三峽升船機齒條及螺母柱間隙灌漿工藝試驗

詹劍霞，李紀虎

（中國葛洲壩集團股份有限公司三峽分公司，湖北宜昌 443002）

1 前言

三峽升船機為齒輪齒條爬升式全平衡垂直升船機，船廂的安全機構為“短螺桿-長螺母柱”的保障系統，船廂的驅動機構采用齒輪齒條爬升形式。齒條、螺母柱及其二期埋件共4套，對稱安裝在4個塔柱的凹槽內。齒條、螺母柱及其二期埋件外表面均有凸出的梯形齒，兩者的梯形齒相互咬合，并留有40mm縫隙。齒間的間隙采用高強度、高流動性的灌漿材料充填，以滿足將齒條、螺母柱所受到的巨大荷載傳遞給鋼筋混凝土結構的傳力要求。目前，國內外均沒有這種采用灌漿材料來實現如此重要結構的結合和傳力的工程實例，因此，采用合適的灌漿材料和灌漿工藝是一個重要的課題。

本文在國產高強灌漿材料和同類進口材料性能檢測對比試驗基礎上，通過原型灌漿試驗，在灌漿設備選型、攪拌時間、模板密封、灌漿方式和灌漿流速參數控制等方面進行了研究，優選出符合三峽升船機齒條、螺母柱接縫灌漿材料設計要求的灌漿材料和合適的灌漿工藝，取得了明顯效果。

2 灌漿工藝試驗

本次試驗主要分為4個方面：材料物理性能檢測試驗，材料力學性能檢測試驗，室內模型灌漿試驗和灌漿效果質量檢測試驗結果。

主要開展了壓力灌漿法施工工藝的研究。通過在室內制作灌漿試驗模型，試驗研究了灌漿材料的流動性、可灌性和擴散半徑等基本灌漿參數，并研究了與灌漿材料相適應的灌漿施工工藝參數（壓力、注入率等），選擇出可應用到實際工程施工中的制漿設備和泵送設備，為現場施工提供合適的灌注工藝參數。

2.1 灌漿材料物理性能、力學性能檢測試驗

選擇了3種國產灌漿材料和德國PAGEL灌漿材料進行室內性能對比檢測試驗。物理性能試驗項目包括凝結時間、泌水率、流動度、固結體28 d干縮率和固結體1 d豎向膨脹率。力學性能試驗項目包括固結體抗折強度、固結體抗壓強度、固結體彈性模量、固結體抗剪強度和與鋼材的粘結強度。

2.2 室內模型灌漿試驗

2.2.1 模型設計與制作

灌漿模型采用鋼板（兩側面及背面）和有機玻璃板（正面）拼裝，采用角鋼及螺栓固定連接，采用密封條進行密封。為方便拆卸和重復使用，模型分為4節。模型的鋼凸輪直接焊接在側面鋼板上，鋼板厚度為6mm，有機玻璃板厚度為10mm。

為模擬現場螺母柱接縫灌漿的實際情況及漿液的擴散性能，模型試驗的接縫寬度為40mm（與現場預留接縫尺寸一致）。模型總高度為5 310mm，厚度為200mm，寬度為180mm，灌漿口留在模型下部，直徑為40mm。制作完成后的灌漿模型如圖1所示。

圖1 三峽升船機接縫灌漿模型圖Fig.1 Diagram of the Three Gorges Project ship lift joint groutingmodel

2.2.2 灌漿試驗

分別對國產灌漿材料和德國PAGEL灌漿材料進行了灌漿試驗，試驗結果如下。

1）國產灌漿材料工藝試驗（以灌漿材料A為例）。分別對縫寬40mm及20mm的模型進行了灌漿工藝試驗，灌漿模型立放，主要檢驗漿液的可灌性和流動性，漿液水料比為17%。由于灌漿材料A的最大顆粒直徑小于2mm，漿液采用強制式砂漿攪拌機攪拌，攪拌時間不少于5m in，采用螺桿泵作為灌注設備，在灌漿口處安裝三通節門，以控制灌漿速率。

2）PAGEL灌漿材料工藝試驗。分別對灌漿模型進行豎直灌漿試驗（模型立放）和水平灌漿試驗（模型水平放置）。

模型豎直灌漿試驗主要檢驗漿液的可灌性，通過試驗模擬可得到達到實際擴散距離所需要的灌漿壓力和灌漿速率，并且選擇出合適的制漿設備和泵送設備。試驗過程中為了分別研究不同灌漿速率、漿液摻氣和模型排氣對灌漿質量的影響，共進行了3次試驗。第一次灌漿試驗主要驗證漿液的擴散距離，即漿液通過泵送設備能否達到指定高度（不小于5m），以及所需的灌漿壓力。第二次灌漿試驗采用自行加工改造后的砂漿攪拌機和砂漿泵設備。第三次灌漿試驗采用如下措施。a.在灌漿前用漿液排出管路中的水和空氣。b.使泵的螺旋部分始終處于液面以下。c.加強對灌漿速率和灌漿壓力的控制。

為檢驗漿液在水平方向的擴散距離和灌漿效果，進行了模型水平灌漿試驗。灌漿口放在模型底部，模型長度為2.5m，出口留有排氣管進行排氣。

2.3 試驗結果

1）3種國產灌漿材料和德國PAGEL灌漿材料的性能對比檢測試驗結果表明，PAGEL灌漿材料的物理性能指標和力學性能指標均優于國產灌漿材料，如表1、表2所示[1]。

2）PAGEL灌漿材料的物理性能與力學性能指標總體上與廠家所提供的性能指標一致，能滿足三峽升船機齒條、螺母柱接縫灌漿材料要求。具體實驗結果如下。a.固結體28 d抗壓強度達到90MPa，90 d抗壓強度達到108.3MPa，90 d靜力受壓彈性模量為37 600MPa，與廠家提供值基本相同，固結體各齡期抗折強度均大于廠家提供值，固結體28 d與鋼材粘結強度為8.6MPa，大于廠家提供值4.87MPa，壓-壓循環疲勞試驗循環次數達到200萬次未出現裂紋。b.漿液流動度及1 d豎向膨脹率與廠家提供值相差較大，可能是由于試驗方法不同所引起的，其數值均滿足《水泥基灌漿材料施工技術規程》（YB/T 9261—98）的要求。

表1 灌漿材料物理性能指標試驗匯總表Table1 Summary tableof physicalproperty indexesof groutingmaterial test

表2 灌漿材料力學性能指標試驗匯總表Table2 Summary tableofmechanicalproperty indexesof groutingmaterial test

3）國產灌漿材料的物理[2]、力學性能指標[3]離散性較大，部分性能指標試驗值與廠家提供值差別較大。

4）分層灌漿（二次灌注）對固結體抗壓強度和抗折強度（垂直于結合面方向）有一定影響，但降低幅度均在10%以內。

5）對于PAGEL灌漿材料采用加工改造后的砂漿泵可以滿足灌注要求，且制備灌漿材料攪拌時間不少于5min。最大灌漿壓力為0.3MPa，漿液在豎直方向的擴散距離可以達到5m以上；灌漿壓力小于0.2MPa時，水平方向的擴散距離可以達到2.5m以上。

3 原型灌漿試驗

為模擬現場螺母柱與二期埋件間的間隙灌漿的實際情況及漿液的擴散性能，原型灌漿試驗按最不利灌漿條件即最小的間隙寬度20mm設計。

試驗流程：模型設計與制作安裝→排架搭設→鋼筋網制作安裝→模板、管道施工及密封效果檢測→灌漿材料試驗及灌漿設備選擇→灌漿參數測試→灌漿→養護、拆模→試驗塊性能檢測。

3.1 模板密封檢測

為便于觀察灌漿過程，模型兩側均采用寬16 cm、厚12mm的有機玻璃作為模板進行封閉；有機玻璃接縫部位內、外側都均勻涂抹玻璃膠，外側玻璃膠的外部另涂抹“堵漏靈”密封，共形成3層密封材料；通過進漿管進行壓水檢查密封效果。

3.2 灌漿設備選型

灌漿泵先后采用了HS-B8型華氏螺桿泵、GS50E型申港螺桿泵；灌漿管先后采用了?50mm高壓風管、?50mm高壓鋼編管；攪拌機先后采用了JQ350型立式灰漿攪拌機、350型滾筒攪拌機。

試驗過程中采用不同的水料比對灌漿管、灌漿泵、攪拌機性能以及高揚程泵送情況進行了試驗。

3.3 灌漿參數測試

模型灌漿采用流速和壓力兩個參數控制整個灌漿過程。灌漿中斷試驗按3個中斷時間段進行模擬試驗，即中斷0.5 h、1 h和2 h。采用壓力法進行灌漿中斷試驗，試驗按10 cm/m in的速率控制，PAGEL灌漿材料按11%水料比配漿。

分別采用拔管法灌漿和自重法無壓灌漿進行灌漿試驗。拔管法灌漿采用?40mm皮管與螺桿泵出口連接，皮管伸入模型底部，拔管速率與漿液灌入速率相適應，但拔管出口必須始終插入漿面以下不小于30 cm深處。自重法無壓灌漿是通過在進漿管頂部布置漏斗，直接將漿液倒入漏斗內。

3.4 試驗結果

1）在脫模后取試塊送檢，加工切割成70.7mm×70.7mm×70.7mm的立方體試塊進行檢測[4]，檢測結果均滿足設計要求，如表3、表4所示。

表3 PAGEL灌漿材料試塊檢測結果Table 3 Resultsof PAGEL groutingmaterialblock test

表4 不同PAGEL灌漿材料試塊7 d抗壓強度檢測結果Table4 7 d compression strength resultsof different PAGEL groutingmaterialblocks

2）原型灌漿試驗結果表明，采用GS50E型申港螺桿泵、JQ350型立式灰漿攪拌機、350型滾筒攪拌機和鋼絲芯液壓管可以滿足灌漿設備要求。

3）根據模型試驗拆模后外觀及性能檢測成果，頂部采取不封閉的形式進行灌漿，灌漿按流速≤10 cm/m in、壓力≤0.3 MPa兩個參數控制整個灌漿過程，可滿足灌漿密實性的要求。

4）模板密封與鋼板接縫處內、外邊及上、下邊接縫處均勻涂抹玻璃膠（內側及上、下側玻璃膠涂抹在側模加固前完成），外側玻璃膠外部另涂抹“堵漏靈”密封，共形成3層密封材料，可滿足密封要求。

5）制漿過程中，PAGEL灌漿材料極易出現結團現象。因此，制漿時應先加少量PAGEL干料，然后加少量水進行攪拌，再逐步加料加水。采用該方法可以避免出現結團現象，大大縮短了拌料時間。

6）壓力法灌漿中斷1 h可滿足繼續灌漿要求；環境溫度較高時，中斷2 h灌漿效果較差。根據試塊性能檢測結果，骨料均勻部位和無骨料部位PAGEL灌漿材料固結體抗壓強度均滿足要求。

7）拔管法灌漿與自重法無壓灌漿的質量均可滿足要求，由于自重法無壓灌漿堵管后疏通較難，且壓力表等配件每次灌漿均需更換，因此，在現場灌漿時宜采取拔管法灌漿。

8）灌漿材料現場檢測試驗結果。對德國PAGEL灌漿材料進行了現場檢測，水料比為11%，施工配合比如表5所示。PAGEL灌漿材料現場檢測結果如表6所示。從表6可以看出，PAGEL灌漿材料現場檢測結果均滿足要求。

表5 PAGEL灌漿材料施工配合比Table5 M ixture ratio of PAGEL groutingmaterial construction

表6 PAGEL灌漿材料試驗檢測結果Table 6 Resultsof PAGEL groutingmaterial test

4 現場施工

現場施工程序：施工前準備→齒條、螺母柱設備安裝驗收→不銹鋼筋網安裝→模板安裝→設備就位、調試→百分表安裝→灌漿→拆模、養護→轉下一倉。

灌漿工藝流程如下。a.按規定的配合比（11%）進行配料，按攪拌要求先加入2/3水，再加入全部干料，再加入1/3水進行攪拌，攪拌時間不小于180 s。b.在灌漿管出口處接一根拔管，從齒條、螺母柱頂部緩慢放入到離底部30 cm高處，開始進漿，為防止漿液中混入空氣，灌漿泵受料斗內的漿面不得低于進漿口位置。c.拔管速度與漿液灌入速度相適應，拔管出口始終插入漿面以下不小于30 cm深處，灌漿按流速≤10 cm/m in、壓力≤0.3MPa兩個參數控制。d.漿液面在距頂部約5 cm高時終止灌漿，采用吸管將表面的稀漿抽出，確保漿液的濃度。e.灌漿過程中保持勻速、連續，保持漿液新鮮，中斷時間控制在2 h以內。f.每節螺母柱和齒條灌漿前，均在灌區設置6個觀測點采用百分表實施同步變形觀測，當百分表觀測值有明顯增大的趨勢（抬動觀測值≥200μm）時，減緩灌注速度。

實施效果：拆模后進行外觀檢查，PAGEL灌漿材料固結體與金屬結構埋件鋼襯結合面沒有脫空現象，外露面光滑，無蜂窩、麻面，灌漿密實度較好；對漿液取樣所做試塊28 d平均抗壓、抗折強度分別達到92.4MPa和13.7MPa，檢測結果均滿足設計要求。

5 結語

1）灌漿工藝試驗表明，PAGEL灌漿材料的物理性能與力學性能指標總體上與廠家所提供的性能指標一致，此灌漿材料能滿足三峽升船機齒條、螺母柱接縫灌漿材料的要求。選擇出的制漿設備、泵送設備和灌注工藝參數均可以應用到實際工程。

2）原型灌漿試驗模擬了現場螺母柱與二期埋件間的間隙灌漿的實際情況，采用的灌漿設備選型、灌漿方法、灌注工藝參數等均滿足了試驗要求，為三峽升船機齒條、螺母柱接縫灌漿提供了合適的灌漿工藝。同時，現場檢測結果進一步驗證了PAGEL灌漿材料滿足設計要求。

3）本次灌漿試驗優選出了三峽升船機齒條、螺母柱接縫灌漿材料和合適的灌漿工藝，試驗效果明顯，各項檢測指標均滿足設計要求，該項技術可為其他類似工程提供參考。

[1] 北京中水科水電科技開發有限公司.三峽升船機螺母柱接縫灌漿料檢測試驗研究成果報告[R].CIWA-TZ-2005-GS-003，北京：北京中水科水電科技開發有限公司，2006.

[2] 中華人民共和國國家計劃委員會.GBJ 82—1985普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法[S].北京：中國標準出版社，1986.

[3] 中華人民共和國建設部，國家質量監督檢驗檢疫總局.GB/T 50081—2002普通混凝土力學性能試驗方法標準[S].北京：中國建筑工業出版社，2003.

[4] 中華人民共和國國家經濟貿易委員會.DL/T 5150—2001水工混凝土試驗規程[S].北京：中國電力出版社，2002.