全圓式針梁襯砌臺車底拱混凝土氣泡產生的原因及措施

黃小紅

全圓式針梁襯砌臺車襯砌圓形隧洞時，洞襯腰線以下兩側及底拱混凝土表面均出現不同程度及較大面積氣泡水紋等質量問題，通過對全圓針梁臺車結構優化、全圓針梁臺車底拱增設窗口、優化混凝土配合比等來解決襯砌帶來的質量問題。

一、工程概況

吉林敦化抽水蓄能電站位于敦化市北部，電站樞紐建筑物由上水庫、下水庫、輸水系統、地下廠房、開關站等部分組成。引水系統由引水隧洞、調壓井和高壓管道等結構組成，共設計引水隧洞2條，開挖斷面均為圓形。依據設計圖紙《引水隧洞體型圖》(BJ185S-H4-4-3-1～2)及《引水隧洞鋼筋圖》(BJ185S-H4-4-4-1～2)圖示，采用鋼筋混凝土襯砌，典型分倉為12m一個標準單元，洞室襯砌后直徑6.2m，厚度0.6m，襯砌總長度1562.03m。

二、存在的問題

全圓模板澆筑，底拱部位氣泡成為混凝土澆筑質量通病，難以徹底消除，影響混凝土質量外觀評定，是針梁臺車澆筑的質量控制難題，長期困擾，難以解決。

三、產生的原因及措施

1.全圓模板底拱氣泡產生的原因剖析及措施

氣泡產生原因剖析：由于整體臺車泵送混凝土坍落度大，同時整體式臺車模板襯砌振搗困難，給泵送混凝土施工的外觀質量造成一定的影響，這些質量缺陷表現是：洞襯腰線以下兩側及底拱混凝土表面均出現不同程度的、較大面積氣泡和水紋、粉面等缺陷，且很難消除。氣泡產生的原因表面上看兩方面：①在圓形洞室底拱澆筑過程中，隨著混凝土的上升并接近底部模板,由振搗產生的氣泡及混凝土表面的空氣，因浮力作用和表面張力作用很容易被封閉在混凝土面與模板之間，澆筑完成后在混凝土表面形成氣泡。全圓式針梁臺車襯砌，底拱呈現倒模狀態，尤其是圓心角90°范圍內，出現頻率較多，面積較大。②由于混凝土拌和物的和易性不理想，泌水率大，在澆筑振搗過程中，泌水附著在模板表面形成氣泡、水紋等。

全圓針梁臺車在施工過程中，主要原因是臺車的剛度和抗浮抗振能力，因為如果臺車的剛度不好或者臺車的固有頻率與插入式振動器的振動頻率相同（形成共振）或者抗浮機構設計有問題、有缺陷，臺車的振動幅度就大，模板面與混凝土面就有一個接觸→脫離→接觸→再脫離的循環過程，剛澆筑的混凝土流動性較好，模板面與混凝土面接觸時中間不會或很少有氣體，脫離時，氣體就會進入模板面與混凝土面中間，同時混凝土的流動和回填間隙通常是微觀不均勻的，當模板面與混凝土面再次接觸時，就會將一部分氣體憋在間隙中不能排出，隨著混凝土的凝結，其流動性越來越低，模板面與混凝土面在不斷的接觸與脫離的循環過程中，就不斷的有氣體夾在模板面與混凝土面間形成氣泡和麻面等施工缺陷。

2.混凝土氣泡消除措施

（1）臺車結構優化。針梁臺車按照針梁與模板相對位置不同分為中置式和上置式，相對應模板開口部位為頂拱和底拱，中置式臺車重心較低，適合多種縱坡坡度的行走，是傳統的結構形式。隨著技術革新，在坡比小于10%的縱坡條件下，施工單位更多采用上置式臺車，上置式臺車模板支撐結構的底部空間較大，人員穿行方便，經過改造最大的優勢為混凝土澆筑至頂部，底拱混凝土已初凝，底弧模板可以打開進行人工二次抹面壓光，從此消除大部分混凝土表面氣泡、水紋、錯臺等外觀缺陷。底拱模板打開時間須根據混凝土入倉速度、初凝時間、環境溫度等試驗確定，太早容易發生混凝土塌落事故，太晚則混凝土已上強度，實施二次壓光難度較大。同時上置式臺車對針梁結構抗扭力學性能要求高于中置式，在穩定性理論計算、大梁型鋼材質和結構件連接需要嚴加控制。相鄰標段尾水隧洞襯砌采用了上置式臺車，實現了底拱開啟抹面壓光，處理后混凝土面層平整、光潔。

（2）底拱增設窗口。臺車模體一般由1.5m～2.0m單元模塊組成，設計每塊側模板開設一對窗口，上下、左右錯開，梅花形布置，主要用于混凝土低位入倉和振搗觀察。為促進底拱空氣和泌水排出，在底拱模塊增設一組窗口，每塊一個，交錯布置，混凝土澆筑時通過底拱窗口插入振搗棒進行強振，盡可能提漿，致使氣泡快速逸出。我部臺車為中置式，增設窗口后，混凝土外觀氣泡有很大改觀，窗口范圍周邊較為理想，但窗口間遠振搗棒范圍仍然存在密集氣泡區。

表1 C25F100W6配合比調整前后對比

（3）優化振搗模式。混凝土澆筑期間，一般采用振搗棒進行強振，然后通過附著式振動器進行輔助振搗，其中目的之一是促使混凝土與模板之間的氣泡和泌水上升，浮出混凝土面，形成光滑的混凝土面。附著式振搗器在針梁臺車設計制作時已經配備，分布于模板背側，梅花形布置，功率一般為2.0～3.5kW，各自獨立和串聯，分區分部位振動，在洞室襯砌腰線以上部位，效果明顯。經分析和試驗，腰線以下部位輔助振搗更為關鍵，常規振動器一般為點動式，即開即動，關機即停，研究考慮采用變頻裝置，改進振動模式，通過變頻控制，對振動頻率和振幅進行調控，由低頻率小振幅匯集混凝土孔隙間的小氣泡和泌水，逐步形成較大氣泡，然后變頻變幅，將氣泡擠出混凝土與模板間隙，如此往復。我部在原有附著式振動器上加置了電動變頻器，與增加底拱窗口措施共同收到很好效果。

（4）優化抗浮裝置。由于是一次性澆筑，當澆筑速度過快時，鋼模將受到混凝土產生的浮力，為防止澆筑時臺車上浮，提高混凝土澆筑和振搗時的支撐剛度，在臺車上安裝設有抗浮機構，抗浮裝置為鋼模兩端的四個抗浮千斤頂，制約上浮力的作用，在前后抗浮架上安裝四個側向千斤頂，使針梁和鋼模不產生側向位移?？垢C構主要安裝在頂模和側模腰線以上的模板大背楞前后端、前后外框架外端，主要用于承受澆筑混凝土時產生的上浮力和混凝土振搗時的激振力，確保模板與混凝土的緊密接觸，避免氣泡和麻面等質量缺陷。前抗浮機構支在待襯拱頂和腰線以上巖石上，后抗浮機構及接茬模板支在已襯拱頂上。

臺車澆筑有效長度12m，鋼結構大梁在自重和模板作用下產生向下撓度，在合同內入倉泵送管推動和振動器共振下，臺車中部仍然產生較大幅度的抬動，為此，我部在頂部入料口臨近的觀察窗口設置了三組臨時支撐，采用鋼管和配套頂托，將模板中部分三個部位依次加固，當混凝土澆筑至腰線部位以上，用扳手松開絲扣，取出支撐，這樣減少了模板和混凝土面來回分離和結合間隙，抑制了氣泡產生。

（5）優化混凝土配合比。引水隧洞采用C25F100W6混凝土襯砌，設計塌落度160±20mm，二級配。澆筑過程中發現，為便于施工，混凝土塌落度一般按照上限控制，拌合物流動性較好后，保水性出現負面效應，入倉后泌水較多，振搗完后表面水漿富集，水膠比偏大，外加劑計量秤分度值偏大，對于引氣劑較小摻量控制誤差偏大。項目部邀請第三方試驗室對原配合比進行復核，結論為原配合比設計時，出于成本考慮，能夠保證混凝土基本指標，但工作性能較差，對于現場骨料級配情況，調整難度較大，實施過程也不易掌握。隨之在原配比基礎上予以優化，見表1。

粉煤灰顆粒呈多孔型蜂窩狀組織，比表面積較大，具有較高的吸附活性，顆粒的粒徑范圍為0.5～300μm。并且珠壁具有多孔結構，孔隙率高達50%～80%，有很強的吸水性。保證混凝土強度條件下，在規范允許范圍內調整膠凝材料的比例，是可行的。由于外加劑摻量較少，更換分度值較小的計量設備，精準控制每盤拌合物投料，保證了配料的穩定性。在配合比調整后，我部根據倉面澆筑不同部位，進行塌落度微調，洞室底拱90～120°范圍，塌落度按照下限控制，結合臺車系列優化改造，加強振搗效率，大大減少了氣泡產生部位和面積，為后期外觀評定與處理帶來優勢。

四、取得的主要研究成果

在減少圓形洞室襯砌底拱產生氣泡、水紋等質量通病方面，采用對比不同結構臺車、底拱增設窗口、優化振搗模式、補充抗浮裝置，優化混凝土配合比等系列措施，提高了混凝土外觀質量，減少了后期處理費用和時間。

五、結語

隧洞洞襯技術，相對較為成熟，細節管控才能從安全、質量和進度管控上進一步完善。通過本項目研究，在混凝土質量通病預防管控方面取得良好效果，文中所述的方案和措施是可行的，具備推廣和借鑒意義。