CN112982416A - 一种大断面钢壳自密实混凝土管节的浮态浇筑工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种大断面钢壳自密实混凝土管节浮态浇筑工艺，该工艺通过将大断面钢壳管节系泊在码头边上，在大断面钢壳管节上安装下料管和排气管，并通过布料机进行自密实混凝土的浇筑，最后得到钢壳自密实混凝土管节；在浇筑过程以及混凝土硬化过程中，对混凝土的温度和应变、混凝土的强度进行测试。本发明将自密实混凝土浮态浇筑以及质量验证结合于一体，通过采用浮态浇筑直接在半潜驳上对钢壳管节进行浇筑，很好地节约场地，且在浇筑过程中，同时对管节内混凝土的温度和应变进行监测，浇筑完成后检测硬化混凝土的强度、密实度等性能，保证自密实混凝土的浇筑质量。

Description

一种大断面钢壳自密实混凝土管节的浮态浇筑工艺

技术领域

本发明涉及沉管隧道技术领域，尤其涉及一种大断面钢壳自密实混凝土管节的浮态浇筑工艺。

背景技术

沉管隧道用管节主体结构的构造形式是钢筋混凝土结构和钢壳混凝土结构，钢筋混凝土结构是通过架设模板-绑扎钢筋骨架-浇筑混凝土，混凝土冷凝后与钢筋骨架形成整体受力结构。钢壳沉管隧道是单圆形或双圆形断面的钢壳与混凝土的复合结构，其施工过程通常包括钢壳管节的制作、混凝土浇筑、管节下水，浮运，沉放安装等。钢板焊接而成的钢壳起到外防水层的作用，后浇筑的混凝土起到镇载抗浮作用。

在沉管隧道遇到高水压、大埋深、大跨度、高防水、高耐久性及其他特定要求时，钢筋混凝土结构由于所需配置的钢筋过多而导致浇筑混凝土极为困难，甚至无法浇筑，且钢筋混凝土结构体量大，笨重，施工困难，混凝土结构表面开裂，导致防水及耐久性不足等问题。与传统的钢筋混凝土沉管相比，钢壳混凝土具有以下优势，成本更低，施工更便利，工期更短，结构规模相对较小，承载力更强，抗沉降和抗震适应性更好，不存在大体积混凝土管节控裂的问题。因此我国在一些大型跨海、跨江通道工程中也开始探索采用钢壳混凝土沉管隧道的结构形式，但现有的钢壳混凝土结构预制需要占用大量场地，工程造价高。

现有技术中，钢壳混凝土沉管的管节是一种封闭结构，混凝土的浇筑过程无法进行振捣，需依靠自身的流动性实现在管节内的密实、均匀填充，达到设计强度要求，并且具备良好的体积稳定性，以及与钢壳之间保持良好的协调受力能力，因此钢壳混凝土沉管结构中多采用自密实混凝土，在浇筑完成后需对混凝土的强度、密实度等进行检测。

深中通道是超大跨度、深埋、特长的钢壳沉管隧道，其沉管隧道管节是国内首次采用矩形双层钢壳内部填充自密实混凝土的“三明治”结构型式，因其规模大，在钢壳管节预制加工上相当困难，在浇筑后也难以控制混凝土的密实度，现有技术中尚未有相关施工工艺能制备出如此大规模的钢壳管节，因此有必要对现有技术进行改进。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种大断面钢壳自密实混凝土管节浮态浇筑工艺，该工艺集自密实混凝土浮态浇筑以及质量验证于一体，通过采用浮态浇筑直接在半潜驳上对钢壳管节进行浇筑，很好地节约场地，且在浇筑过程中，同时对管节内混凝土的温度和应变进行监测，浇筑完成后检测硬化混凝土的强度、密实度等性能，保证浇筑质量。

本发明所采用的技术方案为：

一种大断面钢壳自密实混凝土管节浮态浇筑工艺，包括以下步骤：

S1：将预制好的大断面钢壳管节运送至码头，并吊入水中固定，使大断面钢壳管节处于漂浮状态；

S2：将大断面钢壳管节沿长度方向依次分为五段浇筑区域，依次标号，每段浇筑区域包括顶板、底板和墙体，将顶板、底板和墙体分别划分为若干个仓格；

S3：将在混凝土搅拌站搅拌完成且检测合格的自密实混凝土运送至浇筑现场；

S4：在大断面钢壳管节内各浇筑区域相应位置安装下料管、排气管和下料引导管，并且在每个浇筑区域的顶板底部开设通孔；

S5：采用智能浇筑布料机对大断面钢壳管节的五段浇筑区域分若干次浇筑自密实混凝土，从两端向中间进行对称浇筑，先浇筑对称的两段浇筑区域的底板或墙体，最后浇筑顶板；

S6：浇筑完成后，拆除下料管及排气管，并对仓格中留有的下料孔和排气孔进行封闭处理。

与现有技术对比，本发明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，将钢壳滑入水中使其成为浮体，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，有效节约预制的场地，并且减少沉管卸驳、纵移、横移和上驳等步骤，有效提高钢壳沉管的预制效率。

进一步地，步骤S5中，对各段浇筑区域的墙体采用一次到顶的浇筑方式进行浇筑。各浇筑区域的墙体进行浇筑时，其底部难以观察仓格排气管情况，若布料机下料的停止时间控制不当，容易导致混凝土溢出至上部仓格，出现断层的现象。墙体采用一次浇筑到顶，可以确保墙体的完整性，保证浇筑质量。

进一步地，在步骤S4中，浇筑之前，在顶板、底板和墙体的各仓格中部位置和靠近仓格表面处均安装温度监测传感器和应变监测传感器。在各仓格安装温度监测传感器和应变监测传感器，可以对大断面钢壳模型浇筑过程以及混凝土硬化过程的混凝土温度变化和应变情况进行连续监测，对大断面钢壳混凝土沉管浇筑过程中可能出现的情况有进一步的了解，可以进一步优化浇筑工艺。

进一步地，步骤S4中，在安装下料管前，对下料管进行除锈。

进一步地，步骤S3中，在浇筑之前，对运送至浇筑现场的自密实混凝土进行过泵检测。

进一步地，在步骤S5中，对浇筑过程中的自密实混凝土的应变情况和温度变化进行监测。通过安装在仓格中的传感器采集混凝土浇筑过程中的应变情况和温度变化，提高自密实混凝土的体积稳定性，减少混凝土浇筑过程中体积变化对钢壳管节的影响。

进一步地，在大断面钢壳混凝土管节完成浇筑之后，测试硬化后自密实混凝土的强度。自密实混凝土硬化后，对其强度进行测试，保证钢壳沉管自密实混凝土浮态浇筑的施工质量。

进一步地，对大断面钢壳管节的浮态浇筑过程进行浮态监测。为控制浇筑过程中大断面钢壳管节的平衡，对其浇筑过程进行浮态监测，实时记录波浪情况。

附图说明

图1为本发明中大断面钢壳管节的俯视图；

图2为本发明中大断面钢壳管节的截面图。

具体实施方式

以下结合说明书附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，但所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，并不是全部实施例，本发明的保护范围不限于此。

为验证本发明所述浮态浇筑工艺能否在深中通道等大规模隧道工程的可行性以及施工质量，申请人进行大断面钢壳模型的浮态浇筑试验，在小尺寸有机玻璃模型和局部足尺模型试验的基础上，验证钢壳模型在浮态工况下混凝土浇筑质量和施工工艺的适应性。

本发明提供的一种大断面钢壳自密实混凝土浮态浇筑工艺，在大断面钢壳模型上开展试验，其主要包括以下步骤：

S1：将预制好的大断面钢壳模型通过船运至码头附近，大断面钢壳模型的尺寸为16.0m、宽17.1m、高5.0m，纵向分为A～E五段浇筑区域，如图1所示；每段浇筑区域包括顶板、底部和墙体，将顶板、底板和墙体分别划分为若干个仓格，并对各仓格进行标号，如图2所示；本试验中，顶底板、侧板、纵隔板采用厚度为16mm的Q345钢板，纵肋为L140×90×10角钢，横向隔板及横肋的钢板厚度10mm。在码头采用1000t浮吊将大断面钢壳模型吊入水中，并在码头通过系缆墩完成系泊，使大断面钢壳模型漂浮在水面上。

S2：将在混凝土搅拌站搅拌完成且检测合格的自密实混凝土通过混凝土罐车运输至浇筑现场，自密实混凝土运送至浇筑现场后，对新拌混凝土的容重、含气量、坍落扩展度和V型漏斗通过时间进行测试，并经过地泵检测和L型仪试验；

S3：在大断面钢壳模型浇筑前，在各仓格内相应位置安装下料管、排气管和下料引导管，下料管在安装之前进行除锈，并且在各仓隔顶板的底部开设通孔。

S4：对大断面模型进行浇筑：

本试验中采用两台智能浇筑的布料机同时对大断面钢壳管节模型进行浇筑，每次浇筑模型的两个区域。

为保证大断面钢壳模型浇筑完成后处于浮态，本次试验选取B、D两段浇筑区域中的仓格进行混凝土浇筑，共40个仓格，混凝土浇筑总方量367.5m3，且为验证大断面钢壳模型在不同浇筑顺序下对施工工艺及变形的影响，区域B采用墙体-底板-顶板的浇筑顺序，区域D采用底板-墙体-顶板的浇筑顺序，故本次试验中分三次进行浇筑：

(1)第一次浇筑：第一次浇筑区域为区域B的墙体、区域D的底板，其中区域B的浇筑区域为F1、F2、F3、F4、Z1、Z2、Z3、Z4仓格，区域D的浇筑区域为D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7仓格，本次浇筑方量127.5m³。

(2)第二次浇筑：第二次浇筑区域为仓隔B的底板和仓隔D的墙体，其中仓隔B底板的浇筑区域为D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7仓格，仓隔D墙体的浇筑区域为F1、F2、F3、F4、Z1、Z2、Z3、Z4仓格，本次浇筑方量为127.5m³。

(3)第三次浇筑：第三次浇筑区域为仓隔B、D区段的顶板，即仓隔B、D的T1、T2、T3、T4、T5仓格，本次浇筑方量为112.5m³。

在上述浇筑过程中，严格控制布料机的下料，底板浇筑前期液面上升按3.3m/h的速度进行浇筑，并且在底板浇筑过程中，测量混凝土液面高度，待混凝土液面上升至离顶板200mm时，停止布料，将混凝土浇筑速度调整为1.67m/h，待排气管内混凝土液面高度达300mm时，停止供料，并记录下料管及各排气管内混凝土液面数据；墙体底部难以观察仓格排气管情况，为避免停止时间点控制不当，导致混凝土溢出至上部仓格，出现断层的现象，本试验中墙体的浇筑采用一次到顶的浇筑方式，通过将4.5m的下料串筒穿过上部仓格的下料孔进行布料，当混凝土液面上升至下部仓格顶板200mm时停止布料，将速度调整至1.67m/h，浇筑至上部仓格顶面时停止布料，将速度调整至3.3m/h，混凝土液面上升至距离顶部仓格2500mm时停止布料，拆除4.5m的下料串筒，改为1m的下料串筒，浇筑至距离顶部仓格顶板200mm时，停止布料，拆除1m下料串筒，安装1.2m高的下料管，并调整速度至1.67m/h，同理，排气管内混凝土液面高度达300mm时，停止供料；顶板浇筑采用布料机管道直接布至仓格内，浇筑过程的速度控制与停止时间，同第一、第二次浇筑。

在实际施工过程中，为减少混凝土浇筑对钢壳变形的影响，按照平衡、对称、连续的原则，多次对大断面钢壳管节进行浇筑，完成钢壳混凝土管节的预制。

S5：在仓格浇筑完成后，拆除下料管和排气管，并对相应留下的下料口和排气口进行封闭焊接，且保证焊接后的孔口具有良好的水密性。

本试验中，为控制浇筑过程中大断面钢壳模型的平衡，对其浇筑过程进行浮态监测，实时记录波浪情况。

本试验中，为了获取不同部位的混凝土温度变化和应变发展规律，浇筑之前，分别在仓格的中部和靠近表面处埋设温度监测传感器和应变监测传感器，对大断面钢壳模型浇筑过程以及混凝土硬化过程的混凝土温度变化和应变情况进行连续监测，验证不同浇筑顺序对沉管体积变形的影响，完善大断面钢壳管节模型试验方法对钢壳自密实混凝土浮态浇筑工艺质量进行验证，以便进一步优化浇筑工艺，从而将沉管的体积变形控制在较小范围内。大断面钢壳模型试验温度以及应变监测结果如表1所示。由下表可知，本试验中的钢壳自密实混凝土的温度得到了较好的控制，有利于控制混凝土的温度收缩，所配制的钢壳自密实混凝土具有较好的体积稳定性。

表1大断面钢壳模型浮态浇筑试验混凝土温度和应变监测结果

大断面钢壳模型试验中混凝土强度的测试分为两个部分，分别为现场留样强度测试和模型实体钻心取样强度测试。混凝土留样强度测试结果如表2所示，混凝土芯样强度测试结果如表3所示。从表2和表3可知，本发明中大断面钢壳模型试验留样混凝土的28d抗压强度在50MPa以上，满足配制指标要求。大断面钢壳模型实体混凝土芯样28d抗压强度均在50MPa以上，混凝土强度分布较为均匀，表明混凝土内部没有发生明显的不密实等缺陷，混凝土密实性和匀质性较好。

表4大断面模型浮态浇筑试验混凝土留样强度(MPa)

表5大断面模型试验混凝土芯样强度(MPa)

综上所述，通过开展大断面钢壳模型试验，验证本发明的一种大断面钢壳自密实混凝土管节浮态浇筑工艺在大规模隧道工程中的可行性，可以看出，本发明通过利用钢壳的浮力实现水上浮态浇筑，在漂浮状态下浇注混凝土管节，在有效节约场地的同时，减少管节卸驳移动等步骤，提高钢壳沉管的预制效率，并且在浇筑过程中监测自密实混凝土的应变情况和温度收缩情况，便于后续作出工艺调整，在混凝土硬化后测试其强度，得到强度高，均质性好、体积稳定性较好的硬化混凝土，保证钢壳沉管自密实混凝土浮态浇筑的施工质量。

以上所述仅为本发明的部分实施例，并非因此限定本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所做出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种大断面钢壳混凝土管节浮态浇筑工艺，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将预制好的大断面钢壳管节运送至码头，并吊入水中固定，使大断面钢壳管节处于漂浮状态；

S2：将大断面钢壳管节沿长度方向依次分为五段浇筑区域，依次标号，每段浇筑区域包括顶板、底板和墙体，将顶板、底板和墙体分别划分为若干个仓格；

S3：将在混凝土搅拌站搅拌完成且检测合格的自密实混凝土运送至浇筑现场；

S4：在大断面钢壳管节内各浇筑区域相应位置安装下料管、排气管和下料引导管，并且在每个浇筑区域的顶板底部开设通孔；

S5：采用智能浇筑布料机对大断面钢壳管节的五段浇筑区域分若干次浇筑自密实混凝土，从两端向中间进行对称浇筑，先浇筑对称的两段浇筑区域的底板或墙体，最后浇筑顶板；

S6：浇筑完成后，拆除下料管及排气管，并对仓格中留有的下料孔和排气孔进行封闭处理。

2.根据权利要求1所述的一种大断面钢壳自密实混凝土管节浮态浇筑工艺，其特征在于，步骤S5中，对各段浇筑区域的墙体采用一次到顶的浇筑方式进行浇筑。

3.根据权利要求1所述的一种大断面钢壳自密实混凝土管节浮态浇筑工艺，其特征在于，在步骤S4中，浇筑之前，在顶板、底板和墙体的各仓格中部位置和靠近仓格表面处均安装温度监测传感器和应变监测传感器。

4.根据权利要求1所述的一种大断面钢壳自密实混凝土管节浮态浇筑工艺，其特征在于，步骤S4中，安装下料管前，对下料管进行除锈。

5.根据权利要求1所述的一种大断面钢壳自密实混凝土管节浮态浇筑工艺，其特征在于，步骤S3中，在浇筑之前，对运送至浇筑现场的自密实混凝土进行过泵检测。

6.根据权利要求3所述的一种大断面钢壳自密实混凝土管节浮态浇筑工艺，其特征在于，在步骤S5中，对浇筑过程中的自密实混凝土的应变和温度进行监测。

7.根据权利要求3所述的一种大断面钢壳自密实混凝土管节浮态浇筑工艺，其特征在于，在大断面钢壳混凝土管节完成浇筑之后，测试硬化后自密实混凝土的强度。

8.根据权利要求1所述的一种大断面钢壳自密实混凝土管节浮态浇筑工艺，其特征在于，对大断面钢壳管节的浮态浇筑过程进行浮态监测。

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