坪山河地埋式调蓄池、水质净化站“跳仓法”施工技术

卢 斌,马永志,陈 松,姚大游

(1.中建水务环保有限公司，北京 100071；2.中建三局南方公司基础设施部，广东 深圳 518000)

《地下工程防水技术规范》(GB 50108—2001)要求后浇带应在两侧混凝土龄期达到42 d方可施工。由于后浇带贯穿整构筑物，给施工带来很大的不便，对工期也造成很大延后，考虑后浇带施工和拆模，将会导致工期延后2个月左右。基于大量工程实践，王铁梦提出利用混凝土结构特性提出“抗与放”的设计理念，对集中式及连续式约束条件下混凝土温度收缩应力的计算方法，并对大体积混凝土结构缝间距、宽度提出实用解析算法[1-3]。根据“抗与放”的设计理念，通过合理分块跳仓施工，使得大体积超长混凝土结构无缝(不设伸缩缝、不设沉降缝、不设后浇带)施工成为可能。近年来在工民建行业超长大体积筏板基础无缝施工技术应用广泛，根据统计[2]在2001—2017年在工民建领域有119个主要工程应用实例。2015年北京市已发布相应地方标准《超长大体积混凝土结构跳仓法技术规程》(DB11/T 1200—2015)，用于指导北京地区工民建建筑地下室超长大体积混凝土结构应用跳仓法的设计和施工。

目前国内水利和市政行业构筑物对于避免大体积混凝土裂缝一般采用留永久变形缝，或者布置冷却水管降低混凝土水化热，或者使用微膨胀混凝土。这些方法造价高，工期长，可靠性也不高。水利和市政行业对于“跳仓法”无缝施工技术应用相对较少，也缺乏相应行业规范指引。基于“跳仓法”能够缩短工程工期，降低工程成本，提高了构筑物整体性和防水性，深圳市坪山河干流综合整治及水质提升工程地埋式构筑物大量应用跳仓法技术。本文对施工中技术经验进行总结，为本行业相关工程设计和施工应用提供一定参考。

1 工程概况

深圳市坪山河干流综合整治及水质提升工程共设计7座调蓄池和2座净化站，调蓄容积(1.5～8.0)万m3，水质净化站处理规模均为2万m3/d，构筑物底板厚度最厚1.0 m。由于深圳市土地资源稀缺，调蓄池和水质净化站均为地埋式构筑物。根据设计方案，所有调蓄池及净化站均设置后浇带，以降低结构开裂风险。国内外现有大量民用和工业构筑物均取消后浇带[4-8]，采用跳仓法施工，相关应用经验在工民建结构应用已经相当成熟。由于年度治水提质考核要求，工程工期紧迫，为缩短工期和降低建设成本，同时保障地下构筑物结构防水性能，坪山河干流综合整治及水质提升工程除墩子河、石井、上洋调蓄池(非关键线路或体量较小)外，其余4座调蓄池和2座净化站均采用跳仓法施工。

坪山河干流综合整治及水质提升工程所有调蓄池及净化站均位于地下，其结构均需考虑抗浮设计，其相关平面尺寸、底板厚度、基础持力层和抗浮设计方案详见表1。

表1 调蓄池及水质净化站结构信息

2 跳仓法原理

大体积混凝土裂缝机理十分复杂，其产生原因主要有6种：结构基础约束条件、配筋、混凝土强度等级、混凝土材料配合比、水灰比控制以及混凝土养护条件。结构基础约束条件体现在长墙板结构在浇筑后混凝土收缩受地基约束条件下导致的变形效应，变形引起竖向裂缝正应力和斜向裂缝剪应力。通过解析方法对于长墙板受地基约束条件下变形效应进行理论推导，得到其法向应力见式(1)。

ΔTiEi(t)Hi(t，τi)≤ft

(1)

式中μ为泊松比；ΔTi为温升峰值至周围环境气温温差后第i段温差；Ei(t)为第i段降温时段对应混凝土弹性模量；Hi(t，τi)为由时间t至τi应力松弛系数；ft为混凝土允许抗拉强度。

由推导公式(1)可知混凝土结构温度收缩应力和长度呈非线性关系，长度是产生裂缝重要因素之一。在较短范围内，长度增加使得温度应力显著增加，当构筑物长度继续增加，温度应力增加缓慢直至保持为稳定常数。因此，可得到连续式约束条件下“抗与放”设计原则，即跳仓法无缝施工理论基础。根据工程实践，施工阶段混凝土结构变形效应明显，在使用阶段承受较小的变形效应。因此对于地基约束引起的应力或变形，用“放”的方式减少约束，使得结构变形或位移提前释放。待混凝土结构强度增加后，便可利用其抗拉强度和极限拉伸增大发挥其“抗”的特性。

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因此在大体积混凝土结构施工中，将大体量的混凝土结构划分成若干小块体间隔施工，将早期混凝土收缩应力短期释放，在后期收缩应力较小阶段再将若干小块体连成整体，依靠混凝土抗拉强度抵抗下一阶段混凝土温度收缩应力。最小跳仓块长度[L]min按照相关文献[1]推导，其公式为：

(2)

式中 [L]min为最小跳仓块长度；E为混凝土弹性模量；H为底板厚度或者板墙高度；Cx为地基水平阻力系数；α为混凝土线膨胀系数；T为互相约束结构的综合降温差，包括水化热温差T1、大气温差T2、收缩当量温差T3；εp为钢筋混凝土的极限拉伸应变(考虑配筋及徐变影响)。

各种地基及基础约束条件下无桩基地基水平阻力系数可参照表2[1-3]。

表2 各种地基及基础约束下的水平阻力系数

注：1.本表中CX下限值(较小值)用于基础埋深等于或小于5 m，上限值(较大者)用于基础埋深大于5 m。2.在钢筋混凝土梁上标注楼板时，CX取(60～100)×10-2；在岩石、大块混凝土、钢筋混凝土上新浇筑混凝土时，CX取(100～150)×10-2。

桩基对于结构地基附加约束作用，地基水平阻力系数按照下式计算[1]：

(3)

(4)

(5)

F1=F-F2

(6)

3 坪山河地埋式调蓄池、净化站跳仓法实施情况

3.1 调蓄池、净化站仓格分块

根据坪山河调蓄池、净化站场地基础土层情况，结构桩基形式不同，分别代入相应参数得到调蓄池、净化站水平阻力系数和最小跳仓块长度见表3、表4。

根据计算，碧岭调蓄池、锦龙调蓄池、汤坑调蓄池、南布调蓄池、南布净化站其最小跳仓块长度范围在47.99～59.25 m；碧岭净化站埋深较深，持力层位于微风化大理岩，地基水平阻力系数对于分块影响作用明显，其最小跳仓块长度仅7.21 m。为避免碧岭净化站跳仓分块过多，在碧岭净化站底板设计高程下部铺设一层0.1 m中粗砂垫层，形成柔性滑动层，降低岩石基础对于底板混凝土的约束。通过设置柔性垫层，重新计算得出碧岭净化站最小跳仓块长度[L]min=32.17 m。

表3 调蓄池、净化站地基水平阻力系数 N/mm3

表4 调蓄池、净化站最小跳仓块长度 m

由前述得出的理论最小跳仓块长度对净化站和调蓄池构筑物进行仓块划分，仓块长边大小不得大于最小跳仓块长度允许尺寸，同时考虑调蓄池轴网布置、周边场地交通条件、混凝土供应能力、现场劳动力情况，对调蓄池进行仓格合理划分。坪山河调蓄池及净化站仓格数3～9个不等，仓块划分尺寸见表5及图1～6所示。

表5 调蓄池、净化站跳仓仓格划分尺寸 m

图1 碧岭调蓄池仓块划分示意

图2 碧岭水质净化站仓块划分示意

图3 锦龙调蓄池仓块划分示意

图4 汤坑调蓄池仓块划分示意

图5 南布调蓄池仓块划分示意

图6 南布净化站仓块划分示意

3.2 调蓄池、净化站分块浇筑时序

对划分好仓块，采用“隔一跳一”原则确定混凝土浇筑时序。以碧岭净化站和锦龙调蓄池为例，碧岭净化站施工时序为：先行施工B-J-1、3、5三个分块，7 d后再行施工工B-J-2、4、6分块(见图2)；锦龙调蓄池先行施工J-T-1、3分块，7 d后再行施工J-T-2分块(见图3)。仓与仓之间施工缝采用“快易收口网”作模板。每个分仓混凝土一次性浇筑完成，相邻分仓混凝土浇筑时间控制不小于7 d。

3.3 混凝土配合比调整

设计图纸调蓄池混凝土材料要求：主体结构钢筋混凝土强度为C35，抗渗等级P8，水灰比不大于0.5，水泥强度等级不低于42.5 MPa。超长混凝土结构裂缝与混凝土水化热产生的内外温差密切相关，在混凝土中掺入适量粉煤灰，减少水泥用量，降低水化热。因此在满足设计强度要求和施工工艺前提下，应通过调整水泥用量、材料配比、掺入外加剂等方法综合优化混凝土配合比。

坪山河项目调蓄池及净化站混凝土配比通过混掺粉煤灰，降低水化热造成的温升；添加聚羧酸高性能减水剂，大幅度提高混凝土早期和后期强度；同时添加膨胀抗裂剂，补偿混凝土收缩。另外，所使用商品混凝土均采用泵送，掺入高效聚羧酸泵送剂，塌落度控制在(160±20)mm。调蓄池结构混凝土粗骨料采用碎石(最大粒径25 mm)，细骨料采用中砂(细度模数2.8)。通过优化设计，调蓄池和净化站构筑物C35P6混凝土配合比见表6。

表6 坪山河调蓄池结构混凝土配合比 kg/m3

3.4 混凝土入仓温度和浇筑养护

调蓄池、净化站施工期在春季，日平均气温约为22℃。通过预冷骨料和冷水拌和，控制混凝土入仓温度不超过25℃。除碧岭调蓄池底板最薄为600 mm未采用分层外，其余调蓄池、净化站底板均分2层连续浇筑。施工期间要求层间覆盖间隔时间不大于混凝土初凝时间，同时需二次振捣，确保混凝土密实。混凝土初凝至终凝立即覆盖无纺布并洒水进行保湿保温养护，养护期14 d。墙面采用花管淋水养护5 d以上，拆模后花管持续喷水保湿。

图7 碧岭调蓄池、水质净化站结构施工期养护照片

4 跳仓法实施效果

坪山河综合整治及水质提升工程6个地埋式调蓄池和净化站结构应用跳仓法施工加快了施工速度，平均每个调蓄池缩短工期约2个月。通过检查发现，施工质量良好，现场验收近距离观测未发现任何一个调蓄池和净化站构筑物出现渗水裂缝，达到无缝施工目标。

图8 锦龙、碧岭调蓄池结构完工照片

5 结语

1) 地埋式构筑物结构持力层越好，其地基阻力系数越大，地基对构筑物底板产生阻力，增加结构水平应力。因此，地质条件较好的岩层基础跳仓分块间距较小，可通过设置柔性垫层(碎石层、沥青涂层或中粗砂层)减小地基对于构筑物跳仓分块影响。

2) 抗拔桩作为调蓄池结构底板基础一部分，限制底板位移变形，根据计算表明影响较小，相对无桩基础阻力提高约10%左右，对于仓格划分有一定影响。

3) 跳仓法应用实践中混凝土配合比设计非常关键，通过合理掺入粉煤灰、减水剂、膨胀剂等，可降低水泥用量，降低水化热导致的温度上升，提高混凝土早期强度和抗裂性。

4) 坪山河综合整治及水质提升工程调蓄池及净化站构筑物均为地埋式，施工期间湿度和温度变化较大，施工阶段温度应力较大，通过跳仓法施工，有规律的让部分仓块“先放后抗”，完成整体浇筑后又以“以抗为主”。通过6处大体量的地埋式构筑物实践，跳仓法应用是成功和可靠的，可作为类似工程参考。工程已于2020年1月投入运行，尚未出现质量问题，后续还需跟踪构筑物运行期质量情况，为跳仓法在水利工程中应用提供更有力的依据。