：0.2 m的管道太小，需要將剛管直徑增大。后來，直徑增加到0.25 m。這樣增加了56%的面積，同時還發(fā)現(xiàn)附加質(zhì)量是需要啟動鋼管系統(tǒng)的。當(dāng)時料斗數(shù)量增加了1倍，料斗容量增加到2.3 m3。遇到的另一個問題與該混合物的凝膠時間有關(guān)。使用抗分散外加劑引起的觸變特性造成混凝土在鋼管中變硬和阻止混凝土自由流經(jīng)導(dǎo)管?；炷镣蝗荒z會堵住鋼管和料斗。修改混合物的特性，防止混凝土在鋼管內(nèi)凝膠化，在現(xiàn)場證明是可行的。

7 鋼管混凝土的配合比設(shè)計

全面的現(xiàn)場測試不僅發(fā)現(xiàn)了鋼管系統(tǒng)問題，而且發(fā)現(xiàn)了混凝土配合比需要修改的幾個方面。缺點是造成鋼管堵塞的原因馬上從配合比中將其移除，換另一種外加劑VMA。當(dāng)我們從配合比設(shè)計中去掉AWA時，我們沒有預(yù)料到設(shè)定的時間會發(fā)生變化。當(dāng)外加劑被替換為VMA時，AWA的阻滯效應(yīng)也丟失了?；謴?fù)設(shè)計，需要加入緩凝劑?；旌衔镌谂繙y試過程中，在流動性發(fā)生顯著變化前至少要有3 h處于理想狀態(tài)。

有人認為美國陸局工程兵團（USACE）抗沖刷測試并不能代表實際狀況下發(fā)生的沖刷。美國陸局工程兵團（USACE）的測試需要新樣品以自由落體的狀態(tài)通過特定的水柱，測試三次以確定抗沖刷效果。這個測試在移動的水中更為合適或?qū)⒒炷林糜谒拢缭谝粋€木桶中。正確使用漂浮系統(tǒng)時，只有少量新的混凝土與水接觸。另外，當(dāng)將混凝土放置在停滯不前的水中時，我們發(fā)現(xiàn)，混凝土和水的界面受到最小的沖刷。通過凝土檢測儀器反饋的信息可以看出，實際受沖刷的區(qū)域僅為幾米。之后用ROV對混凝土進行觀察和探測，結(jié)果沒有發(fā)現(xiàn)水泥漿。

8 結(jié)論

我們了解到，搭配50%的粉煤灰是最好的選擇，基于熱模擬實驗，實驗室的測試數(shù)據(jù)被收集。過少的粉煤灰會使混凝土穩(wěn)定性變得很差，過多的粉煤灰會對凝結(jié)時間有影響。使用VMA是滿足規(guī)定最小沖刷的需求。在使用AWA時，會造成凝膠，混凝土在鋼管中下落時會失去流動性。然而，要想使高塌落度的混凝土保持穩(wěn)定性，則必須使用VMA和AWA外加劑，以保持混合物的穩(wěn)定性和減少泌水。對鋼管系統(tǒng)的改進可以使其沿水平方向移動，從而可以放置大量的混凝土。我們發(fā)現(xiàn)，鋼管系統(tǒng)的微小移動可以減少混凝土的損失、改進系統(tǒng)的密封和移動性。取得了較好的效果。從這個項目中得到的經(jīng)驗是，水下澆筑混凝土成功的關(guān)鍵是充分準(zhǔn)備和規(guī)劃，同時具備一個好的評估系統(tǒng)，并且做好澆筑前的測試工作。

原著名及編輯：World Tunnel Congress 2013 Geneva

Underground–the way to the future！

G.Anagnostou & H.Ehrbar（eds）

出版社：? 2013 Taylor & Francis Group，London.

刊號：ISBN 978-1-138-00094-0

作者：J.Grayson，J.Nickerson

本文為譯文，如有不當(dāng)之處，請加以指正。

〔編輯：劉曉芳〕