自密实混凝土在西甘池隧洞工程中的应用

(北京通成达水务建设有限公司，北京 101300)

1 自密实混凝土优越性

应用自密实混凝土的优越性具体表现在：

a.具有良好的材料匀质性和稳定性，在流动状态下不泌水、不起泡、无粗骨料离析现象，能够在困难断面或密集钢筋结构中完成混凝土的浇筑，减少混凝土缺陷，保证工程质量，减少以后修复工程和修复费用。

b.加快浇筑速度，缩短施工时间。

c.由于不需要振动捣实，减少了施工噪音，同时也有效保证了施工安全；能够从总体上降低工程造价，提高经济效益。

2 西甘池隧洞工程选用自密实混凝土衬砌的原因

2.1 工程简介

西甘池隧洞位于南水北调中线(北京段)惠南庄泵站～大宁调压池输水干线范围内，距房山镇约14km。桩号为HD12+300～HD14+100，双洞平行布置，单洞长1800m。隧洞结构形式为PCCP管道和钢筋混凝土复合衬砌结构。开挖洞径为5.3～6.36m，城门洞形，初期支护为厚100～180mm的喷锚支护，特殊地质洞段采用型钢钢架加强支护。

该工程原设计方案为隧洞贯通后每12m为一段，进行厚40～50cm的钢筋混凝土衬砌施工，衬砌全部完成后进行洞内管道安装和厚20cm的管外填充混凝土回填。但在建设过程中，由于拆迁占地滞后等原因，导致隧洞开挖贯通日期大大延后，仅剩下4个月的工期预留给后续三项工作(3600m长的隧洞衬砌、洞内管道安装、管外混凝土回填)，工期远远不够，必须进行方案调整。

2.2 调整方案的选择

通过进行反复的方案论证和对比，并与业主、监理、设计单位研究决定，用PCCP管做内模的方案，即隧洞开挖完成后，先安装PCCP管道，然后采用PCCP管子做混凝土内模，将隧洞衬砌和管道混凝土同时浇筑完成。由于PCCP管不允许开浇筑仓口，管与洞壁之间处于基本封闭状态，且浇筑空间狭小，采用常规混凝土施工很难确保浇筑质量。经过认真分析，并咨询相关专家，最终决定，除垭口下游1005m段中围岩较好的无筋洞段采用自流平砂浆回填外，其余围岩地质条件较差的洞段，采用双层配筋+自密实混凝土浇筑，利用自密实混凝土无须振捣而依靠自重均匀填充浇筑空间的优势，实现既保工期又保质量的目标。方案调整示意详见图1。

配合衬砌方案调整，隧洞固结灌浆、回填灌浆的施工顺序和工艺也进行了相应的调整。固结灌浆在初期支护的强度达到设计要求后即进行，提前对地质条件较差的围岩进行固结加强。

3 自密实混凝土配比设计

自密实混凝土是一种具有较高流动性、高填充性、高抗离析性、高间隙通过性和良好均质性的拌和物，有良好的施工性能，在硬化后具有适当的强度、较小的收缩、良好的耐久性，它能够在自重的作用下，不采取任何密实成型措施，即能充满整个模腔而形成匀质的混凝土，达到自密实的效果。

工程选用二级自密实混凝土，主要技术参数为：坍落扩展度为650±50mm、T50为3～20s、V形漏斗通过的时间为7～25s、U形箱试验填充高度为320mm以上。细骨料选用细度模数为2.7的中砂，粗骨料选用粒径为5～20mm的碎卵石；粉体为P.O 42.5水泥、一级粉煤灰、Ⅲ级矿渣粉；外加剂为HJY-828型高效减水剂。配比具体如下表。

自密实混凝土配比设计表

4 施工部署及工艺

4.1 施工段划分

西甘池隧洞在开挖过程中，为加快施工进度，已将中间垭口位置(桩号HD13+000～HD13+095)，长95m的洞段明挖成槽，两条隧洞形成四条短洞，其中，进口两条长700m、出口两条长1005m。即单条隧洞有进口、垭口、出口3个工作面。具体施工部署见图2。

4.2 管道安装前的准备阶段

采用PCCP管做内模的隧洞衬砌方案，主要内容包括洞内管道安装、浇筑自密实混凝土衬砌、回填灌浆，设计浇筑仓段为40m左右(8节5m的PCCP管，或者加上一个1.24～1.59m长的钢制管件)。由于洞内PCCP管安装采用专用设备——驮管车，所以必须要将衬砌施工分两期进行，第一期主要为驮管车进洞安装进行的准备工作，即浇筑底板混凝土后，铺设驮管车轨道。

图2 衬砌施工分段部署示意图

主要工序包括：测量放线→清基→垫层混凝土浇筑→外圈钢筋制安→驮管车轨道埋件安装→底板混凝土浇筑→凿毛处理→驮管车轨道安装。

按每清理100m左右浇筑一次垫层混凝土，每完成60m钢筋绑制安筑一段底板混凝土考虑，形成流水作业。

4.3 管道安装和混凝土衬砌阶段

主要施工工序包括：卸管子至钢筋绑扎工作平台→内圈钢筋绑扎在PCCP管上→将钢筋绑扎成型的管子吊至轨道→驮管车将PCCP管架起、钢筋局部调整→管子进洞安装→混凝土浇筑前的准备工作(混凝土管、混凝土泵就位,堵头模板安装)→混凝土浇筑→混凝土泵撤出、拆除堵头模板→下一段管子安装→进入下一循环。

回填灌浆在每一仓段混凝土强度达到70%后进行。

5 生产性试验

自密实混凝土应用于水工隧洞的衬砌，在长距离、狭小、近乎封闭的环境中浇筑，这在国内尚属首次，没有规范和施工经验可以借鉴。为验证40m为一浇筑仓段长距离输送的可行性，自密实混凝土能否将狭小的浇筑仓填充密实，如何确保浇筑过程中不出现漂管及其他不可预料的问题，现场进行了生产性试验，为大规模施工提供必要的参考和数据。

工程选取垭口上游左、右洞的洞口第一个浇筑仓进行试验。由于其位置处于洞口，双向均有浇筑口，既便于试验观察，又可以在仓内一旦出现浇筑不满的情况下采取补救措施。

5.1 左洞第1个浇筑仓HD13+000～HD12+957.62

5.1.1 泵管的布设

该浇筑仓长42.38m，仓内布设33m长的输送泵管，输送管路采用滑动装置固定在隧洞顶部的工字钢滑轨上，以便于调节混凝土出料口位置。同时，在垭口仓头处布设了10m长的泵管一根。如下图3。

5.1.2 浇筑情况

浇筑前期，经过在两个仓头堵头模板处观察孔监测，即使泵管下料口不做移动，混凝土也可自流至两仓头，呈中间(下料口处)高，两头低的流态。在浇筑后期，由于泵管过长和混凝土堵塞滑轮等因素影响，滑动

图3 第一个浇筑试验仓内泵送管路布置示意图

装置失灵，无法实现泵管移动。当泵管下料口混凝土高度达到洞室顶部位置时，逐步形成了中间阻隔墙，混凝土被泵送压力反向压至距下料口较远的一侧，即垭口HD13+000仓头模板处，并充填密实。较近一侧顶部却出现了长约8m，高40～50cm左右的空隙。这跟预估的情况正好相反，所以预埋的第二根泵管无法发挥作用。为将空隙部位灌注密实，现场加大了泵送压力进行浇筑，但效果不很明显。为此，在12+957.62处又重新布置了一路泵管进行浇筑，共灌注混凝土12m3左右，将空隙处浇筑密实。

5.2 右洞第1个浇筑仓HD13+000～HD12+957.62

吸取第一个试验仓的经验，将混凝土输送泵管滑动装置取消，采用射入岩石的锚杆连接管箍固定泵送管；同时将泵管长度由30m加长为38m，距堵头模板约4m长。通过布设在两仓头模板处的观察孔，专人全过程中检测，可以将42.38m长的浇筑仓填充密实。具体布管见图4。

图4 第二个浇筑试验仓内泵送管路布置示意图

5.3 仓头模板的封堵工艺

浇筑自密实混凝土，除管路布置外，还需要考虑的另一个问题是对模板产生的侧压力。与普通混凝土相比，自密实混凝土屈服值很低，几乎没有支撑自重的能力，浇筑的过程下部模板所承受的侧向压力会随浇筑高度增长而线性增加，这样就要求模板具有更高的刚度和坚固程度。

在西甘池隧洞工程中，堵头模板结合设计结构分缝的做法，采用浸油木板进行封堵。模板加固原则为“内拉为主，外撑为辅”。采用方木和架子管紧贴浸油木板做横、竖楞，φ16的对拉钢筋与隧洞内外侧锚桩连接，螺栓紧固成整体。堵头模板分块加工、安装，各块模板尺寸相对固定，批量加工生产。堵头模板采分为10块定型模板，洞室腰线附近⑤、⑥号和顶部⑩号分块模板，在浇筑前期先不安装，留作观察孔，在浇筑至该部位后再进行封堵。具体详见图5、图6。

图5 隧洞衬砌模板分块及加固示意图 (单位：mm)

图6 模板内拉加固纵断面示意图 (单位：mm)

5.4 混凝土浇筑工艺

HB80T型混凝土泵泵送混凝土入仓，浇筑时在仓头安排3～4人密切关注混凝土流态，确保PCCP管两侧的混凝土面高差在30cm以内，防止PCCP管漂移。混凝土浇筑根据上升高度采取快慢结合，合理控制。混凝土面高度在PCCP管身1.5m以下(PCCP管偏下位置)时，适当加快浇筑速度；高度在1.5～3.0m之间(PCCP管中间位置)时，适当放慢浇筑速度，控制在20m3/小时以内，并密切关注管子两侧混凝土面的高差和堵头模板的变形情况；高度在3.0m以上时可加快速度，浇筑接近顶拱部位第一次出现高压无法压入仓时，间歇20～30分钟，第二次出现高压无法压入后，间歇20～30分钟，再次高压泵送入仓浇筑，最后高压泵送入仓浇筑到无法压入止，同时通过预留观测孔观测仓内浇筑情况和浇筑质量，以保证混凝土浇筑饱满。混凝土浇筑平均速度不大于25m3/h。

5.5 试验段总结

通过两个试验浇筑仓的摸索，积累了40m长的仓段自密实混凝土浇筑的基本经验。通过合理的布设泵送管路，并密切关注仓内混凝土的流态，适时进行引流，同时加大混凝土供应强度，确保连续进行浇筑，完全可以确保仓内混凝土浇筑密实。

6 实际施工及效果

实际施工时由于泵管过长和混凝土堵塞管箍等因素影响混凝土泵送管无法移动，为此，工程采用价格较便宜的φ125无缝钢管作为泵送管，钢筋弯曲成U形驮住钢管焊接在钢架或外层钢筋上，无缝钢管不拔出仓内与混凝土埋设在一起。

采取改进措施后，西甘池隧洞洞穿PCCP管与管后混凝土衬砌施工日均进尺达13.3m/天，月进尺达400m/月，在不计洞穿PCCP管工期的情况下，该方案比原衬砌计划4.0m/天的日均进尺提高了2倍, 且混凝土浇筑过程中未发生漂管现象。现场制作的614组抗压试块，抗压强度在31.6～52.2MPa，强度满足设计要求。

通过对隧洞衬砌工程的全过程监控，采用自密实混凝土可以将狭小的浇筑仓填充密实；而且经理论衬砌方量(包括超挖量)和实际浇筑的方量对比核算，浇筑仓内已回填密实。另外，施工过程中在8个洞口位置进行了钻芯取样，芯样的最小强度32MPa，结果表明，浇筑仓内和混凝土材料的密实情况均为良好，满足设计要求。

通过埋设混凝土中的土压力计、钢筋收敛计、应变计、无应力计等共计112支仪器的检测数据表明，隧洞衬砌受力情况稳定，工程运行情况良好。

7 经验总结

通过实际施工的不断摸索，对自密实混凝土在水工隧洞衬砌中的应用总结经验如下：

a.泵管下料口尽量靠近顺压送方向的堵头模板，应不超过3m。

b.模板支撑采用“内拉法”，外部支撑为辅，在确保模板加固牢固的前提下，尽量减少外部支撑，便于尽快拆除，尽快进入管道安装工序。混凝土浇筑在模板支立2m高后进行，边浇筑边进行腰线以上模板的加固、支撑；减少堵头模板支撑占用的直线工期。

c.加强对自密实混凝土的坍落扩展度、T50、V形漏斗三项指标的检测，严格控制衬砌材料的入仓质量，以确保浇筑质量。

d.确保混凝土供应强度，浇筑应连续进行，防止堵管。浇筑至顶部时，可适当加快速度，确保混凝土在洞室顶部填充密实。

e.当泵管长度超过300m时，为防止堵管，采取双泵接力替代单台混凝土泵送，消除单泵不利因素。

f.在PCCP管加固中，除采用工字钢顶撑外，每根管子加设3道φ25的向下对拉管箍钢筋的加强措施，对防止漂管效果明显。