大断面钢壳自密实混凝土管节浮态浇筑模型试验研究

陈 灿，王雪刚，范志宏，于 方，曾俊杰

(中交四航工程研究院有限公司，水工构造物耐久性技术交通运输行业重点实验室，广州 510230)

0 引 言

深中通道工程是港珠澳大桥上游的深圳至中山的过江通道工程，受技术标准、通航、防洪及航空限高等因素的限制，该通道主航道等区段采用沉管隧道穿越。深中通道的沉管隧道为双向八车道，单孔跨度超过18 m，为超大跨度、深埋、特长型钢壳沉管隧道，沉管规模罕见，综合技术难度和挑战性极高[1-3]。

钢壳沉管隧道采用钢壳包裹素混凝土的结构，与传统的钢筋混凝土沉管结构相比，钢壳制作与混凝土浇筑实现了场地分离，选址更加灵活，且通过设置钢壳提高了混凝土结构的承载能力和管节的防水性能，不均匀沉降的适应性也更好[4-5]。另外在钢壳沉管结构中,自密实混凝土的应用使钢壳混凝土结构在浇筑时无需模板安装拆除作业，管节预制工期大为缩短，大幅度降低了现场的施工作业强度[6-7]。但钢壳沉管作为一种新颖的跨海隧道结构设计，其混凝土材料应用及预制工艺均与传统的钢筋混凝土沉管结构有着显著差异，且钢壳自密实混凝土需要具备良好的工作性和体积稳定性, 使其在钢壳仓格内依靠自身流动性形成密实的填充，并减少混凝土浇筑后的体积收缩，同时自密实混凝土还需要具备足够的强度,保证应有的受力作用[8-9]。因此，钢壳混凝土管节自密实混凝土的制备、浮态浇筑工艺以及工艺质量验证是深中通道工程的关键环节。

对比传统的钢筋混凝土沉管隧道管节预制施工方法，钢壳混凝土管节预制施工最大的特点是由于钢壳的存在，可以利用钢壳的浮力实现水上浮态浇筑。采用在船台、船坞或干坞内预制钢壳或浇注部分混凝土后，将钢壳沿滑道滑入水中或向坞内注水后使其成为浮体，钢壳不拆卸，利用自身浮力或助浮在漂浮状态下浇注混凝土管节。本文旨在通过制备钢壳沉管自密实混凝土并采用浮态浇筑法进行大断面模型试验，对自密实混凝土性能、钢壳浮态预制浇筑工艺和模型浇筑质量进行研究，为深中通道钢壳自密实混凝土管节浮态浇筑施工工艺的可行性进行验证并提供试验基础。

1 模型试验概况

大断面钢壳模型的尺寸为16.0 m×17.1 m×5.0 m，纵向分为A～E共5段仓格，顶底板、侧板、纵隔板为厚16 mm的Q345钢板，纵肋为L140 mm×90 mm×10 mm角钢，横向隔板及横肋的钢板厚度10 mm。模型的示意图如图1所示。图中F1、F2、F3、F4、Z1、Z2、Z3、Z4仓格为第一次浇筑中B断面的墙体和第二次浇筑中D断面的墙体，D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7仓格为第一次浇筑中D断面的底板和第二次浇筑中B断面的底板，T1、T2、T3、T4、T5仓格为第三次浇筑中B、D区段的顶板。

图1 大断面模型示意图(单位：mm)

1.1 原材料

根据模型试验设计的浇筑总量，混凝土配制按照1.5倍的计算方量进行混凝土原材料备料，所采用的混凝土原材料包括水泥、粉煤灰、矿粉、砂、碎石和减水剂等，原材料各项性能参数如表1所示,表中表示含量的百分数均指质量分数。

表2为钢壳自密实混凝土基本性能需求和施工关键控制指标。其中，新拌混凝土坍落扩展度、V型漏斗通过时间两项测试依照CECS 203—2006《自密实混凝土应用技术规程》进行，L型仪试验依照CCES 02—2004《自密实混凝土设计与施工指南》进行，混凝土容重、新拌混凝土含气量测试依照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行。

表1 混凝土原材料的性能

表2 钢壳自密实混凝土基本性能需求及关键控制指标

1.2 混凝土试配

模型试验采用的自密实混凝土配合比如表3所示。在进行室内试配时，对钢壳自密实混凝土拌合物的扩展度、扩展度经时损失、L型仪试验、V型漏斗试验、含气量、容重、泌水率等进行了测试。

大断面模型试验自密实混凝土试配结果如表4所示，从表中可以看出，室内试配的混凝土拌合物性能满足指标要求。

表3 大断面模型试验自密实混凝土配合比

表4 大断面模型试验自密实混凝土试配结果

1.3 浮态浇筑

大断面模型在纵向分为A～E五个区域，其中B、D为浇筑区，混凝土浇筑总量为367.5 m3。模型船运至预制厂附近，在杂货码头采用1 000 t浮吊将其吊入水中，最后在粉料码头完成系泊。在大断面模型浇筑前要进行布料机的改造安装、下料管的除锈、下料管排气管的安装、模型顶板底部开孔、下料引导管的安装、模型的标识等准备工作。

将在搅拌站检测合格的自密实混凝土运输至浇筑现场，过泵检测合格后，开始进行混凝土的浇筑。大断面模型分三次采用两台布料机同时浇筑，浇筑时间分别为1月9日、1月11日及1月13日，每次浇筑分为若干小步。大断面模型的第一次浇筑区域为B断面的墙体、D断面的底板，浇筑总量为127.5 m3。大断面模型的第二次浇筑区域为B断面的底板、D断面的墙体，浇筑总量为127.5 m3。大断面模型的第三次浇筑区域为B、D区段的顶板，浇筑总量为112.5 m3。

模型浇筑完成后，拆除并清洗下料管与排气管，以便第二次浇筑时使用。在仓格浇筑完成并拆除下料管及排气管后，需对排气孔、下料孔进行封闭焊接，并要求焊接后的孔口具有良好的水密性。

2 模型试验过程监测

为完善管节大断面模型试验方法，在大断面模型浇筑过程以及混凝土硬化过程中，对混凝土的温度和应变以及混凝土强度进行监测。

2.1 混凝土温度和应变监测

对于温度和应变监测，试验选择了B仓段的底板、顶板以及侧板的三个仓格埋设温度和应变传感器。为了获得不同部位混凝土温度和应变的发展规律，在进行传感器布置时分别在仓格的中部以及靠近表面处进行了传感器的埋设。在大断面模型试验混凝土浇筑过程以及混凝土硬化过程中，对混凝土的温度和应变进行连续监测。混凝土温度和应变监测传感器埋设方案分别如图2和图3所示，大断面模型试验温度和应变监测结果如表5所示。

由表5可知，大断面模型试验不同位置(底板、顶板和侧板)钢壳自密实混凝土的最高温度较接近，在66.8～68.3 ℃之间波动，最高温出现时间约在混凝土浇筑后的55 h，混凝土的最大温升在43.3～45.4 ℃之间，最高温度出现在仓格的中心位置。可知模型试验钢壳自密实混凝土的温度得到了较好控制，有利于控制混凝土的温度收缩。

由于钢壳自密实混凝土处于一种近似封闭状态，混凝土的收缩主要为自收缩，且主要发生在早期，从应变监测结果可知，监测的三个仓格钢壳自密实混凝土28 d的体积变形表现为收缩应变，且收缩应变不高于150×10-6。可见，所配制的钢壳自密实混凝土具有较好的体积稳定性。

图2 混凝土温度监测传感器埋设方案

图3 混凝土应变监测传感器埋设方案

表5 大断面模型浮态浇筑试验混凝土温度和应变监测结果

2.2 混凝土强度测试

图4 大断面模型浮态浇筑试验混凝土留样强度

大断面模型试验混凝土强度的测试分为两个部分，分别为现场混凝土留样强度测试和模型实体钻芯取样强度测试。对于留样强度，分别对模型试验过程中3次浇筑的混凝土进行留样，留样混凝土试件的尺寸为150 mm×150 mm×150 mm，每次留样3组，放置于标准养护室进行养护，分别测试混凝土7 d和28 d抗压强度，混凝土留样强度测试结果如图4所示。

除了测试留样混凝土强度外，还对模型上层不同仓格进行了实体取芯，取芯具体位置为仓格的下料孔。针对选择的仓格，钻取从顶部到底部的全部芯样，通过测试芯样强度以及对比不同高度处芯样强度的差别，来分析混凝土的强度及其匀质性是否到达要求。通过对模型上层和侧边选取5个仓格进行钻芯取样，将所取的芯样由顶部至底部切割成9个直径为100 mm、高径比为1 ∶1的混凝土圆柱体试件，并进行抗压强度测试，混凝土芯样强度测试结果如表6所示。

从图4和表6可知，模型试验留样混凝土的28 d抗压强度在50 MPa以上，满足配制指标要求。模型实体混凝土芯样28 d抗压强度均在50 MPa以上，混凝土强度分布较为均匀，表明混凝土整体密实性和匀质性较好。

表6 大断面模型试验混凝土芯样强度

3 结 论

(1)大断面模型浮态浇筑试验中所配制的钢壳自密实混凝土拌合物性能满足流动性、填充性和抗离析性能等基本性能要求。

(2)本次模型试验钢壳自密实混凝土的温度得到了较好控制，有利于控制混凝土的温度收缩，且具有较好的体积稳定性。

(3)通过对现场混凝土留样和模型实体钻芯取样进行强度测试，28 d抗压强度均在50 MPa以上，自密实混凝土密实性和匀质性较好，满足配制指标要求，说明钢壳沉管自密实混凝土浮态浇筑施工工艺可行。