緩凝混凝土在軌道交通工程HPE樁基中的應(yīng)用研究

張漢昌

（中鐵十八局集團第四工程有限公司 天津 300222）

HPE[1]（Hydraulic pressure、Perpendicular、Embed）是一種施工工法，叫液壓垂直插入法，是指采用全液壓套管機和自動定位器完成鋼管柱的吊裝、垂直插入和核心混凝土澆筑，并對鋼管柱進行適時保護的整套工法[2]。其中間樁柱HPE施工工序[3]：①灌注樁混凝土澆筑完成；②HPE垂直插入機就位對中；③調(diào)整HPE垂直插入機水平度；④吊裝鋼管柱；⑤HPE插入機液壓插入鋼管柱；⑥鋼管柱四周回填砂碎石；⑦下放鋼管柱內(nèi)鋼筋籠并澆注混凝土；⑧拆除送柱標準節(jié)，HPE垂直插入機移位；⑨碎石或砂回填柱頂至地面拔除鋼護筒。 施工順序中灌注樁混凝土要求[4]:考慮插入永久性鋼管的需要，灌注樁的混凝土要有不小于36 h的緩凝時間，同時要求混凝土運輸至插入永久性鋼管柱時間段內(nèi)的坍落度不少于10 cm；混凝土運輸時間按l h計算，灌注時間按3～4 h計算，HPE垂直插入機就位按3 h計算。插入鋼管柱時間[5]按5～7 h計算，合計時間約14 h。考慮其他原因混凝土16 h后在不添加任何外加劑的情況下，二次攪拌坍落度應(yīng)不小于10 cm；為保證16 h后混凝土不分層離析有較好的和易性，粗骨料易采用5-25 mm連續(xù)級配的碎石。

1 工程概況

石家莊新客站地鐵站緊鄰石家莊新客站東側(cè)，為2號線和3號線換乘站，3號線在上，2號線在下。2號線位于石家莊新客站與站東廣場之間，呈南北走向，為地下三層島式車站。3號線位于石家莊新客站站房和站東廣場地下停車場下，呈東西走向，與石家莊新客站東廣場合建，其中地下一層為石家莊站出站通道和站東廣場地下停車場，地下二層為3號線站廳層和站臺層。

因2號線開挖深度深、施工難度大及施工周期長，為滿足東廣場整體工期要求。根據(jù)目前的實際情況，需在2、3號車站換乘節(jié)點處施做臨時封堵樁（如圖1所示），將2號線車站分成三段（南段、換乘節(jié)點段、北段）施工，其中南段、北段負一層采用明挖順做法施工，負二、三層采用蓋挖逆做法施工，換乘節(jié)點段地下三層采用明挖順作法施工。蓋挖區(qū)立柱采用HPE工法進行施工。

2 試驗

圖 1 石家莊地鐵圍護結(jié)構(gòu)平面圖

2.1 試驗方案比選

石家莊新客站下城市軌道交通預(yù)留工程C標段2號線車站南北兩側(cè)HPE樁（32根）采用HPE工法施工，為滿足施工工藝要求， HPE樁對灌注樁的混凝土凝結(jié)時間有較高的要求。

水下灌注混凝土施工因不具備振搗條件，所以要靠混凝土自身重量產(chǎn)生流動。若混凝土的流動性較差，就會造成灌注困難、堵管，無法正常灌注，甚至?xí)霈F(xiàn)斷樁，引發(fā)質(zhì)量事故及較大的經(jīng)濟損失。工程要求混凝土在灌注前，坍落度適宜。同時，水下灌注混凝土要有較好的粘聚性和保水性，以防止在灌注過程中，因混凝土的離析、泌水出現(xiàn)的碎石在導(dǎo)管中局部集結(jié)造成“卡管” 而引發(fā)質(zhì)量事故。混凝土必須要有一定緩凝時間，同時要求混凝土出場時間至插入永久性型鋼柱時間段內(nèi)混凝土的坍落度適宜（混凝土運輸時間按1小時計算，混凝土灌注時間按3-4小時計算，HPE垂直插入機就位按3小時計算，插入型鋼柱時間按5-7小時計算，合計時間約14小時）。

水下灌注樁基緩凝混凝土一方面要求混凝土早期要有較長的凝結(jié)時間，另一方面混凝土又必須有足夠的后期強度，根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，水下灌注樁基緩凝混凝土必須達到設(shè)計強度的1.15倍，因此設(shè)計了三種方案進行比選。

方案一：普通混凝土中外摻緩凝劑

表1 外摻緩凝劑方案實驗結(jié)果

選用經(jīng)工程實踐效果較好的配合比作為基礎(chǔ)配合比，在此配合比中外摻加入CA-100B型緩凝劑，調(diào)整緩凝劑的摻入量為0.5%，1.0%，1.5%進行對比試驗。實驗過程及結(jié)果如下表1、圖2所示。

圖2 混凝土和易性測試

從試驗結(jié)果中可知，通過外摻緩凝劑能有效延長混凝土的凝結(jié)時間，但隨著緩凝劑摻量的增加混凝土坍落度逐漸增大，外摻量超過一定限度時和易性變差，混凝土凝結(jié)時間不再繼續(xù)增長。但即使凝結(jié)時間最大值為16.5小時，仍不能滿足14小時時混凝土坍落度大于120mm。因此不予采用這種方案一。

方案二：增加現(xiàn)有減水劑用量。

選用方案一中的基礎(chǔ)配合比，采用AN4000聚羧酸高性能減水劑，摻量調(diào)整范圍為2.0%、2.2%、2.5%、3.0%。具體試驗結(jié)果如下表2所示：

表2 減水劑摻量調(diào)整實驗結(jié)果

經(jīng)過上述試驗發(fā)現(xiàn)，單純增加減水劑摻量效果要比方案一中外摻緩凝劑的效果還差，同樣存在達到一定限度后，隨著摻量的增加混凝土和易性變差，當摻量增大到3.0%混凝土泌水嚴重，存在離析現(xiàn)象，且14小時時坍落度已不滿足目標要求。故方案二不予采用。

方案三：采用復(fù)合型外加劑配制C40緩凝混凝土。

根據(jù)以上兩種方案的結(jié)果，將方案調(diào)整為通過摻加復(fù)合型外加劑來達到試驗預(yù)期效果。結(jié)合石家莊地方材料的特點，采用摻入復(fù)合型高效減水劑配制緩凝混凝土。通過對水膠比、水泥用量和砂率等影響混凝土強度和工作性能的因素分析，確定出混凝土的配合比。

2.2 原材料

水泥（P.O 42.5），購自鹿泉市金隅水泥廠；細骨料，采用河北正定Ⅱ區(qū)中砂；粗骨料，采用井陘生產(chǎn)的5-25mm連續(xù)級配的碎石；摻合料，使用的是石家莊上安Ⅰ級粉煤灰和冀泰S95礦粉；外加劑，采用YD-A2混凝土復(fù)合型外加劑。

2.3 配合比設(shè)計

根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》（JGJ 55-2011）進行了C40混凝土基準配合比計算。基準配合比為水膠比W/J=0.37，水泥∶細骨料∶粗骨料∶粉煤灰∶礦粉∶外加劑∶水=289∶783∶997∶101∶69∶14.2∶160。

根據(jù)基準配合比試拌了20 L拌合物，其坍落度為210 mm，滿足施工和易性要求，且粘聚性及保水性均良好，體積密度為2413 kg/m3。在基準配合比的基礎(chǔ)上增減0.05的水膠比，同時砂率增減1%，得到以下配合比，如表3所示：經(jīng)過試配，結(jié)果如表4所示。

表3 不同水膠比每立方米混凝土材料用量

表4 不同水膠比條件下試配結(jié)果

由實驗結(jié)果可知，調(diào)整水膠比以后，坍落度增大，凝結(jié)時間延長、強度雖有所降低，但仍能滿足工程要求（如圖3、4所示）。水膠比增大影響著混凝土的強度、耐久性、和易性。對于預(yù)拌混凝土來說，由于是集中攪拌，生產(chǎn)用混凝土配合比是在原設(shè)計配合比的基礎(chǔ)上，按砂石含水率和砂含石率調(diào)整后形成的生產(chǎn)配合比輸入計算機，經(jīng)準確稱量各原材的用量后攪拌生產(chǎn)的，能保證混凝土的質(zhì)量要求。

圖3 0h時混凝土和易性情況

圖4 14h后混凝土和易性情況

2.4 結(jié)果分析并確定配合比

在試配結(jié)果基礎(chǔ)上，根據(jù)經(jīng)濟性比選來最終確定工程最終采用的配合比，比選內(nèi)容如表5所示。根據(jù)表5的比選結(jié)果，綜合試配試驗結(jié)果，能夠滿足施工質(zhì)量又經(jīng)濟合理的配合比為水膠比0.37，即水泥∶細骨料：粗骨料∶粉煤灰∶礦粉∶外加劑∶水=289∶783∶997∶101∶69∶14.2∶160。并將此配合比作為石家莊新客站下城市軌道交通預(yù)留工程施工中，C40緩凝混凝土樁基的施工配合比。

表5 配合比經(jīng)濟性比選表

3 工程應(yīng)用

石家莊新客站下城市軌道交通預(yù)留工程在施工中使用了C40緩凝混凝土樁基，成功將型鋼柱插入緩凝混凝土樁基中，并且澆筑過程中都進行了坍落度檢測，緩凝效果及和易性控制良好，沒有出現(xiàn)很大變化，始終保持平穩(wěn)（如圖5、6所示）。待型鋼柱順利插入樁基后，對緩凝混凝土的凝結(jié)時間進行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果顯示符合初期設(shè)定目標要求，整個過程HPE樁基的專業(yè)施工設(shè)備使用效率較高，施工過程未出現(xiàn)工期延誤現(xiàn)象。第三方實驗室出28天抗壓強 度超過了46MPa，達到了試驗配合比強度要求。

圖 5 緩凝混凝土施工

圖 6 型鋼柱順利插入緩凝混凝土樁基

實際施工數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)對比如表6所示。實際澆筑緩凝混凝土的凝結(jié)時間較試驗階段采集的數(shù)據(jù)短，28天抗壓強度略高，分析可能施工現(xiàn)場的溫差變化較試驗室內(nèi)溫差變化大，另外實際施工時大方量混凝土產(chǎn)生的水化熱較試驗室內(nèi)拌制混凝土產(chǎn)生的水化熱多，從而導(dǎo)致混凝土強度有所提高。在后續(xù)樁基的施工中發(fā)現(xiàn)晝夜溫差對混凝土和易性有一定影響，根據(jù)實際情況在施工現(xiàn)場對混凝土微調(diào)，保證了HPE樁基順利完成。

表6 實際施工數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)對比表

4 結(jié)論

軌道交通工程HPE樁基工程造價遠高于普通樁基，且HPE樁基對施工質(zhì)量要求極為嚴格，一旦緩凝混凝土凝結(jié)時間過短，會造成型鋼柱無法插入樁基中，將直接導(dǎo)致該樁基作廢，其后果將極其嚴重，會造成嚴重的經(jīng)濟損失。因此，從灌注樁的混凝土澆筑完成至型鋼柱下插至設(shè)計標高和位置這段時間混凝土不能凝結(jié)；并且混凝土凝結(jié)時間不宜過長，一旦凝結(jié)時間過長，會造成型鋼柱穩(wěn)定設(shè)備占用時間過長，影響工程工期。故使混凝土具有足夠的緩凝時間是該工法順利使用的關(guān)鍵所在。使用緩凝混凝土作為樁基材料，可保證型鋼柱很好的插入緩凝混凝土樁基中，緩凝混凝土的凝結(jié)時間符合初期設(shè)定目標要求，滿足了HPE工法的正常實施。