深中通道钢壳管节自密实混凝土制备及浇筑技术

王彭生， 黄文慧， 嵇 廷， 范志宏

(1. 中交四航工程研究院有限公司， 广东 广州 510230； 2. 中交四航局第二工程有限公司，广东 广州 510230； 3. 中交第四航务工程局有限公司， 广东 广州 510230)

0 引言

随着我国社会、经济的发展，以及人们环保意识的提高，采用水下隧道方式跨越江河和海湾(峡)的需求越来越迫切。相比于桥梁，水下隧道可实现全天候通行，对航运干扰少，同时也可较好地保护原有生态与自然环境[1-2]。

据国际隧道协会的统计资料，20世纪世界各国已建的沉管隧道中约有1/3的隧道均采用了钢壳混凝土结构[3]。在我国已建及在建的沉管隧道工程中，仅香港有1座单层钢壳双孔的沉管隧道，其他均为钢筋混凝土沉管隧道[4]。2018年10月24日建成通车的港珠澳大桥主体工程沉管隧道为节段式钢筋混凝土箱型断面结构的沉管隧道，为应对大埋深、重荷载作用，采用了高强度混凝土、超厚结构板及大配筋量等多项设计措施，对隧道结构的施工提出了很高的要求[5]。

钢壳沉管隧道采用钢壳包裹素混凝土结构，与传统的钢筋混凝土沉管结构相比，具有预制场地选址灵活(钢壳预制与混凝土浇筑分离)、管节防水性能优(钢壳整体外包)、预制工期短(无装拆模作业)、不均匀沉降适应性好等优点[6-7]。

目前，位于港珠澳大桥上游的深圳至中山的过江通道工程(以下简称“深中通道”)是继港珠澳大桥之后集“超宽超长海底隧道、超大跨海中桥梁、深水人工岛、水下枢纽互通”于一体的又一超级工程，沉管隧道宽度及长度均为世界之最；同时钢壳混凝土沉管隧道在国内属首次应用，在国际上属首次大规模应用。工程规模、技术标准、建造难度均是前所未有，其中较为突出的就是如何保障钢壳内浇筑的无法振捣的混凝土填充密实，尤其要保障混凝土与顶部钢壳的密实接触、不留大面积脱空等，从而保证混凝土与钢壳协同受力，提高结构承载能力。因此，高稳健的自密实混凝土制备和浇筑工艺是保证钢壳混凝土隧道质量的关键。

1 深中通道钢壳管节自密实混凝土配制技术

1.1 工程特点与难点

钢壳混凝土管节采用双层钢壳内部填充混凝土的结构形式，混凝土需要在无振捣的条件下在钢壳内依靠自身流动性和填充性形成密实结构，并最终与钢壳共同作用达到协同受力的效果。因此，钢壳自密实混凝土的配制是钢壳混凝土管节制作的一项关键工作。由于钢壳混凝土沉管在我国还没有实际工程的应用，鲜有关于钢壳自密实混凝土的研究和应用的报道，因此，相关的研究工作具有较高的探索性。首先，钢壳混凝土管节这种特殊的结构形式对混凝土性能指标的要求不明确； 其次，满足指标要求且适合管节特殊结构的钢壳自密实混凝土的配制技术需要探索。钢壳自密实混凝土一方面需要具备良好的工作性能，在钢壳仓隔内依靠自身流动性形成密实填充；另一方面，为了增加混凝土与钢壳之间的协同作用效果，混凝土还需要具备良好的体积稳定性，理论上要求尽量减少混凝土在浇筑到仓隔后的体积收缩； 同时，混凝土还需要具备足够的强度，以起到应有的结构受力作用。因此，钢壳自密实混凝土的配制需要解决高工作性能与高体积稳定性之间的矛盾。同时，钢壳混凝土管节的服役是一个长期过程，钢壳自密实混凝土在这个长期过程中的性能演变对整个管节的正常服役具有重要影响，因此混凝土的长期性能需要明确。

1.2 钢壳管节自密实混凝土性能关键控制指标

我国自密实混凝土标准规范CCES 02—2004《自密实混凝土设计与施工指南》、CECS 203—2006《自密实混凝土应用技术规程》和JGJ/T 283—2012《自密实混凝土应用技术规程》对自密实混凝土的工作性能指标给出了详细规定；日本及欧洲的自密实混凝土标准规范也给出了自密实混凝土工作性能的评价方法，如表1所示。

表1 国内外标准规范中自密实混凝土工作性能评价方法

由表1可知，自密实混凝土的填充性可以通过坍落扩展度和扩展时间(T500)来评价，间隙通过性可以通过L型仪和U型仪试验来评价，抗离析性可以通过离析率等指标测试来评价。考虑到施工过程中现场测试的适用性和质量控制的需要，采用L型仪试验评价混凝土抗离析性和间隙通过性的基本技术指标。在室内研究过程中，也将U型仪试验作为自密实混凝土工作性能评价方法之一。

钢壳沉管仓隔内没有布置钢筋，但是设置有扁钢和角钢。混凝土要填充扁钢、角钢和钢板之间的空间，需要具备一定的流动性和填充性。综合考虑国外技术调研结果、我国标准规范的相关规定和钢壳管节仓隔的结构特征，结合现场施工过程中质量控制的可行性，确定钢壳自密实混凝土的基本性能需求和施工关键控制指标，如表2所示。

1.3 混凝土配合比设计

自密实混凝土的工作性能与胶凝材料用量有关，通常提高胶凝材料用量有利于提高自密实混凝土的工作性能。但是胶凝材料用量过高也会产生不良影响，如体积收缩增大、混凝土分层、混凝土成本增加等。砂率也是影响自密实混凝土工作性能的主要因素之一，砂率太低，混凝土流动性不足，太高则可能导致混凝土强度降低、弹性模量下降、收缩量增大、成本提高等。减水剂对自密实混凝土工作性能起到关键作用，采用专属聚羧酸系高效减水剂，可以保证混凝土扩展度在650±50 mm内仍具有较好的和易性。胶凝材料用量和砂率对自密实混凝土工作性能的影响如表3所示。

表2 自密实混凝土基本性能参数及指标要求

表3 胶凝材料用量和砂率对自密实混凝土工作性能的影响

采用大掺量粉煤灰和小掺量矿粉复掺的混凝土具有较小的干缩值和较好的体积稳定性。在此基础上，加入复合型膨胀剂，混凝土的收缩量进一步下降，但是下降效果并不十分显著。在钢壳混凝土管节结构中，自密实混凝土处于封闭状态，混凝土中的水分不会向周围环境中散失，因此混凝土的收缩主要为自收缩，总收缩值较小。模拟钢壳密闭环境下，未加膨胀剂的自密实混凝土90 d内收缩值测试结果如图1所示。根据收缩发展曲线，自密实混凝土90 d内收缩值接近200×10-6。此外，管节仓隔结构中设置有L型肋，该结构可对混凝土的收缩起到重要的约束作用，进一步降低混凝土的收缩量。因此，在钢壳自密实混凝土的配制中，可考虑采用不掺膨胀剂的低收缩混凝土[8]。

1.4 钢壳自密实混凝土收缩性能预测研究

为预测混凝土的收缩变形，近年来国内外标准规范和学者提出了多个混凝土收缩计算模型，不同模型的适应情况分析如表4所示。

图1 模拟钢壳密闭环境自密实混凝土收缩测试结果

表4 不同混凝土收缩计算模型适用情况分析

表4(续)

根据复掺矿粉和粉煤灰混凝土的自收缩预测研究结果，考虑到现有经典模型对于混凝土自收缩预测的基本方程，建立钢壳密闭环境下自密实混凝土收缩εca预测模型如下：

εca(t)=εca(∞)αβ(t)c。

(1)

εca(∞)=4.5fcu×10-6。

(2)

β(t)=1-exp[-0.6(t-t0)0.4]。

(3)

式中：fcu为钢壳自密实混凝土的28 d立方体抗压强度，MPa;α为与矿物掺合料有关的修正系数;β(t)为与初凝时间有关的修正系数;c为与约束有关的修正系数;t0为钢壳自密实混凝土的初凝时间，d。根据图1的测试结果，确定模型参数。针对钢壳自密实混凝土在管节仓隔内的1年期(365 d)收缩进行计算，其结果为206.8×10-6，混凝土长期体积稳定性较好。

2 深中通道钢壳混凝土浇筑技术

跨海隧道结构钢壳沉管作为一种新颖的设计，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的差异，且尚未在我国大型工程中应用。因此，钢壳混凝土管节的自密实混凝土浇筑施工工艺是深中通道工程钢壳方案的一项关键技术，是实现管节高品质、高工效预制的关键。

2.1 浇筑方法和速度

混凝土的浇筑方法和浇筑速度直接影响混凝土在钢壳内部的填充料，为保证混凝土浇筑后在钢壳内有较高的填充率，控制浇筑管口距液面下落高度不超过50 cm； 当混凝土液面距顶板20 cm以上时，浇筑速度控制在30 m3/h； 当距离仓隔顶板20 cm以内时，浇筑速度控制在15 m3/h；同时，将排气孔混凝土液面上升高度调整为30 cm，作为浇筑结束条件。

2.2 深中通道管节混凝土浇筑顺序

2.2.1 横向浇筑顺序

深中通道钢壳沉管截面尺寸为46.9 m×10.5 m×165 m，管节横断面较大。若按照日本那霸管节施工经验，先完成全部墙体的浇筑，单次混凝土浇筑量过大，且可能对管节底板的变形控制不利，而底板的变形与管节的基床息息相关。因此采用跳仓对称浇筑，浇筑顺序先底板、再墙体、最后顶板，这样可以有效控制管节变形。管节的浇筑分区如图2所示。

图2 混凝土浇筑分区断面示意图

2.2.2 纵向浇筑顺序

管节在纵向的浇筑顺序在长度方向划分为16个混凝土浇筑施工段(S1～S16)。在浇筑横断面单个分区时，混凝土在管节纵向的总体安排为：第1次浇筑S6、S11施工段，第2次浇筑S2、S15施工段，第3次浇筑S8、S9施工段，第4次浇筑S4、S13施工段，第5次浇筑S5、S12施工段，第6次浇筑S1、S16施工段，第7次浇筑S7、S10施工段，第8次浇筑S3、S14施工段。总体浇筑顺序如图3所示。

图3 混凝土纵向分段浇筑顺序示意图(单位： cm)

2.2.3 单次混凝土浇筑顺序

根据竖向及纵向浇筑顺序，管节混凝土浇筑共需进行64次浇筑。单次浇筑时，“对称”的总体要求采用4台布料机分为2组分别在对称的施工段浇筑，单个施工段浇筑时遵循从管节两端向中间进行浇筑原则。单次浇筑顺序如图4所示。

图4 混凝土单次浇筑顺序示意图

2.3 钢壳管节仓隔的下料管、排气管设置

神户港港岛钢壳管节仓隔下料孔、排气孔设置如图5所示。该钢壳管节仓隔下料孔设置在仓隔中间部位，直径为200 mm，排气孔布置在仓隔四周边，共8个，直径为50 mm，间距约为1.3 m。为了使仓隔内空气有效排出，结合混凝土流动规律，深中通道钢壳管节优化了工艺孔的合理构造，每个仓隔顶板排气孔数量由原设计的8个调整为10个，如图6所示。

图5 神户港港岛隧道仓隔排气孔布置图(单位： mm)

图6 深中通道仓隔排气孔结构布置图(单位： mm)

2.4 肋板通气孔设置

肋板通气孔的有无对型钢周边的混凝土填充性有很大的影响，如果没有肋板通气，混凝土的浇筑情况就无法达到预期效果。另外，国外研究资料表明，肋板通气孔的大小，一般为最大颗粒尺寸的2～3倍比较合适。自密实混凝土的最大颗粒尺寸要求不超过25 mm，所以肋板通气孔尺寸为50～75 mm。

在对国外相关资料研究的基础上，结合肋板受力规范(孔洞高度不超过肋板高度1/2)，得到了以下参数设置：为降低肋板对混凝土的阻隔影响，在角钢上设置通气孔，角钢通气孔间距为250 mm，位于角钢、扁钢交叉点、以及交叉点中点部位，通气孔底部高30 mm，宽30 mm，开孔顶角为R40半圆过渡。离浇筑孔最远端T肋通气孔位置调整至与T肋紧挨，厚薄钢板拼接处增设小通气孔。T排气孔间距设为300 mm。

3 钢壳自密实混凝土浇筑效果

通过制定钢壳自密实混凝土施工关键控制指标，配制满足指标要求的自密实混凝土，并采用合理的钢壳管节自密实混凝土施工工艺。目前，深中通道的管节已能够高品质、高工效预制。管节预制前的模型试验，验证了钢壳自密实混凝土的浇筑效果。

3.1 自密实混凝土工作性

模型试验现场浇筑前，对钢壳自密实混凝土拌合物各项性能进行测试，如图7所示，测试结果如表5所示。结果表明，在实际施工过程中，所配制的钢壳自密实混凝土拌合物工作性良好，质量稳定，混凝土性能满足控制指标要求。在现场混凝土生产过程中，自密实混凝土的泵送和入模流畅，质量可控，仓隔浇筑效率高。

(a) 扩展度测试

(b) V型漏斗试验

(c) 含气量测试

表5 自密实混凝土浇筑前拌合物性能测试结果

3.2 自密实混凝土强度

对硬化后的自密实混凝土取芯，检测28 d抗压强度，混凝土芯样的抗压强度结果如表6所示。根据抗压强度结果，所有仓隔的芯样混凝土抗压强度均满足设计强度要求。对单个仓隔不同高度处芯样强度测试结果进行分析，6#仓隔上部混凝土芯样抗压强度较下部混凝土强度要低，其他仓隔混凝土的强度分布较均匀，从顶部到底部没有明显的强度变化趋势。结果表明，6#仓隔的自密实混凝土较其他仓隔混凝土匀质性略差，1#、3#、7#、8#仓隔混凝土的匀质性均良好。

表6 混凝土芯样强度测试结果

3.3 自密实混凝土浇筑质量

对模型试验顶部500 mm×527 mm区块内脱空大于5 mm的缺陷进行标识，并对其进行垂直拍照，采用数值描点方法，统计其大于5 mm的脱空面积。顶部脱空拍照和描点如图8所示。经统计计算，顶面区块内脱空面积为7 620 mm2，即该区域内的脱空面积率为2.89 %。

取芯混凝土的内部形貌如图9所示。芯样分为顶、中、底3段，对比不同高度芯样混凝土的骨料分布情况，对自密实混凝土内部匀质性进行判断。观察结果表明，仓隔不同高度自密实混凝土的骨料分布较为均匀，没有发生明显的骨料下沉聚集情况，浇筑后的自密实混凝土匀质性较好。此外，混凝土芯样中均分布少量气泡，但没有大尺寸的缺陷，表明自密实混凝土填充较密实。

(a) 草图

(b) 描点图

图9 模型试验混凝土形貌图

4 结论与讨论

1)在调研分析和试验研究的基础上，确定了钢壳自密实混凝土拌合物基本性能控制指标：坍落扩展度650±50 mm、V型漏斗通过时间5～15s、L型仪H2/H1≥0.8mm、含气量≤4%。通过这些控制指标，保证混凝土具有良好的流动性、填充能力、间隙通过能力和抗离析性。

2)配合比设计结果表明，以大掺量粉煤灰和小掺量矿粉复掺的胶凝材料体系制备钢壳自密实混凝土，所配制的混凝土拌合物性能满足工作性要求，混凝土体积稳定性较好，28 d抗压强度可达到50 MPa以上。根据试验结果和模型预测，钢壳自密实混凝土在管节仓隔内的1年期(365 d)收缩率为206.8×10-6。

3)浇筑工艺是影响钢壳自密实混凝土填充质量的主要因素之一，通过设置合理的浇筑速度、下料高度、下料孔、排气孔和肋板通气孔等浇筑工艺参数，可较好地实现自密实混凝土在钢壳内的流动、填充和密实。

4)通过模型试验，验证了钢壳自密实混凝土浇筑效果，结果表明，顶部钢壳与混凝土之间的脱空较小，大于5 mm的脱空面积占比低，同时，浇筑后自密实混凝土内部匀质性好，填充密实。

深中通道钢壳混凝土沉管隧道结构在国内属于首次应用，在充分调研国内外标准规范和工程案例的基础上，通过试验研究，形成了一整套工艺技术，保障了钢壳混凝土沉管管节的顺利浇筑，也可为后续类似工程提供参考。