坪山河地埋式調蓄池、水質凈化站“跳倉法”施工技術

盧 斌,馬永志,陳 松,姚大游

(1.中建水務環保有限公司，北京 100071；2.中建三局南方公司基礎設施部，廣東 深圳 518000)

《地下工程防水技術規范》(GB 50108—2001)要求后澆帶應在兩側混凝土齡期達到42 d方可施工。由于后澆帶貫穿整構筑物，給施工帶來很大的不便，對工期也造成很大延后，考慮后澆帶施工和拆模，將會導致工期延后2個月左右?；诖罅抗こ虒嵺`，王鐵夢提出利用混凝土結構特性提出“抗與放”的設計理念，對集中式及連續式約束條件下混凝土溫度收縮應力的計算方法，并對大體積混凝土結構縫間距、寬度提出實用解析算法[1-3]。根據“抗與放”的設計理念，通過合理分塊跳倉施工，使得大體積超長混凝土結構無縫(不設伸縮縫、不設沉降縫、不設后澆帶)施工成為可能。近年來在工民建行業超長大體積筏板基礎無縫施工技術應用廣泛，根據統計[2]在2001—2017年在工民建領域有119個主要工程應用實例。2015年北京市已發布相應地方標準《超長大體積混凝土結構跳倉法技術規程》(DB11/T 1200—2015)，用于指導北京地區工民建建筑地下室超長大體積混凝土結構應用跳倉法的設計和施工。

目前國內水利和市政行業構筑物對于避免大體積混凝土裂縫一般采用留永久變形縫，或者布置冷卻水管降低混凝土水化熱，或者使用微膨脹混凝土。這些方法造價高，工期長，可靠性也不高。水利和市政行業對于“跳倉法”無縫施工技術應用相對較少，也缺乏相應行業規范指引。基于“跳倉法”能夠縮短工程工期，降低工程成本，提高了構筑物整體性和防水性，深圳市坪山河干流綜合整治及水質提升工程地埋式構筑物大量應用跳倉法技術。本文對施工中技術經驗進行總結，為本行業相關工程設計和施工應用提供一定參考。

1 工程概況

深圳市坪山河干流綜合整治及水質提升工程共設計7座調蓄池和2座凈化站，調蓄容積(1.5～8.0)萬m3，水質凈化站處理規模均為2萬m3/d，構筑物底板厚度最厚1.0 m。由于深圳市土地資源稀缺，調蓄池和水質凈化站均為地埋式構筑物。根據設計方案，所有調蓄池及凈化站均設置后澆帶，以降低結構開裂風險。國內外現有大量民用和工業構筑物均取消后澆帶[4-8]，采用跳倉法施工，相關應用經驗在工民建結構應用已經相當成熟。由于年度治水提質考核要求，工程工期緊迫，為縮短工期和降低建設成本，同時保障地下構筑物結構防水性能，坪山河干流綜合整治及水質提升工程除墩子河、石井、上洋調蓄池(非關鍵線路或體量較小)外，其余4座調蓄池和2座凈化站均采用跳倉法施工。

坪山河干流綜合整治及水質提升工程所有調蓄池及凈化站均位于地下，其結構均需考慮抗浮設計，其相關平面尺寸、底板厚度、基礎持力層和抗浮設計方案詳見表1。

表1 調蓄池及水質凈化站結構信息

2 跳倉法原理

大體積混凝土裂縫機理十分復雜，其產生原因主要有6種：結構基礎約束條件、配筋、混凝土強度等級、混凝土材料配合比、水灰比控制以及混凝土養護條件。結構基礎約束條件體現在長墻板結構在澆筑后混凝土收縮受地基約束條件下導致的變形效應，變形引起豎向裂縫正應力和斜向裂縫剪應力。通過解析方法對于長墻板受地基約束條件下變形效應進行理論推導，得到其法向應力見式(1)。

ΔTiEi(t)Hi(t，τi)≤ft

(1)

式中μ為泊松比；ΔTi為溫升峰值至周圍環境氣溫溫差后第i段溫差；Ei(t)為第i段降溫時段對應混凝土彈性模量；Hi(t，τi)為由時間t至τi應力松弛系數；ft為混凝土允許抗拉強度。

由推導公式(1)可知混凝土結構溫度收縮應力和長度呈非線性關系，長度是產生裂縫重要因素之一。在較短范圍內，長度增加使得溫度應力顯著增加，當構筑物長度繼續增加，溫度應力增加緩慢直至保持為穩定常數。因此，可得到連續式約束條件下“抗與放”設計原則，即跳倉法無縫施工理論基礎。根據工程實踐，施工階段混凝土結構變形效應明顯，在使用階段承受較小的變形效應。因此對于地基約束引起的應力或變形，用“放”的方式減少約束，使得結構變形或位移提前釋放。待混凝土結構強度增加后，便可利用其抗拉強度和極限拉伸增大發揮其“抗”的特性。

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因此在大體積混凝土結構施工中，將大體量的混凝土結構劃分成若干小塊體間隔施工，將早期混凝土收縮應力短期釋放，在后期收縮應力較小階段再將若干小塊體連成整體，依靠混凝土抗拉強度抵抗下一階段混凝土溫度收縮應力。最小跳倉塊長度[L]min按照相關文獻[1]推導，其公式為：

(2)

式中 [L]min為最小跳倉塊長度；E為混凝土彈性模量；H為底板厚度或者板墻高度；Cx為地基水平阻力系數；α為混凝土線膨脹系數；T為互相約束結構的綜合降溫差，包括水化熱溫差T1、大氣溫差T2、收縮當量溫差T3；εp為鋼筋混凝土的極限拉伸應變(考慮配筋及徐變影響)。

各種地基及基礎約束條件下無樁基地基水平阻力系數可參照表2[1-3]。

表2 各種地基及基礎約束下的水平阻力系數

注：1.本表中CX下限值(較小值)用于基礎埋深等于或小于5 m，上限值(較大者)用于基礎埋深大于5 m。2.在鋼筋混凝土梁上標注樓板時，CX取(60～100)×10-2；在巖石、大塊混凝土、鋼筋混凝土上新澆筑混凝土時，CX取(100～150)×10-2。

樁基對于結構地基附加約束作用，地基水平阻力系數按照下式計算[1]：

(3)

(4)

(5)

F1=F-F2

(6)

3 坪山河地埋式調蓄池、凈化站跳倉法實施情況

3.1 調蓄池、凈化站倉格分塊

根據坪山河調蓄池、凈化站場地基礎土層情況，結構樁基形式不同，分別代入相應參數得到調蓄池、凈化站水平阻力系數和最小跳倉塊長度見表3、表4。

根據計算，碧嶺調蓄池、錦龍調蓄池、湯坑調蓄池、南布調蓄池、南布凈化站其最小跳倉塊長度范圍在47.99～59.25 m；碧嶺凈化站埋深較深，持力層位于微風化大理巖，地基水平阻力系數對于分塊影響作用明顯，其最小跳倉塊長度僅7.21 m。為避免碧嶺凈化站跳倉分塊過多，在碧嶺凈化站底板設計高程下部鋪設一層0.1 m中粗砂墊層，形成柔性滑動層，降低巖石基礎對于底板混凝土的約束。通過設置柔性墊層，重新計算得出碧嶺凈化站最小跳倉塊長度[L]min=32.17 m。

表3 調蓄池、凈化站地基水平阻力系數 N/mm3

表4 調蓄池、凈化站最小跳倉塊長度 m

由前述得出的理論最小跳倉塊長度對凈化站和調蓄池構筑物進行倉塊劃分，倉塊長邊大小不得大于最小跳倉塊長度允許尺寸，同時考慮調蓄池軸網布置、周邊場地交通條件、混凝土供應能力、現場勞動力情況，對調蓄池進行倉格合理劃分。坪山河調蓄池及凈化站倉格數3～9個不等，倉塊劃分尺寸見表5及圖1～6所示。

表5 調蓄池、凈化站跳倉倉格劃分尺寸 m

圖1 碧嶺調蓄池倉塊劃分示意

圖2 碧嶺水質凈化站倉塊劃分示意

圖3 錦龍調蓄池倉塊劃分示意

圖4 湯坑調蓄池倉塊劃分示意

圖5 南布調蓄池倉塊劃分示意

圖6 南布凈化站倉塊劃分示意

3.2 調蓄池、凈化站分塊澆筑時序

對劃分好倉塊，采用“隔一跳一”原則確定混凝土澆筑時序。以碧嶺凈化站和錦龍調蓄池為例，碧嶺凈化站施工時序為：先行施工B-J-1、3、5三個分塊，7 d后再行施工工B-J-2、4、6分塊(見圖2)；錦龍調蓄池先行施工J-T-1、3分塊，7 d后再行施工J-T-2分塊(見圖3)。倉與倉之間施工縫采用“快易收口網”作模板。每個分倉混凝土一次性澆筑完成，相鄰分倉混凝土澆筑時間控制不小于7 d。

3.3 混凝土配合比調整

設計圖紙調蓄池混凝土材料要求：主體結構鋼筋混凝土強度為C35，抗滲等級P8，水灰比不大于0.5，水泥強度等級不低于42.5 MPa。超長混凝土結構裂縫與混凝土水化熱產生的內外溫差密切相關，在混凝土中摻入適量粉煤灰，減少水泥用量，降低水化熱。因此在滿足設計強度要求和施工工藝前提下，應通過調整水泥用量、材料配比、摻入外加劑等方法綜合優化混凝土配合比。

坪山河項目調蓄池及凈化站混凝土配比通過混摻粉煤灰，降低水化熱造成的溫升；添加聚羧酸高性能減水劑，大幅度提高混凝土早期和后期強度；同時添加膨脹抗裂劑，補償混凝土收縮。另外，所使用商品混凝土均采用泵送，摻入高效聚羧酸泵送劑，塌落度控制在(160±20)mm。調蓄池結構混凝土粗骨料采用碎石(最大粒徑25 mm)，細骨料采用中砂(細度模數2.8)。通過優化設計，調蓄池和凈化站構筑物C35P6混凝土配合比見表6。

表6 坪山河調蓄池結構混凝土配合比 kg/m3

3.4 混凝土入倉溫度和澆筑養護

調蓄池、凈化站施工期在春季，日平均氣溫約為22℃。通過預冷骨料和冷水拌和，控制混凝土入倉溫度不超過25℃。除碧嶺調蓄池底板最薄為600 mm未采用分層外，其余調蓄池、凈化站底板均分2層連續澆筑。施工期間要求層間覆蓋間隔時間不大于混凝土初凝時間，同時需二次振搗，確?；炷撩軐??；炷脸跄两K凝立即覆蓋無紡布并灑水進行保濕保溫養護，養護期14 d。墻面采用花管淋水養護5 d以上，拆模后花管持續噴水保濕。

圖7 碧嶺調蓄池、水質凈化站結構施工期養護照片

4 跳倉法實施效果

坪山河綜合整治及水質提升工程6個地埋式調蓄池和凈化站結構應用跳倉法施工加快了施工速度，平均每個調蓄池縮短工期約2個月。通過檢查發現，施工質量良好，現場驗收近距離觀測未發現任何一個調蓄池和凈化站構筑物出現滲水裂縫，達到無縫施工目標。

圖8 錦龍、碧嶺調蓄池結構完工照片

5 結語

1) 地埋式構筑物結構持力層越好，其地基阻力系數越大，地基對構筑物底板產生阻力，增加結構水平應力。因此，地質條件較好的巖層基礎跳倉分塊間距較小，可通過設置柔性墊層(碎石層、瀝青涂層或中粗砂層)減小地基對于構筑物跳倉分塊影響。

2) 抗拔樁作為調蓄池結構底板基礎一部分，限制底板位移變形，根據計算表明影響較小，相對無樁基礎阻力提高約10%左右，對于倉格劃分有一定影響。

3) 跳倉法應用實踐中混凝土配合比設計非常關鍵，通過合理摻入粉煤灰、減水劑、膨脹劑等，可降低水泥用量，降低水化熱導致的溫度上升，提高混凝土早期強度和抗裂性。

4) 坪山河綜合整治及水質提升工程調蓄池及凈化站構筑物均為地埋式，施工期間濕度和溫度變化較大，施工階段溫度應力較大，通過跳倉法施工，有規律的讓部分倉塊“先放后抗”，完成整體澆筑后又以“以抗為主”。通過6處大體量的地埋式構筑物實踐，跳倉法應用是成功和可靠的，可作為類似工程參考。工程已于2020年1月投入運行，尚未出現質量問題，后續還需跟蹤構筑物運行期質量情況，為跳倉法在水利工程中應用提供更有力的依據。