陳昕

（廈門(mén)路橋工程投資發(fā)展有限公司，福建 廈門(mén) 361000）

1 工程概況

國(guó)道115 號(hào)線(xiàn)元淵隧道工程位于日本福島縣相馬市山上村元淵片區(qū)，項(xiàng)目總投資3,288,422,400日元（人民幣約1.7 億元）。工程內(nèi)容包括：隧道長(zhǎng)度L=963m（NATM 鉆爆法）；端墻式洞門(mén)2 處；箱涵（PCBOX）L=56.7m；網(wǎng)格護(hù)坡489m；填方43,900m，挖方20,300m，橋臺(tái)1 處，橋墩2 處。

2 二襯混凝土品質(zhì)改善措施

二襯混凝土施工通常容易在上半部和下半部界處（springline）出現(xiàn)蜂窩麻面、冷縫，拱頂部容易因混凝土充填不足出現(xiàn)空洞、開(kāi)裂，因拆模時(shí)養(yǎng)護(hù)不足產(chǎn)生表面剝落和開(kāi)裂。本文主要介紹元淵隧道為防止以上缺陷所采取的技術(shù)措施及實(shí)施效果。

2.1 二襯混凝土相關(guān)技術(shù)措施

2.1.1 混凝土施工相關(guān)措施

技術(shù)提案：在臺(tái)車(chē)的拱頂部增設(shè)3 處、肩部左右兩側(cè)分別增設(shè)3 段3 處（共18 處）施工窗口（用于振搗和觀(guān)察確認(rèn)）；泵送管道切換采用Elephant Nozzle 系統(tǒng)，該系統(tǒng)能通過(guò)電動(dòng)和油壓動(dòng)力方式將混凝土自動(dòng)切換泵送到不同的澆筑部位。

追加措施：將原混凝土配比設(shè)計(jì)18-15-40BB 調(diào)整為21-18-40BB（日本混凝土標(biāo)號(hào)格式為：設(shè)計(jì)強(qiáng)度-塌落度-水泥種類(lèi)），提升混凝土強(qiáng)度和施工便利性。

2.1.2 混凝土振搗措施

技術(shù)提案：設(shè)置自動(dòng)感知振搗棒，振搗棒感知混凝土后會(huì)自動(dòng)開(kāi)始振搗，振搗結(jié)束后自動(dòng)上卷升高，跟隨模板內(nèi)側(cè)混凝土高度上升、自動(dòng)振搗；拱頂及兩肩設(shè)置4 支抽出式振搗棒，抽出式振搗棒可在拱頂及兩肩施工窗關(guān)閉的情況下振搗上部混凝土，隨著澆筑和振搗的進(jìn)行緩慢從上部抽出；將螺旋振搗棒作為輔助振搗工具，螺旋振搗棒表面具有螺旋狀凹凸紋，可以提升震動(dòng)的傳遞效率，讓混凝土向上或者向下不同方向流動(dòng)；設(shè)置54 處混凝土澆筑檢查口；為了準(zhǔn)確把握混凝土澆筑的區(qū)域和高度等，項(xiàng)目采用靜電容量傳感監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行管理。系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)傳感線(xiàn)的靜電容量變化來(lái)準(zhǔn)確判斷混凝土實(shí)際到達(dá)位置，利用檢測(cè)結(jié)果管理不同部位置澆筑時(shí)間間隔及時(shí)序。

2.1.3 混凝土充填的相關(guān)措施

技術(shù)提案：在二襯橫斷面方向端部設(shè)置兩處網(wǎng)格模板（可排出泌水）；在二襯頂部設(shè)置吸水管，采用內(nèi)徑為9mm 的網(wǎng)狀濾水管，可以吸出滯留在混凝土中的泌水；在臺(tái)車(chē)上部設(shè)置3 處排氣孔（兼具檢測(cè)功能）；管理混凝土充填壓力：搭接面和端頭面的臺(tái)車(chē)上部各設(shè)置2 處壓力傳感器，確保搭接面的混凝土充填壓力達(dá)到90kPa 以上，另一端頭側(cè)達(dá)到40kPa 以上，為了保證臺(tái)車(chē)承壓能力，臺(tái)車(chē)按照100kPa 壓力進(jìn)行設(shè)計(jì)；在隧道頂部設(shè)置3 處充填傳感器進(jìn)行充填管理，根據(jù)充填傳感器信號(hào)判定模板內(nèi)側(cè)為空氣/水分/水泥，通過(guò)彩色圖像顯示澆筑過(guò)程。

2.1.4 混凝土養(yǎng)護(hù)、拆模的相關(guān)措施

追加措施：設(shè)置臺(tái)車(chē)養(yǎng)護(hù)隔離罩，避免外部空氣對(duì)混凝土養(yǎng)護(hù)狀態(tài)產(chǎn)生影響，起到對(duì)罩內(nèi)空間保溫保濕的作用；測(cè)量臺(tái)車(chē)模板表面溫度，計(jì)算混凝土成熟度，推算混凝土強(qiáng)度；通過(guò)PT 型回彈儀實(shí)際測(cè)定拆模時(shí)混凝土強(qiáng)度，PT 型可測(cè)定1～5N/mm的短齡期的混凝土強(qiáng)度；對(duì)臺(tái)車(chē)鋼模板表面進(jìn)行磨砂處理，提升拆模劑的附著性；在臺(tái)車(chē)設(shè)置模板自動(dòng)清理帶，清理帶來(lái)回拖動(dòng)自動(dòng)清理鋼模表面；采用3D 噴霧風(fēng)扇進(jìn)行濕潤(rùn)養(yǎng)護(hù)，風(fēng)量最大可達(dá)到每分鐘240m，噴霧量為每分鐘1.3～11.3L。

2.1.5 其他措施

技術(shù)提案：在隧道全線(xiàn)進(jìn)行頂部1 測(cè)線(xiàn)，肩部2 測(cè)線(xiàn)，共3 測(cè)線(xiàn)的雷達(dá)檢測(cè)，通過(guò)雷達(dá)波檢查混凝土背面是否有空隙。

追加措施：根據(jù)澆筑位置、充填壓力、混凝土成熟度測(cè)算混凝土強(qiáng)度，并在臺(tái)車(chē)設(shè)置大型顯示器，對(duì)澆筑部位進(jìn)行3D 顯示并對(duì)充填壓力進(jìn)行顏色顯示（見(jiàn)圖1）。同時(shí)，在澆筑完成后，通過(guò)測(cè)量混凝土成熟度及實(shí)時(shí)計(jì)算，推測(cè)混凝土強(qiáng)度。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)充填顯示效果

2.2 二襯混凝土的品質(zhì)改善措施效果研究

以上措施實(shí)施效果分析如下：

2.2.1 混凝土施工相關(guān)措施效果

以往，混凝土泵送部位切換通常采用Y 型管，且需要人工切換，切換時(shí)間約需10min，該項(xiàng)目采用Elephant Nozzle 系統(tǒng)，將切換時(shí)間縮短為1min。通過(guò)縮短切換時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了從更多不同泵送口澆筑作業(yè)，同時(shí)可以根據(jù)混凝土的流動(dòng)情況合理切換到其他部位，出現(xiàn)堵管等意外情況也能迅速切換處理。同時(shí)，該項(xiàng)目將混凝土落度由15cm 變更為18cm，更好地實(shí)現(xiàn)了不同澆筑部位的平衡。通過(guò)采取以上措施，該項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了二襯施工的整體平衡化，避免了澆筑時(shí)序不當(dāng)和間隔過(guò)長(zhǎng)引起的冷縫問(wèn)題。盡管泵送口的增加導(dǎo)致清洗和管內(nèi)存留混凝土的處理工作量增加，但總體上來(lái)說(shuō)，該系統(tǒng)在大斷面隧道的二襯施工中取得了非常好的應(yīng)用效果。

2.2.2 混凝土振搗措施效果

二襯下部到肩部的振搗采用左右各5 支懸掛的自動(dòng)感知振搗棒，拆模后springline 附近（通常容易出現(xiàn)表面氣泡）表面氣泡少、外觀(guān)效果好。但是由于7 列檢查窗口中有2 處因?yàn)樽鳛楸盟涂跓o(wú)法設(shè)置自動(dòng)感知振搗棒，使混凝土落下時(shí)夾帶了少量空氣，相應(yīng)部位初期表面氣泡較多。為改善此問(wèn)題，項(xiàng)目部在無(wú)法設(shè)置自動(dòng)感知振搗棒的檢查窗口，采用螺旋振搗棒進(jìn)行人工振搗輔助。該項(xiàng)目將需要人工輔助的部位集中在2 處，有效提高了人工利用率，且較以往項(xiàng)目更好地改善了表面氣泡問(wèn)題，但相較于自動(dòng)感知振搗棒振搗的部位，混凝土外觀(guān)還有改進(jìn)空間。

抽出式振搗棒近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于道路工程項(xiàng)目，其避免臺(tái)車(chē)上部出現(xiàn)混凝土表面水波紋的作用在該項(xiàng)目實(shí)踐中得到了驗(yàn)證。但由于抽出式振搗棒是在混凝土澆筑后啟動(dòng)并隨振搗緩慢抽出的，振搗和抽出過(guò)程中產(chǎn)生的混凝土沉降可能導(dǎo)致隧道上部與混凝土之間出現(xiàn)空隙。雖然該項(xiàng)目在施工中將澆筑和抽出分?jǐn)?shù)次進(jìn)行以減少沉降的產(chǎn)生，但依然無(wú)法完全避免沉降，進(jìn)一步措施在后文闡述。

通過(guò)二襯監(jiān)控系統(tǒng)和大屏幕可視化措施，加上Elephant Nozzle，能夠避免堵管導(dǎo)致的施工中斷，兩者結(jié)合能夠有效預(yù)防冷縫問(wèn)題。此外，該系統(tǒng)對(duì)于應(yīng)對(duì)混凝土運(yùn)輸延遲和計(jì)劃施工休息時(shí)間也十分有效。

2.2.3 混凝土充填相關(guān)措施效果

在隧道施工中，空洞是混凝土厚度不足的原因之一。為避免此問(wèn)題，該項(xiàng)目在澆筑時(shí)對(duì)混凝土充填壓力進(jìn)行量化管理。根據(jù)前文闡述，抽出式振搗棒啟動(dòng)后，振搗導(dǎo)致的混凝土沉降容易使混凝土背面出現(xiàn)空隙。以往，在施工過(guò)程中是通過(guò)排氣口的水泥流出情況進(jìn)行判斷，或通過(guò)檢查窗口和端部進(jìn)行目視確認(rèn)，憑借經(jīng)驗(yàn)和感覺(jué)來(lái)設(shè)置混凝土泵送的停止時(shí)間點(diǎn)。近年來(lái)，大多數(shù)項(xiàng)目采用充填檢測(cè)儀進(jìn)行充填壓力管理，但只能對(duì)混凝土進(jìn)行部分檢測(cè)管理。而該項(xiàng)目根據(jù)充填壓力對(duì)施工情況進(jìn)行量化分析，基于合理的判斷把控混凝土泵送的停止時(shí)機(jī)，取得了明顯效果。

泌水殘留在混凝土內(nèi)可能導(dǎo)致開(kāi)裂，使混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量下降。該項(xiàng)目采用網(wǎng)格模板和吸水管將混凝土泌水排出，而加壓充填混凝土能在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步把多余的水分從混凝土內(nèi)排出，確?；炷恋拿軐?shí)度和結(jié)構(gòu)質(zhì)量，實(shí)際施工中，加壓充填以后，不借助水泵吸水即可看到多余的水分流出，可見(jiàn)加壓排水效果明顯。

加壓充填時(shí)，為確保端頭面的壓力不會(huì)先于搭接面上升，應(yīng)盡可能采用流動(dòng)性好的混凝土，但考慮到高流動(dòng)性和中流動(dòng)性的混凝土價(jià)格較高，在和原設(shè)計(jì)混凝土單位水量和水灰比保持基本一致的前提下，將原本的混凝土塌落度調(diào)整為18cm，進(jìn)一步降低了加壓充填施工的難度。

2.2.4 混凝土養(yǎng)護(hù)、拆模的相關(guān)措施效果

二襯混凝土通常每?jī)扇帐┕ひ荒?。考慮模板清理、儀器設(shè)置、拆模時(shí)間等，澆筑后第2 天上午10 點(diǎn)前必須拆模，拆模時(shí)混凝土的強(qiáng)度很重要。若是強(qiáng)度不足，混凝土?xí)蜃灾貙?dǎo)致開(kāi)裂和表面剝離。通?；炷恋牟鹉?qiáng)度是2N/mm，但根據(jù)該項(xiàng)目的混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，在20C 的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，混凝土達(dá)到2N/mm強(qiáng)度需要19h，無(wú)法實(shí)現(xiàn)在次日10 點(diǎn)前拆模以完成施工循環(huán)。

綜合考慮以上情況，養(yǎng)護(hù)時(shí)測(cè)量混凝土成熟度，實(shí)時(shí)推算混凝土強(qiáng)度并通過(guò)顯示器顯示，以此為依據(jù)管理拆模時(shí)間，計(jì)算方法如下：

第一，壓縮強(qiáng)度的推算是拆模時(shí)間管理的根本，推算參照《混凝土標(biāo)準(zhǔn)示方書(shū)施工篇》（日本土木學(xué)會(huì)混凝土委員會(huì)）的相關(guān)計(jì)算方法，采用式（1）進(jìn)行計(jì)算。同時(shí)，根據(jù)學(xué)會(huì)要求，有效齡期（20C 標(biāo)養(yǎng)條件下的等價(jià)齡期）通過(guò)式（2）進(jìn)行計(jì)算。

式（1）中：f'(t)為齡期t日時(shí)的壓縮強(qiáng)度（N/mm）；f'為混凝土的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)強(qiáng)度（N/mm）；t 為齡期（日）；i 為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)強(qiáng)度齡期（日），通常i=28 或91；a、b 為水泥系數(shù)，品種不同的水泥系數(shù)不同；d 為從齡期28 天到齡期91 天的強(qiáng)度增加率。

該項(xiàng)目采用高爐礦渣水泥，參數(shù)為a＝6.2，b＝0.93，d(28)＝1.15。

式（2）中：t為有效齡期（日）；△t為養(yǎng)護(hù)溫度為T(mén)（C）的天數(shù)；T為1C。

通過(guò)以上式（1）及式（2），該項(xiàng)目對(duì)施工最后澆筑的拱頂部溫度進(jìn)行10min 間隔的定期測(cè)量，將測(cè)量值帶入式（2）計(jì)算有效齡期t，將t帶入式（1）中的t，推算混凝土的壓縮強(qiáng)度。

第二，二襯的施工初期，項(xiàng)目部測(cè)量了現(xiàn)場(chǎng)養(yǎng)護(hù)的短齡期試塊強(qiáng)度。養(yǎng)護(hù)場(chǎng)所設(shè)置了溫度計(jì)，對(duì)養(yǎng)護(hù)溫度進(jìn)行同步測(cè)量（結(jié)果見(jiàn)表1、圖2）。按照19h、21h、23h 時(shí)的養(yǎng)護(hù)時(shí)間進(jìn)行壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)，因現(xiàn)場(chǎng)養(yǎng)護(hù)溫度比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)溫度（20C）低，通過(guò)式（2）參照實(shí)際養(yǎng)護(hù)溫度進(jìn)行計(jì)算，有效齡期結(jié)果如表1所示。

圖2 短齡期壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

表1 短齡期壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

養(yǎng)護(hù)時(shí)間/h 考慮養(yǎng)護(hù)溫度的有效齡期/h 13.830 15.551 17.251 19 21 23壓縮強(qiáng)度平均/（N/mm2）0.54 0.77 1.07

第三，推算混凝土成熟度和壓縮強(qiáng)度。根據(jù)前述方法及該項(xiàng)目采用的混凝土的短齡期壓縮強(qiáng)度特性，計(jì)算混凝土成熟度和壓縮強(qiáng)度，如公式（3）所示。同時(shí)，為了與項(xiàng)目實(shí)際的短齡期壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)（12～24h）所測(cè)得的壓縮強(qiáng)度實(shí)際情況相近，公式設(shè)定了修正齡期。

式（3）中：t為修正齡期。

通過(guò)公式（3）計(jì)算，該項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)溫度（20C）下養(yǎng)護(hù)時(shí)間和壓縮強(qiáng)度的關(guān)系如圖3所示。利用上述近似計(jì)算公式，采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算和管理。

圖3 養(yǎng)護(hù)時(shí)間與壓縮強(qiáng)度的關(guān)系

該項(xiàng)目根據(jù)實(shí)際混凝土成熟度計(jì)算拆模時(shí)間，因?yàn)橛糜谠囼?yàn)的混凝土試塊無(wú)法獲得混凝土整體產(chǎn)生的水化熱，加上隔離罩帶來(lái)的罩內(nèi)溫度上升等原因，相比試塊的測(cè)量結(jié)果，實(shí)際17h 即可拆模，該項(xiàng)目成功實(shí)現(xiàn)兩天一模的循環(huán)。同時(shí)，混凝土成熟度的測(cè)算為佐證拆模時(shí)間的正當(dāng)性提供了依據(jù)。在此基礎(chǔ)上，該項(xiàng)目把PT 型回彈儀實(shí)際測(cè)量的拆模混凝土強(qiáng)度作為補(bǔ)充依據(jù)，進(jìn)行雙重管理。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，經(jīng)過(guò)國(guó)道115 號(hào)線(xiàn)元淵隧道工程在二襯混凝土施工中的實(shí)踐檢驗(yàn)，該項(xiàng)目中所采取的措施均達(dá)到了預(yù)期效果，為后續(xù)隧道項(xiàng)目的二襯混凝土施工品質(zhì)提升提供了重要的參考依據(jù)。

但在取得預(yù)期效果的同時(shí)，上述二襯混凝土振搗、充填、養(yǎng)護(hù)等技術(shù)措施，需要在施工中額外安裝傳感器、壓力測(cè)量?jī)x等，會(huì)增加作業(yè)班組的工作量，該項(xiàng)目在施工中發(fā)現(xiàn)實(shí)施上述設(shè)備安裝后，為保證施工進(jìn)度，二襯混凝土與防水層需由兩個(gè)班組分別實(shí)施。今后應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工情況，繼續(xù)研究改進(jìn)上述配套設(shè)備，增加安裝便捷性，有效節(jié)省人工成本，保障工程進(jìn)度。