自密實混凝土在西甘池隧洞工程中的應用

(北京通成達水務建設有限公司，北京 101300)

1 自密實混凝土優越性

應用自密實混凝土的優越性具體表現在：

a.具有良好的材料勻質性和穩定性，在流動狀態下不泌水、不起泡、無粗骨料離析現象，能夠在困難斷面或密集鋼筋結構中完成混凝土的澆筑，減少混凝土缺陷，保證工程質量，減少以后修復工程和修復費用。

b.加快澆筑速度，縮短施工時間。

c.由于不需要振動搗實，減少了施工噪音，同時也有效保證了施工安全；能夠從總體上降低工程造價，提高經濟效益。

2 西甘池隧洞工程選用自密實混凝土襯砌的原因

2.1 工程簡介

西甘池隧洞位于南水北調中線(北京段)惠南莊泵站～大寧調壓池輸水干線范圍內，距房山鎮約14km。樁號為HD12+300～HD14+100，雙洞平行布置，單洞長1800m。隧洞結構形式為PCCP管道和鋼筋混凝土復合襯砌結構。開挖洞徑為5.3～6.36m，城門洞形，初期支護為厚100～180mm的噴錨支護，特殊地質洞段采用型鋼鋼架加強支護。

該工程原設計方案為隧洞貫通后每12m為一段，進行厚40～50cm的鋼筋混凝土襯砌施工，襯砌全部完成后進行洞內管道安裝和厚20cm的管外填充混凝土回填。但在建設過程中，由于拆遷占地滯后等原因，導致隧洞開挖貫通日期大大延后，僅剩下4個月的工期預留給后續三項工作(3600m長的隧洞襯砌、洞內管道安裝、管外混凝土回填)，工期遠遠不夠，必須進行方案調整。

2.2 調整方案的選擇

通過進行反復的方案論證和對比，并與業主、監理、設計單位研究決定，用PCCP管做內模的方案，即隧洞開挖完成后，先安裝PCCP管道，然后采用PCCP管子做混凝土內模，將隧洞襯砌和管道混凝土同時澆筑完成。由于PCCP管不允許開澆筑倉口，管與洞壁之間處于基本封閉狀態，且澆筑空間狹小，采用常規混凝土施工很難確保澆筑質量。經過認真分析，并咨詢相關專家，最終決定，除埡口下游1005m段中圍巖較好的無筋洞段采用自流平砂漿回填外，其余圍巖地質條件較差的洞段，采用雙層配筋+自密實混凝土澆筑，利用自密實混凝土無須振搗而依靠自重均勻填充澆筑空間的優勢，實現既保工期又保質量的目標。方案調整示意詳見圖1。

配合襯砌方案調整，隧洞固結灌漿、回填灌漿的施工順序和工藝也進行了相應的調整。固結灌漿在初期支護的強度達到設計要求后即進行，提前對地質條件較差的圍巖進行固結加強。

3 自密實混凝土配比設計

自密實混凝土是一種具有較高流動性、高填充性、高抗離析性、高間隙通過性和良好均質性的拌和物，有良好的施工性能，在硬化后具有適當的強度、較小的收縮、良好的耐久性，它能夠在自重的作用下，不采取任何密實成型措施，即能充滿整個模腔而形成勻質的混凝土，達到自密實的效果。

工程選用二級自密實混凝土，主要技術參數為：坍落擴展度為650±50mm、T50為3～20s、V形漏斗通過的時間為7～25s、U形箱試驗填充高度為320mm以上。細骨料選用細度模數為2.7的中砂，粗骨料選用粒徑為5～20mm的碎卵石；粉體為P.O 42.5水泥、一級粉煤灰、Ⅲ級礦渣粉；外加劑為HJY-828型高效減水劑。配比具體如下表。

自密實混凝土配比設計表

4 施工部署及工藝

4.1 施工段劃分

西甘池隧洞在開挖過程中，為加快施工進度，已將中間埡口位置(樁號HD13+000～HD13+095)，長95m的洞段明挖成槽，兩條隧洞形成四條短洞，其中，進口兩條長700m、出口兩條長1005m。即單條隧洞有進口、埡口、出口3個工作面。具體施工部署見圖2。

4.2 管道安裝前的準備階段

采用PCCP管做內模的隧洞襯砌方案，主要內容包括洞內管道安裝、澆筑自密實混凝土襯砌、回填灌漿，設計澆筑倉段為40m左右(8節5m的PCCP管，或者加上一個1.24～1.59m長的鋼制管件)。由于洞內PCCP管安裝采用專用設備——馱管車，所以必須要將襯砌施工分兩期進行，第一期主要為馱管車進洞安裝進行的準備工作，即澆筑底板混凝土后，鋪設馱管車軌道。

圖2 襯砌施工分段部署示意圖

主要工序包括：測量放線→清基→墊層混凝土澆筑→外圈鋼筋制安→馱管車軌道埋件安裝→底板混凝土澆筑→鑿毛處理→馱管車軌道安裝。

按每清理100m左右澆筑一次墊層混凝土，每完成60m鋼筋綁制安筑一段底板混凝土考慮，形成流水作業。

4.3 管道安裝和混凝土襯砌階段

主要施工工序包括：卸管子至鋼筋綁扎工作平臺→內圈鋼筋綁扎在PCCP管上→將鋼筋綁扎成型的管子吊至軌道→馱管車將PCCP管架起、鋼筋局部調整→管子進洞安裝→混凝土澆筑前的準備工作(混凝土管、混凝土泵就位,堵頭模板安裝)→混凝土澆筑→混凝土泵撤出、拆除堵頭模板→下一段管子安裝→進入下一循環。

回填灌漿在每一倉段混凝土強度達到70%后進行。

5 生產性試驗

自密實混凝土應用于水工隧洞的襯砌，在長距離、狹小、近乎封閉的環境中澆筑，這在國內尚屬首次，沒有規范和施工經驗可以借鑒。為驗證40m為一澆筑倉段長距離輸送的可行性，自密實混凝土能否將狹小的澆筑倉填充密實，如何確保澆筑過程中不出現漂管及其他不可預料的問題，現場進行了生產性試驗，為大規模施工提供必要的參考和數據。

工程選取埡口上游左、右洞的洞口第一個澆筑倉進行試驗。由于其位置處于洞口，雙向均有澆筑口，既便于試驗觀察，又可以在倉內一旦出現澆筑不滿的情況下采取補救措施。

5.1 左洞第1個澆筑倉HD13+000～HD12+957.62

5.1.1 泵管的布設

該澆筑倉長42.38m，倉內布設33m長的輸送泵管，輸送管路采用滑動裝置固定在隧洞頂部的工字鋼滑軌上，以便于調節混凝土出料口位置。同時，在埡口倉頭處布設了10m長的泵管一根。如下圖3。

5.1.2 澆筑情況

澆筑前期，經過在兩個倉頭堵頭模板處觀察孔監測，即使泵管下料口不做移動，混凝土也可自流至兩倉頭，呈中間(下料口處)高，兩頭低的流態。在澆筑后期，由于泵管過長和混凝土堵塞滑輪等因素影響，滑動

圖3 第一個澆筑試驗倉內泵送管路布置示意圖

裝置失靈，無法實現泵管移動。當泵管下料口混凝土高度達到洞室頂部位置時，逐步形成了中間阻隔墻，混凝土被泵送壓力反向壓至距下料口較遠的一側，即埡口HD13+000倉頭模板處，并充填密實。較近一側頂部卻出現了長約8m，高40～50cm左右的空隙。這跟預估的情況正好相反，所以預埋的第二根泵管無法發揮作用。為將空隙部位灌注密實，現場加大了泵送壓力進行澆筑，但效果不很明顯。為此，在12+957.62處又重新布置了一路泵管進行澆筑，共灌注混凝土12m3左右，將空隙處澆筑密實。

5.2 右洞第1個澆筑倉HD13+000～HD12+957.62

吸取第一個試驗倉的經驗，將混凝土輸送泵管滑動裝置取消，采用射入巖石的錨桿連接管箍固定泵送管；同時將泵管長度由30m加長為38m，距堵頭模板約4m長。通過布設在兩倉頭模板處的觀察孔，專人全過程中檢測，可以將42.38m長的澆筑倉填充密實。具體布管見圖4。

圖4 第二個澆筑試驗倉內泵送管路布置示意圖

5.3 倉頭模板的封堵工藝

澆筑自密實混凝土，除管路布置外，還需要考慮的另一個問題是對模板產生的側壓力。與普通混凝土相比，自密實混凝土屈服值很低，幾乎沒有支撐自重的能力，澆筑的過程下部模板所承受的側向壓力會隨澆筑高度增長而線性增加，這樣就要求模板具有更高的剛度和堅固程度。

在西甘池隧洞工程中，堵頭模板結合設計結構分縫的做法，采用浸油木板進行封堵。模板加固原則為“內拉為主，外撐為輔”。采用方木和架子管緊貼浸油木板做橫、豎楞，φ16的對拉鋼筋與隧洞內外側錨樁連接，螺栓緊固成整體。堵頭模板分塊加工、安裝，各塊模板尺寸相對固定，批量加工生產。堵頭模板采分為10塊定型模板，洞室腰線附近⑤、⑥號和頂部⑩號分塊模板，在澆筑前期先不安裝，留作觀察孔，在澆筑至該部位后再進行封堵。具體詳見圖5、圖6。

圖5 隧洞襯砌模板分塊及加固示意圖 (單位：mm)

圖6 模板內拉加固縱斷面示意圖 (單位：mm)

5.4 混凝土澆筑工藝

HB80T型混凝土泵泵送混凝土入倉，澆筑時在倉頭安排3～4人密切關注混凝土流態，確保PCCP管兩側的混凝土面高差在30cm以內，防止PCCP管漂移?；炷翝仓鶕仙叨炔扇】炻Y合，合理控制。混凝土面高度在PCCP管身1.5m以下(PCCP管偏下位置)時，適當加快澆筑速度；高度在1.5～3.0m之間(PCCP管中間位置)時，適當放慢澆筑速度，控制在20m3/小時以內，并密切關注管子兩側混凝土面的高差和堵頭模板的變形情況；高度在3.0m以上時可加快速度，澆筑接近頂拱部位第一次出現高壓無法壓入倉時，間歇20～30分鐘，第二次出現高壓無法壓入后，間歇20～30分鐘，再次高壓泵送入倉澆筑，最后高壓泵送入倉澆筑到無法壓入止，同時通過預留觀測孔觀測倉內澆筑情況和澆筑質量，以保證混凝土澆筑飽滿。混凝土澆筑平均速度不大于25m3/h。

5.5 試驗段總結

通過兩個試驗澆筑倉的摸索，積累了40m長的倉段自密實混凝土澆筑的基本經驗。通過合理的布設泵送管路，并密切關注倉內混凝土的流態，適時進行引流，同時加大混凝土供應強度，確保連續進行澆筑，完全可以確保倉內混凝土澆筑密實。

6 實際施工及效果

實際施工時由于泵管過長和混凝土堵塞管箍等因素影響混凝土泵送管無法移動，為此，工程采用價格較便宜的φ125無縫鋼管作為泵送管，鋼筋彎曲成U形馱住鋼管焊接在鋼架或外層鋼筋上，無縫鋼管不拔出倉內與混凝土埋設在一起。

采取改進措施后，西甘池隧洞洞穿PCCP管與管后混凝土襯砌施工日均進尺達13.3m/天，月進尺達400m/月，在不計洞穿PCCP管工期的情況下，該方案比原襯砌計劃4.0m/天的日均進尺提高了2倍, 且混凝土澆筑過程中未發生漂管現象?，F場制作的614組抗壓試塊，抗壓強度在31.6～52.2MPa，強度滿足設計要求。

通過對隧洞襯砌工程的全過程監控，采用自密實混凝土可以將狹小的澆筑倉填充密實；而且經理論襯砌方量(包括超挖量)和實際澆筑的方量對比核算，澆筑倉內已回填密實。另外，施工過程中在8個洞口位置進行了鉆芯取樣，芯樣的最小強度32MPa，結果表明，澆筑倉內和混凝土材料的密實情況均為良好，滿足設計要求。

通過埋設混凝土中的土壓力計、鋼筋收斂計、應變計、無應力計等共計112支儀器的檢測數據表明，隧洞襯砌受力情況穩定，工程運行情況良好。

7 經驗總結

通過實際施工的不斷摸索，對自密實混凝土在水工隧洞襯砌中的應用總結經驗如下：

a.泵管下料口盡量靠近順壓送方向的堵頭模板，應不超過3m。

b.模板支撐采用“內拉法”，外部支撐為輔，在確保模板加固牢固的前提下，盡量減少外部支撐，便于盡快拆除，盡快進入管道安裝工序?；炷翝仓谀０逯Я?m高后進行，邊澆筑邊進行腰線以上模板的加固、支撐；減少堵頭模板支撐占用的直線工期。

c.加強對自密實混凝土的坍落擴展度、T50、V形漏斗三項指標的檢測，嚴格控制襯砌材料的入倉質量，以確保澆筑質量。

d.確?；炷凉獜姸?，澆筑應連續進行，防止堵管。澆筑至頂部時，可適當加快速度，確?；炷猎诙词翼敳刻畛涿軐崱?/p>

e.當泵管長度超過300m時，為防止堵管，采取雙泵接力替代單臺混凝土泵送，消除單泵不利因素。

f.在PCCP管加固中，除采用工字鋼頂撐外，每根管子加設3道φ25的向下對拉管箍鋼筋的加強措施，對防止漂管效果明顯。