渠道衬砌混凝土防裂施工技术

田小路

(中铁十六局集团第四工程有限公司 北京 100000)

1 工程概况

南水北调中线工程是一项跨流域、跨省市的特大型水利工程，南起湖北省丹江口水库、北至北京市团城湖，输水总干渠全长1275km。温博段第一施工标段位于河南省焦作市温县境内全长9160m，衬砌工程量为51728m3。渠道过水断面为梯形，内边坡坡比为1∶2，设计纵坡1/29000，设计底宽为21m。渠道过水断面采用全断面现浇混凝土衬砌，混凝土设计指标C20F150W6，衬砌厚度渠底厚8cm，渠坡厚10cm。衬砌底部两侧坡脚设宽0.3～0.5m、高0.3～0.9m的齿墙，渠道顶部设0.3m宽的封顶板。衬砌要求采用大型衬砌机进行施工。

图1 渠道衬砌结构

2 难点分析

2.1 衬砌混凝土工程特点

渠道衬砌为超长、超宽薄壁素混凝土结构，混凝土表面易失水开裂。

2.2 基层情况

渠道边坡坡度较大，混凝土坍落度过大，振捣时混凝土料会塌落。坍落度过小，则无法振捣出浆。

2.3 混凝土浇筑时间

工程时间跨越夏、冬两季，且长时间外露，季节温湿差变化较大。

2.4 技术要求

建设单位要求衬砌混凝土面层避免出现肉眼可见裂缝。

通过事先调查分析大面积薄壁混凝土结构产生裂缝的多种因素，本着预防为主的原则，从结构设计方面、混凝土原料选择、配合比设计、混凝土施工方法选择、热工计算、混凝土养护等方面进行考虑，制定了相应的解决方案、方法。

3 结构设计

设计中遵循“抗”与“放”相结合的原则，在渠道衬砌混凝土结构中设置了伸缩缝、沉降缝和诱导缝。伸缩缝适应徐变、收缩、温度变化的膨胀需要。沉降缝适应地基沉降、垫层压实不均匀的需要。诱导缝主要用来控制裂缝的位置。所有这些连接缝对于防止或限制混凝土开裂都有重要的作用。

3.1 伸缩缝与沉降缝

横缝垂直于渠道中心线，纵缝平行于渠道中心线。渠坡、渠底横缝间距均为4m;渠坡、渠底纵缝间距为3～4m，最大不超过4m。渠坡纵横缝及渠底横缝按伸缩缝与沉降缝间隔布置的原则设置。渠底纵缝均为通缝，伸缩缝为通缝，沉降缝为半缝。通缝切割深度为混凝土板厚的0.9倍，半缝深度为混凝土板厚的0.5～0.75倍，缝宽均为2cm。

3.2 诱导缝

衬砌底部两侧坡脚设宽0.3～0.5m、高0.3～0.9m的齿墙，平面形状突变而引起应力集中，会在坡脚上产生裂缝。所以在坡脚以上45cm处设置诱导缝，诱导缝为半缝，宽1cm。人为划定薄弱区，控制混凝土开裂的位置，从而防止在其他部位无序的开裂。

分缝填料上部采用双组份聚硫密封胶，下部选用聚乙烯泡沫板填充。

4 混凝土原材料选取

为控制混凝土裂缝的产生，本工程妥善选择混凝土的组成材料和配合比，以使混凝土除符合设计和施工外，还具有良好的抗裂性能。

混凝土材料选择包括水泥、细骨料、粗骨料、掺和料、外加剂等。本工程水泥采用岩鑫P.O 42.5级水泥;细骨料采用焦作本地产细度模数小于3.0的中砂;粗骨料选用焦作本地产5～20mm连续级配碎石;掺和料采用洛阳I级F类粉煤灰;外加剂选用北京聚羧酸系高效减水剂;不掺加任何类型微膨胀剂。

5 混凝土配合比设计

5.1 设计原则

按照设计要求及季节施工和本工程的结构特点，通过多方案比较，在强度及抗渗要求允许的条件下，优选出低收缩、低水化热、易于施工、经济合理的混凝土配合比方案。

5.2 最终配合比

根据原材料设计参数，结合以往生产数据，通过计算和试配验证，确定以下设计配合比(见下表)。

C20F150W6混凝土配合比

5.3 控制要点

5.3.1 碱含量控制

为了有效预防混凝土工程碱集料反应，本工程需要进行混凝土的碱集料分析及碱含量控制评估。据理论计算及实物检测，碱含量满足要求。混凝土中总碱含量不大于2.5kg/m3。

5.3.2 温度控制

高温季节施工可增加骨料堆高，通过在骨料场搭设防晒遮阳棚、骨料表面洒水降温等措施降低混凝土原材料的温度，并合理安排浇筑时间。为使混凝土入模温度小于28℃，需采取加冰降温措施，每立方米加冰量根据砂石含水率及材料实测温度进行变化。混凝土出机温度和加冰量的计算见公式(1)和公式(2)。

式中符号意义详见参考文献［2］。

5.3.3 坍落度控制

坍落度越大，对混凝土浇筑就越不利;根据理论，经计算及现场测试，确定浇筑坍落度控制在50～70mm。

6 施工控制

施工阶段是防止混凝土结构产生裂缝的重要时期，在结构施工阶段应尽可能采取有效的施工技术措施以控制混凝土结构裂缝的产生，这是很重要的关键性阶段。

6.1 衬砌机改进

本工程利用山东省蒙阴县市政建安处制造的PHB—23000衬砌机自动布料、摊铺、振捣、碾实，再经人工操作磨盘进行混凝土表面磨光。根据目前的操作工艺，进行了边坡混凝土衬砌试验，发现该衬砌机在振捣工艺上存在不足，影响混凝土衬砌质量。齿槽和水平压顶部位混凝土必须人工铺料，齿槽以上1m范围内的坡面混凝土浇筑坯为衬砌机振捣的盲区，齿槽振捣的同时，盲区内浇筑坯受其影响下沉，故混凝土振捣不充分、不泛浆，混凝土密实度、强度难以保证，也给下道压光抹面工序增加了难度。针对PHB—23000衬砌机存在的不足，对衬砌机作了以下改进，经检测，混凝土质量得到有效保证:在齿槽处增设2.0kW平板振捣器1个，以加强振捣。坡脚处分两次布料、振捣。振捣顺序由下往上。将盲区振捣完毕后，翻浆机再对混凝土面进行整平。对坡肩及坡脚的折线部分，以靠尺定型，以使折角整齐，外形美观。

图2 渠道衬砌机施工

6.2 混凝土拌和及运输

按照相应规范控制原材料质量，特别对粗骨料超径指标严格控制在规范允许范围内，混凝土拌和物从卸料入衬砌机到初凝控制在2h左右。由于渠道边坡坡度较大，混凝土坍落度宜控制在50～70mm，振捣时混凝土拌和物不下淌且易出浆。夏季与冬季施工时，可根据气温变化，经试验适当增大和减小坍落度，以便施工。坍落度的变化对衬砌施工和混凝土质量影响较大，浇筑过程中应随时观察坍落度变化，及时进行检测。

搅拌车运输混凝土过程中，采取措施防止骨料离析，尽量缩短运输时间及转运次数，因故停歇过久，混凝土已初凝或已失去塑性，作废料处理。

6.3 混凝土布料

布料前用喷雾器对复合土工膜喷水雾，保证混凝土与土工膜结合良好。布料应连续进行，匀速行进，以保证混凝土浇筑的连续性。螺旋平料时，料位的正常高度控制在螺旋布料叶片最高点以下，平料后料面应高于渠道混凝土设计顶面1～2cm，以保证振捣后混凝土厚度满足设计要求。

6.4 混凝土振捣

振捣系统是布料机自身安装的振动器。布料机行走前，开动振动电机使振动器在混凝土中振动30s，而后边振边走，使混凝土的密实度达到规定标准。当布料2～3m时，开动翻浆整平机，开始二次振捣、提浆、整平。振捣遍数以浇筑坯混凝土泛浆为准，一般为两遍。由于衬砌机对上部水平压顶、模板附近、渠底齿槽等部位缺少振捣，因此需人工用插入式振捣器进行振捣。

6.5 混凝土抹面、压光

压光收面是保证渠道混凝土衬砌光洁、不起砂、不裂缝的必要工序。抹面采用抹光机从下向上抹，共3遍，抹面时每幅搭接宽度为抹盘直径的1/3。为消除机械抹面中的缺陷，人工采用钢抹子抹面2～3遍，在混凝土初凝前完成压光，人工操作平台采用桁架焊接。必须使用混凝土原浆抹面，防止补浆抹面造成混凝土起皮，影响混凝土质量。另外由于磨盘磨损较快，应及时检查磨盘的完好程度，保证抹面的平整度。

6.6 混凝土养护

一般在混凝土收面后约8～12h即开始养护，先在混凝土表面上均匀洒上一层水，再用土工膜覆盖在上面，搭接部位应重叠10～20cm，用砖石或方木将彩料布压好。设专人定时检查补充水分，保持湿养14天后覆盖养护至28天。当日平均气温低于0℃时，土工膜上必须加盖草帘，加以保温以防混凝土受冻。平均气温低于5℃时，不得洒水。

6.7 伸缩缝施工

当混凝土抗压强度达到1～5MPa时进行切缝，此时混凝土强度不高，既便于切缝机操作，又可保证混凝土切缝面规则，根据回弹仪现场检测结果，混凝土收面后1～2天开始切缝。

7 结语

裂缝产生的因素是多方面的，只有把各种因素综合考虑加以控制，同时认真执行施工技术规范及规程，严格掌握材料标准及配合比，按照技术要求进行操作和养护，确保混凝土质量，确保混凝土的抗裂强度，才能真正避免或减少混凝土裂缝的发生。工程中通过对混凝土裂缝采取了针对性的预防措施，以及对渠道衬砌机的试验与改进，总结形成了较为有效的施工工艺和可靠的施工参数，对后续的施工起到了指导作用。同时，通过对施工的质量控制，使渠道混凝土衬砌质量得到保证，为以后的渠道混凝土施工提供了经验。

1 王铁梦.工程结构裂缝控制［M］.北京:中国建筑工业出版社，2005.

2 赵志缙，叶可明，吴君侯.高层建筑施工手册［M］.上海:同济大学出版社，1997.

3 南水北调中线干线工程建设管理局.南水北调中线干线工程渠道混凝土衬砌施工操作指南［S］.