大斷面鋼殼自密實混凝土管節浮態澆筑模型試驗研究

陳 燦，王雪剛，范志宏，于 方，曾俊杰

(中交四航工程研究院有限公司，水工構造物耐久性技術交通運輸行業重點實驗室，廣州 510230)

0 引 言

深中通道工程是港珠澳大橋上游的深圳至中山的過江通道工程，受技術標準、通航、防洪及航空限高等因素的限制，該通道主航道等區段采用沉管隧道穿越。深中通道的沉管隧道為雙向八車道，單孔跨度超過18 m，為超大跨度、深埋、特長型鋼殼沉管隧道，沉管規模罕見，綜合技術難度和挑戰性極高[1-3]。

鋼殼沉管隧道采用鋼殼包裹素混凝土的結構，與傳統的鋼筋混凝土沉管結構相比，鋼殼制作與混凝土澆筑實現了場地分離，選址更加靈活，且通過設置鋼殼提高了混凝土結構的承載能力和管節的防水性能，不均勻沉降的適應性也更好[4-5]。另外在鋼殼沉管結構中,自密實混凝土的應用使鋼殼混凝土結構在澆筑時無需模板安裝拆除作業，管節預制工期大為縮短，大幅度降低了現場的施工作業強度[6-7]。但鋼殼沉管作為一種新穎的跨海隧道結構設計，其混凝土材料應用及預制工藝均與傳統的鋼筋混凝土沉管結構有著顯著差異，且鋼殼自密實混凝土需要具備良好的工作性和體積穩定性, 使其在鋼殼倉格內依靠自身流動性形成密實的填充，并減少混凝土澆筑后的體積收縮，同時自密實混凝土還需要具備足夠的強度,保證應有的受力作用[8-9]。因此，鋼殼混凝土管節自密實混凝土的制備、浮態澆筑工藝以及工藝質量驗證是深中通道工程的關鍵環節。

對比傳統的鋼筋混凝土沉管隧道管節預制施工方法，鋼殼混凝土管節預制施工最大的特點是由于鋼殼的存在，可以利用鋼殼的浮力實現水上浮態澆筑。采用在船臺、船塢或干塢內預制鋼殼或澆注部分混凝土后，將鋼殼沿滑道滑入水中或向塢內注水后使其成為浮體，鋼殼不拆卸，利用自身浮力或助浮在漂浮狀態下澆注混凝土管節。本文旨在通過制備鋼殼沉管自密實混凝土并采用浮態澆筑法進行大斷面模型試驗，對自密實混凝土性能、鋼殼浮態預制澆筑工藝和模型澆筑質量進行研究，為深中通道鋼殼自密實混凝土管節浮態澆筑施工工藝的可行性進行驗證并提供試驗基礎。

1 模型試驗概況

大斷面鋼殼模型的尺寸為16.0 m×17.1 m×5.0 m，縱向分為A～E共5段倉格，頂底板、側板、縱隔板為厚16 mm的Q345鋼板，縱肋為L140 mm×90 mm×10 mm角鋼，橫向隔板及橫肋的鋼板厚度10 mm。模型的示意圖如圖1所示。圖中F1、F2、F3、F4、Z1、Z2、Z3、Z4倉格為第一次澆筑中B斷面的墻體和第二次澆筑中D斷面的墻體，D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7倉格為第一次澆筑中D斷面的底板和第二次澆筑中B斷面的底板，T1、T2、T3、T4、T5倉格為第三次澆筑中B、D區段的頂板。

圖1 大斷面模型示意圖(單位：mm)

1.1 原材料

根據模型試驗設計的澆筑總量，混凝土配制按照1.5倍的計算方量進行混凝土原材料備料，所采用的混凝土原材料包括水泥、粉煤灰、礦粉、砂、碎石和減水劑等，原材料各項性能參數如表1所示,表中表示含量的百分數均指質量分數。

表2為鋼殼自密實混凝土基本性能需求和施工關鍵控制指標。其中，新拌混凝土坍落擴展度、V型漏斗通過時間兩項測試依照CECS 203—2006《自密實混凝土應用技術規程》進行，L型儀試驗依照CCES 02—2004《自密實混凝土設計與施工指南》進行，混凝土容重、新拌混凝土含氣量測試依照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》進行。

表1 混凝土原材料的性能

表2 鋼殼自密實混凝土基本性能需求及關鍵控制指標

1.2 混凝土試配

模型試驗采用的自密實混凝土配合比如表3所示。在進行室內試配時，對鋼殼自密實混凝土拌合物的擴展度、擴展度經時損失、L型儀試驗、V型漏斗試驗、含氣量、容重、泌水率等進行了測試。

大斷面模型試驗自密實混凝土試配結果如表4所示，從表中可以看出，室內試配的混凝土拌合物性能滿足指標要求。

表3 大斷面模型試驗自密實混凝土配合比

表4 大斷面模型試驗自密實混凝土試配結果

1.3 浮態澆筑

大斷面模型在縱向分為A～E五個區域，其中B、D為澆筑區，混凝土澆筑總量為367.5 m3。模型船運至預制廠附近，在雜貨碼頭采用1 000 t浮吊將其吊入水中，最后在粉料碼頭完成系泊。在大斷面模型澆筑前要進行布料機的改造安裝、下料管的除銹、下料管排氣管的安裝、模型頂板底部開孔、下料引導管的安裝、模型的標識等準備工作。

將在攪拌站檢測合格的自密實混凝土運輸至澆筑現場，過泵檢測合格后，開始進行混凝土的澆筑。大斷面模型分三次采用兩臺布料機同時澆筑，澆筑時間分別為1月9日、1月11日及1月13日，每次澆筑分為若干小步。大斷面模型的第一次澆筑區域為B斷面的墻體、D斷面的底板，澆筑總量為127.5 m3。大斷面模型的第二次澆筑區域為B斷面的底板、D斷面的墻體，澆筑總量為127.5 m3。大斷面模型的第三次澆筑區域為B、D區段的頂板，澆筑總量為112.5 m3。

模型澆筑完成后，拆除并清洗下料管與排氣管，以便第二次澆筑時使用。在倉格澆筑完成并拆除下料管及排氣管后，需對排氣孔、下料孔進行封閉焊接，并要求焊接后的孔口具有良好的水密性。

2 模型試驗過程監測

為完善管節大斷面模型試驗方法，在大斷面模型澆筑過程以及混凝土硬化過程中，對混凝土的溫度和應變以及混凝土強度進行監測。

2.1 混凝土溫度和應變監測

對于溫度和應變監測，試驗選擇了B倉段的底板、頂板以及側板的三個倉格埋設溫度和應變傳感器。為了獲得不同部位混凝土溫度和應變的發展規律，在進行傳感器布置時分別在倉格的中部以及靠近表面處進行了傳感器的埋設。在大斷面模型試驗混凝土澆筑過程以及混凝土硬化過程中，對混凝土的溫度和應變進行連續監測。混凝土溫度和應變監測傳感器埋設方案分別如圖2和圖3所示，大斷面模型試驗溫度和應變監測結果如表5所示。

由表5可知，大斷面模型試驗不同位置(底板、頂板和側板)鋼殼自密實混凝土的最高溫度較接近，在66.8～68.3 ℃之間波動，最高溫出現時間約在混凝土澆筑后的55 h，混凝土的最大溫升在43.3～45.4 ℃之間，最高溫度出現在倉格的中心位置。可知模型試驗鋼殼自密實混凝土的溫度得到了較好控制，有利于控制混凝土的溫度收縮。

由于鋼殼自密實混凝土處于一種近似封閉狀態，混凝土的收縮主要為自收縮，且主要發生在早期，從應變監測結果可知，監測的三個倉格鋼殼自密實混凝土28 d的體積變形表現為收縮應變，且收縮應變不高于150×10-6。可見，所配制的鋼殼自密實混凝土具有較好的體積穩定性。

圖2 混凝土溫度監測傳感器埋設方案

圖3 混凝土應變監測傳感器埋設方案

表5 大斷面模型浮態澆筑試驗混凝土溫度和應變監測結果

2.2 混凝土強度測試

圖4 大斷面模型浮態澆筑試驗混凝土留樣強度

大斷面模型試驗混凝土強度的測試分為兩個部分，分別為現場混凝土留樣強度測試和模型實體鉆芯取樣強度測試。對于留樣強度，分別對模型試驗過程中3次澆筑的混凝土進行留樣，留樣混凝土試件的尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，每次留樣3組，放置于標準養護室進行養護，分別測試混凝土7 d和28 d抗壓強度，混凝土留樣強度測試結果如圖4所示。

除了測試留樣混凝土強度外，還對模型上層不同倉格進行了實體取芯，取芯具體位置為倉格的下料孔。針對選擇的倉格，鉆取從頂部到底部的全部芯樣，通過測試芯樣強度以及對比不同高度處芯樣強度的差別，來分析混凝土的強度及其勻質性是否到達要求。通過對模型上層和側邊選取5個倉格進行鉆芯取樣，將所取的芯樣由頂部至底部切割成9個直徑為100 mm、高徑比為1 ∶1的混凝土圓柱體試件，并進行抗壓強度測試，混凝土芯樣強度測試結果如表6所示。

從圖4和表6可知，模型試驗留樣混凝土的28 d抗壓強度在50 MPa以上，滿足配制指標要求。模型實體混凝土芯樣28 d抗壓強度均在50 MPa以上，混凝土強度分布較為均勻，表明混凝土整體密實性和勻質性較好。

表6 大斷面模型試驗混凝土芯樣強度

3 結 論

(1)大斷面模型浮態澆筑試驗中所配制的鋼殼自密實混凝土拌合物性能滿足流動性、填充性和抗離析性能等基本性能要求。

(2)本次模型試驗鋼殼自密實混凝土的溫度得到了較好控制，有利于控制混凝土的溫度收縮，且具有較好的體積穩定性。

(3)通過對現場混凝土留樣和模型實體鉆芯取樣進行強度測試，28 d抗壓強度均在50 MPa以上，自密實混凝土密實性和勻質性較好，滿足配制指標要求，說明鋼殼沉管自密實混凝土浮態澆筑施工工藝可行。