深中通道钢壳混凝土管节自密实混凝土浇筑施工技术

时间：2024-07-28

张文森，王晓东，林伟才，杨洋

（中交四航局第二工程有限公司，广东广州 510300）

0 引言

随着社会经济的飞速发展，湾区式发展逐步成为促进经济腾飞的有效动力，其不同于传统的城市集群陆路连通式发展，湾区经济更注重海陆一体化的经济发展。这种情况下，水下隧道的优势凸显，己逐渐成为跨越航运繁忙水域的第一选择，截止2020年底，我国已建成245 条水下隧道[1]。沉管法因其具备对地质条件要求低、埋深较小、防水性能较好、断面形式灵活、可平行施工等诸多优势，已逐步成为大型水下通道的主要工法，到目前为止，全球已建成了150 多条沉管隧道[2]。沉管隧道管节主要有钢壳混凝土和钢筋混凝土2种结构类型。按时间发展顺序，钢壳混凝土管节又分为双钢壳、单钢壳、三明治；钢筋混凝土管节又分为整体式与节段式[3]。

早期的钢板混凝土沉管隧道采用双钢板或者单钢板，主要用作防水与充当混凝土浇筑时的模板，参与结构受力较少[4]。直到20 世纪80年代，以不配置钢筋为特点的双钢板-混凝土组合结构开始被提出并运用在沉管隧道中，该种结构形式钢壳内部灌注自密实混凝土，钢壳与混凝土共同受力，先后应用于日本那霸沉管隧道[5]、港珠澳大桥沉管隧道最终接头[6]和深中通道[7-8]。因沉管隧道具有“超宽、深埋、变宽”等特点，首次大规模应用“三明治”钢壳高流动性混凝土结构，保障钢壳内浇筑混凝土填充密实是其关键，同时还需确保高效，本文将对在国际上首次应用工厂法进行钢壳混凝土管节预制的关键技术进行研究。

1 工程概述

深中通道按照双向8 车道、时速100 km/h 设计，隧道段全长6 845 m。其中沉管隧道段长为5 035 m，由32 节管节和1 节最终接头组成，管节采用“两孔一管廊”结构形式[7-9]。标准管节长165 m、宽46 m、高10.6 m，标准管节断面结构见图1。单个标准管节分为2 255个独立隔仓，单个隔仓方量为10～24 m3，标准隔仓尺寸为3.5×3×1.5 m，方量为15.75 m3，单个管节浇筑总方量约2.92 万m3，隔仓采用高流动性自密实混凝土进行填充。

图1 标准管节断面图（cm）Fig.1 Standard element section（cm）

2 总体工艺

钢壳混凝土沉管预制常规做法为浮态浇筑，深中通道首次采用工厂法预制钢壳混凝土沉管。具体施工工艺：12 000 t 钢壳在船厂加工完成后，采用驳船运送至沉管预制厂并卸驳上岸至卸驳区，体系转换至“楔形支撑+支墩”支撑。然后再进行一次体系转换，由“楔形支撑+支墩”支撑转换至由80 000 t 管节同步移动滚轮台车系统支撑，台车系统将钢壳从卸驳区移动至浇筑区，在浇筑区完成混凝土浇筑后，再将完成浇筑的80 000 t 钢壳沉管管节运输至浅坞区进行一次舾装作业。一次舾装作业完成后，滑移门和浮式坞门关闭，向坞内灌水至管节在浅坞区能够浮起，然后将管节从浅坞移至深坞区。坞内向外排水至与外海相平，坞门打开管节出坞。

3 混凝土性能指标及浇筑参数要求

3.1 混凝土配合比及性能指标

自密实混凝土概念于20 世纪80年代提出，90年代世界各国进行了相应的研究，我国于2006年出版了相应的技术规程。其最早应用于钢壳沉管隧道是日本的神户和那霸沉管隧道，在国内首次使用是港珠澳大桥沉管隧道最终接头[10]。深中通道沉管隧道作为首次大规模应用，并采用工厂法进行管节预制的项目，预制效率需达到30 d/节，因此在满足基本性能的前提下，混凝土要足够稳定。通过开展室内模型试验[11]、浮态浇筑模型试验[12]、足尺模型试验[13-14]等一系列试验研究，按照混凝土流动性、填充性、抗离析性和高稳健性等要求完成了最终的混凝土配合比设计（表1），并形成钢壳自密实混凝土拌合物性能控制指标[15]（表2）。

表1 自密实混凝土配合比Table 1 Mix proportion of self-compacting concrete

表2 自密实混凝土拌合物性能指标Table 2 Performance index of self-compacting concrete mixture

3.2 浇筑参数设置

根据足尺模型试验成果[13]，确定仓格浇筑的关键参数：1）浇筑过程中下料口距离混凝土面高度不大于500 mm（起始下落高度不大于800 mm）；2）混凝土面距离顶板20 cm 之前，浇筑速度不大于30 m3/h；混凝土面距离顶板20 cm 之后，浇筑速度不大于15 m3/h；3）仓格所有排气管内混凝土面高度达到30 cm 可认为该仓格浇筑结束。

4 智能浇筑设备

4.1 总体结构说明

智能浇筑设备由底盘及支腿、主臂、副臂、末端伸缩管和配重臂组成。底盘及支腿采用步履式，具备左右、上下移动功能，可实现多障碍跨越；主臂用圆管结构，有良好的抗扭强度，主、副臂均可360°旋转，可实现半径12 m 范围内任一位置的浇筑作业；末端伸缩管可调整浇筑管出口与混凝土面的距离，保证混凝土浇筑质量。

4.2 控制系统设置

为满足浇筑各项参数的精准控制，智能浇筑设备由以下系统构成：

1）混凝土面测量系统：测量系统采用激光式液位传感器。在同一个仓的3个相距较远的透气管上设置激光式液位传感器，利用3 点成面的原理，测量仓内混凝土面的高度。

2）拖泵流量控制系统：智能浇筑设备接收到检测系统的混凝土面信号后反馈给拖泵伺服机构，根据混凝土面高度通过伺服机构调节拖泵的泵送速度。

3）末端混凝土管控制系统：为了满足浇筑管末端离混凝土面高度保持在50 cm 以内的要求，浇筑时需要将浇筑管插入到仓内。智能浇筑设备设置末端伸缩管，根据混凝土面测量系统反馈的数据，通过伺服控制系统实时调整末端泵管高度。

4）自动寻孔：智能浇筑设备定位后，根据预先设定的坐标及浇筑顺序，自动旋转主、副臂，将浇筑位置调整到合适的位置。当设备自我定位以后，在其浇筑范围内任意一点，有且只有2 种组合使设备末端到达指定点，通过程序设置转动方向实现寻址。

5）行走系统：采用步进式行走，通过底盘上8个支撑油缸和8个水平伸缩油缸实现设备纵向、横向移动。液压系统需具备调节底盘水平度的功能，支撑油缸为设备浇筑过程提供稳定的基础。

5 混凝土过程控制

5.1 生产及运输

搅拌系统主要由搅拌机组、制冰机组、冷水机组、砂石料输送和粉料输送等组成。其中搅拌机组共4 台，采用全自动计量系统控制。各项准备工作到位后，即可进行混凝土的生产[16]。混凝土搅拌首先向搅拌机投入集料、冰、粉料，再加入拌合水和外加剂，并继续搅拌至均匀为止。

混凝土运输采用10 m3混凝土搅拌运输车，配置12 台。混凝土生产时，运输车位于搅拌楼下接料，混凝土出机检测合格（1 次/60 m3）后运送至浇筑区泵送点（共设置4个），根据既定线路运至浇筑现场停车区等待浇筑，最大运距约750 m。浇筑现场需严格控制高流动自密实混凝土的使用时间，需确保在90 min 内完成浇筑，超时则废弃。

5.2 混凝土检测

高流动性混凝土相比普通混凝土对原材料变化的影响极为敏感，因此需要极其精细地管理材料品质以及材料的用量[10]。根据前期模型试验的研究成果，制定了严格的混凝土检测内容和频率，检测时机分为混凝土出机时和入仓前，入仓前检测在下料口附近设置试验点。

出机混凝土检测内容为坍落扩展度、T500、V漏、L 型仪、含气量、容重、出机温度，检测频率为1次/60 m3。入仓前性能指标检测项目为坍落扩展度、T500、V 型漏斗时间、入仓温度，检测频率为1次/90 m3。自密实混凝土每个浇筑批次每拌合站首盘料出机和入仓前，7个检测项目（坍落扩展度、T500、V 型漏斗时间、入仓温度、L 型仪、含气量、容重）必检。

如出现以下情况，针对同一车混凝土在入仓前4个检测项目（坍落扩展度、T500、V 型漏斗时间、入仓温度）必检：1）采用非泵送工艺，出机后坍落扩展度＜630 mm；2）采用泵送工艺，泵管长度≤70 m 时，出机后坍落扩展度＜640 mm；3）采用泵送工艺，泵管长度＞70 m 时，出机后坍落扩展度＜650 mm。

6 混凝土布料及灌注

6.1 浇筑顺序

6.1.1 浇筑顺序设置原则

大体积混凝土无法短时间、一次性浇筑完成，必定是分阶段浇筑的，不同浇筑方案将导致不同的重力、水化热效应叠加的变形，因而有必要探究仓管浇筑顺序对沉管变形的影响规律，为工程实施提供科学指导，控制沉管的预制精度[17]。通过对3 种浇筑顺序的研究，得出分段棋盘式跳仓浇筑工艺变形最小，变形协调性较好，管节预制精度相对较优，且该工序智能浇筑机浇筑工效最快，因此浇筑顺序的设置原则总体为纵向对称、跳仓浇筑，即按照纵向对称的原则完成第一轮仓格的浇筑，此时已浇筑隔仓间横纵向都不相邻，完成第一轮浇筑后再浇筑第二轮。

6.1.2 横向浇筑顺序

横向浇筑顺序按照先底板、再墙体、最后顶板的总体浇筑顺序，这样可有效控制管节变形；中廊道不具备采用智能布料设备的条件，因此效率较低。底板仓格浇筑过程中，先进行行车道位置仓格（B01—B06、B09—B14）浇筑，再根据现场施工组织情况适时开始中廊道底板的浇筑，总体浇筑顺序原则不变。浇筑分区如图2 所示，浇筑过程对每个仓格进行编号，逐一记录每个隔仓浇筑的各项参数。标准管节隔仓共计2 255个，隔仓分布及浇筑强度见表3。

图2 混凝土浇筑分区断面示意图Fig.2 Schematic diagram of the cross-section of concrete pouring zone

表3 混凝土浇筑分区及浇筑强度统计表Fig.3 Concrete pouring zoning and strength statistics

6.1.3 纵向浇筑顺序

纵向浇筑顺序的设置按照纵向对称的原则进行设置，按照智能布料设备的布料范围对其进行分段，底板和墙体浇筑在管节长度方向划分为9个施工段（S1—S9），顶板浇筑在管节长度方向划分为11个施工段（S1—S11）。

6.1.4 单次浇筑顺序

单次浇筑最多可同时设置6个工位进行浇筑，单个工位浇筑按照先横向后纵向的浇筑顺序，如图3 所示。

图3 混凝土单次浇筑顺序示意图Fig.3 Concrete single pouring sequence

6.1.5 总体浇筑顺序

采用拖泵+浇筑机依次对管节底板区、墙体区及顶板区仓格进行浇筑，采用纵向对称、跳仓浇筑原则。单个区段单、双数仓格浇筑不连续。总体施工顺序为：底板→墙体→顶板，共布置6 台浇筑机，每次浇筑最多可布置6个布料点。总体浇筑顺序见表4。

表4 标准管节浇筑顺序表Table.4 Pouring sequence table of standard element

6.2 设备及泵管布置

混凝土泵送采用混凝土拖泵，利用管道进行输送；混凝土布料采用智能浇筑机，钢壳底板、墙体及顶板浇筑使用6 台，浇筑机可根据混凝土面高度自动提升末端浇筑管；拖泵流量控制系统可实现自动调速。中廊道浇筑使用2 台单独的浇筑设备。拖泵及浇筑机布置见图4。

图4 拖泵及浇筑机布置图Fig.4 Layout of towing pump and pouring machine

根据足尺模型试验研究总结[13]，泵管长度越长，混凝土扩展度泵损越大，经过试验分析，泵管长度不宜超过140 m，且管道弯头应尽量少，因此需合理布置泵管。钢壳外泵管使用管卡固定在地面，减少浇筑过程中弯头处泵管晃动；管节内使用橡胶块进行支垫缓冲。

6.3 混凝土浇筑

混凝土布料使用智能浇筑设备进行自动浇筑，该设备为世界首次研制，具备高精度自动定位、自动调平、自动寻孔、自动行走、自动生成报表及全过程可视化功能，并配置有可精确控制浇筑速度的拖泵控制系统，通过排气管上方的液位仪监测混凝土面高度，采用通讯智能联动控制实现自动调整浇筑速度、自动提升末端管、自动停止浇筑等功能。

墙体浇筑使用串管辅助进行浇筑，共13 根，12 根0.8 m，1 根0.9 m，串管刻度线每20 cm 一条，设置自动串管提升装置，与智能浇筑设备通讯联动实现自动变速及自动停止。