深中通道鋼殼混凝土沉管智能化澆筑質量控制

彭英俊，吳旭東，劉 輝，蘇宗賢，羅偉軍

（1.深中通道管理中心，廣東 中山 528454；2.保利長大工程有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

深中通道鋼殼混凝土管節是雙層鋼殼內部填充混凝土的結構形式，為國內首例［1］。為保證鋼殼管節自密實混凝土在無需振搗的條件下依靠自身流動性和填充性在隔倉內部形成密實結構，并最終與鋼殼共同作用達到協同受力的效果［2-5］，這就要求管節自密實混凝土澆筑過程必須得到有效控制，實現混凝土澆筑的自密實效果，故鋼殼自密實混凝土澆筑質量控制是管節制作的一項關鍵工作。

鑒于以上鋼殼沉管自密實混凝土澆筑質量控制需求，本文結合深中通道項目智能化澆筑施工工藝［6，7］，對管節澆筑質量控制進行深入分析，進一步完善管節澆筑質量智能化控制水平［8］，為國內鋼殼沉管自密實混凝土澆筑質量控制提供施工經驗及技術指導。

1 自密實混凝土特點與澆筑質量控制要求

1）自密實混凝土特點。鋼殼沉管自密實混凝土需要具備良好的流動性、填充性能、抗離析性能等工作性能［9］，實現混凝土在鋼殼內的流動和自動填充密實，同時還要有一定的黏聚性，防止混凝土發生分層，自密實混凝土工作性能主要以流動性、黏聚性、通過性、抗離析性為主。

2）混凝土澆筑質量控制要求。鋼殼自密實混凝土澆筑質量控制主要體現在隔倉頂板脫空高度、脫空面積比、脫空率等的控制，若出現其中一項指標出現不符合設計及相關規范要求，必須做同等強度的脫空補強，具體控制指標如下。

①混凝土允許脫空高度≤5 mm，針對底板頂和頂板頂進行分格脫空檢測，分格規格為 30 cm×30 cm；

②T 肋位置的分格需要以 T 肋為中心、騎跨 T 肋進行（30 cm 的分格須保證在 T 肋兩側各 15 cm）；

③騎跨 T 肋的單個分格（不連片）等效脫空高度＞5 mm 時需要注漿補強；

④騎跨 T 肋的分格，出現相鄰的 2 個及以上分格等效脫空高度均＞3 mm 時需要注漿補強（一個分格騎跨 T 肋、相鄰分格不騎跨 T 肋也適用本條）；

⑤非 T 肋位置的分格等效脫空高度＞5 mm 時需要注漿補強；

⑥脫空檢測考慮采用沖擊映像法和中子法，由第三方獨立完成，沖擊映像法要求對底板頂和頂板頂進行100 % 檢測，采用沖擊映像法檢測出“分格存在脫空＞5 mm 的單點或單個分格中脫空＞3 mm 的面積大于 30 %”采用中子法進行復測。

2 混凝土澆筑施工工藝

深中通道沉管隧道施工分 2 個標段實施：S09 合同段負責 E1～E22 管節及最終接頭的實施；S08 合同段負責 E23～E32 管節的實施。S09 合同段沿用港珠澳大橋沉管隧道的桂山島預制廠進行澆筑預制，采用“混凝土輸送泵+布料機”工藝，如圖 1 所示；S08 合同段利用廣州南沙龍穴船廠的船塢進行澆筑預制，為適應船塢高差，底板混凝土澆筑采用“混凝土運輸通道+漏斗+澆筑臺車”工藝，墻體及頂板則采用“混凝土輸送泵+布料機”工藝，如圖 2 和圖 3 所示。

圖1 桂山島管節澆筑工藝

圖2 船塢內管節底板澆筑

圖3 船塢內管節墻體及頂板澆筑

3 智能化澆筑控制系統研發與實施

根據鋼殼自密實混凝土特點及澆筑質量控制要求，結合鋼殼沉管自密實混凝土澆筑工藝，管節預制必須加強自密實混凝土生產、運輸及澆筑全過程控制，才能有效保證管節澆筑質量，這就需要開發一套涵蓋混凝土生產、運輸及澆筑全過程精細化管理的智能化澆筑控制系統，實現管節澆筑的標準化、精細化管理，減少人為因素對管節澆筑質量的影響。

3.1 智能澆筑控制系統研發必要性

1）管理對象多。每節標準管節有 2 255 個隔倉，每節管節布置 4 個澆筑點，隔倉澆筑過程管理對象多。

2）時間要求高。混凝土從出機到澆筑完成有嚴格時間限制（90 min）；同時單個隔倉澆筑開始到澆筑完成也有嚴格的時間限制（90 min）。

3）接入數據多。生產系統數據、攪拌運輸車數據、混凝土性能指標數據、澆筑過程中監控數據等。

4）自動化、智能化要求高。混凝土自動化澆筑、混凝土生產、運輸與澆筑的智能化協調。

3.2 智能澆筑控制系統研發

在鋼殼混凝土管節預制過程中會產生一系列的生產數據、混凝土運輸車數據、混凝土性能指標數據、澆筑過程中監控數據等，為了精確處理這些龐大的生產數據，實現對澆筑過程高效化、精細化、標準化管理，聯合“BIM+物聯網+智能傳感”技術，開發一個涵蓋原材料庫存管理、混凝土生產管理、混凝土指標檢測、混凝土智能澆筑、視頻監控等工序的信息化智能控制平臺，操控各終端設備完成管節的智能化預制任務，使管節預制質量得到有效控制，管節智能化預制模塊劃分如圖 4 所示。

圖4 管節智能化預制模塊劃分

智能澆筑控制系統采用國際先進的多層技術構架，通過 C/S、B/S、APP、微服務等多種技術融合，能夠準確、高效地控制澆筑設備，并與攪拌站和運輸車輛實時聯動，實現生產管控的自動化、智能化。同時，系統可以處理海量的數據，實時完成大容量數據處理，可提供具有開放性數據接口，具備與其它業務版塊進行各類型數據對接能力；系統運用了大數據處理機制，用戶能夠快速準確地獲取所需數據資源。同時，系統會針對管節預制過程中主要控制參數設置預警值，如若某環節出現問題，系統會自動報警，可實現管節預制全過程管控，有效保證管節預制質量。

3.3 智能澆筑技術路線

鋼殼混凝土智能澆筑系統是利用物聯網、大數據、BIM 等信息化技術，構建虛擬施工現場，實現傳統施工的信息化、智能化改造，實現兩化融合；系統通過激光測距儀自動多點采集隔倉澆筑混凝土液面高度信息，并將數據實時傳輸給澆筑設備（臺車、拖泵等），設備收到反饋信息后，根據隔倉澆筑工藝要求實現澆筑速度的自動切換及澆筑的自動停止等功能，達到隔倉澆筑全過程的智能化控制，鋼殼混凝土智能化澆筑流程如圖 5 和圖 6 所示。

圖5 鋼殼混凝土智能澆筑業務流程圖

圖6 鋼殼混凝土智能澆筑施工流程圖

3.4 智能澆筑控制系統實施應用

1）“澆筑臺車”管節智能化澆筑工藝。管節預制過程中，通過澆筑臺車與智能澆筑系統相結合實現管節智能化澆筑，即智能澆筑系統通過設置在管節隔倉四邊角的激光測距儀實時反饋的混凝土液面上升數據，并經系統處理，形成指令信號，發送給澆筑臺車控制系統，控制系統接收信號并控制澆筑臺車實現其自動尋位、下料速度自動切換、下料高度控制、澆筑結束時機控制等功能，澆筑參數控制如圖 7 、圖 8 所示。

圖7 下料速度自動切換及下料高度控制

圖8 澆筑結束時機控制

2）“混凝土輸送泵+布料機”管節智能化澆筑工藝。管節預制過程中，通過融合在混凝土輸送泵中的激光測距模塊和遠程控制模塊實現管節智能化澆筑，即智能澆筑系統通過設置在管節隔倉四邊角的激光測距儀實時反饋的混凝土液面上升數據，并經系統處理，形成指令信號，發送給混凝土輸送泵的遠程控制系統，實現混凝土澆筑的下料速度自動切換、澆筑結束時機控制等功能，具體澆筑施工如圖 9 所示。

圖9 “混凝土輸送泵+布料機”智能化澆筑

4 澆筑質量檢測

鋼殼混凝土沉管預制完成后，需對管節澆筑質量進行檢測，檢測方法采用沖擊映像法全檢和中子法復檢相結合的方式進行，可有效保證管節澆筑質量檢測準確性。

通過智能化澆筑控制，可有效減少人為因素對管節澆筑質量的影響，從而使管節澆筑質量得到進一步提升，針對深中通道已澆筑完成的 E 1、E 2、E 31 和 E32 四個管節進行澆筑質量統計分析，共檢測沉管隔倉 5 572個，其中平均疑似脫空面積占比約 0.085 3 %，針對疑似脫空區域經中子法復測后，未發現有需要進行注漿補強處理的隔倉，澆筑質量達到預期效果。

5 結論

1）利用信息技術實時采集攪拌站混凝土生產信息并上傳至系統前端，同時對混凝土出機、入倉性能檢測結果實時上傳，使受檢車輛混凝土狀態第一時間反饋至澆筑現場，可有效保證管節混凝土入倉質量。

2）智能化澆筑可以將混凝土性能檢測數據、澆筑施工數據等進行全過程采集和存檔，方便追溯，同時也減少人為因素引起管節預制過程中的質量風險；智能澆筑系統也可實現質量影響因素預警提示，保證管節預制朝著高品質、高水平方向發展。

3）智能化澆筑可實現原材料庫存、混凝土生產、混凝土指標檢測、混凝土智能澆筑、視頻監控等工序的統一協調管理，有助于工程項目提質增效，也提升了多元化管理模式，故未來工程質量管理應更多地與智能化技術相結合。