自密实混凝土在隧洞衬砌施工中的应用

程木辉 王益杰 陈赣新

摘要：某水电站引水隧洞下平洞结构受损严重，按结构加固处理要求，在原有混凝土衬砌外增设压力钢管，钢管与原衬砌之间填充混凝土。本工程采用自密实混凝土进行洞内衬砌填充，成功地解决了普通混凝土在浇筑时无法解决的衬砌厚度小、工作面狭小、流动性差及振捣困难等难题，可为类似狭小空间衬砌施工提供参考借鉴。

Abstract： The structure of the flat tunnel under the diversion tunnel of a hydropower station was seriously damaged. According to the requirements of structural reinforcement treatment， penstocks were added to the original concrete lining， and concrete was filled between the steel pipe and the original lining. This project uses self-compacting concrete to fill the lining of the cave， successfully solving the problems of narrow working face， small lining thickness， low fluidity and difficulty in vibrating that cannot be solved by ordinary concrete pouring， which can provide a reference for lining construction in similar narrow spaces.

关键词：自密实混凝土;配合比;模拟试验;隧洞衬砌;质量检验

Key words： self-compacting concrete;mix ratio;simulation test;tunnel lining;quality inspection

中图分类号：TV554                                      文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）27-0134-03

1  工程概況

某水电站电站总装机容量为2×20MW，枢纽主要建筑物有碾压混凝土双曲拱坝，发电引水洞，电站厂房，GIS楼等。引水隧洞下平洞全长533m，开挖洞径为4.80m，隧洞出口部位设置40.35m长的压力钢管段，其他为钢筋混凝土衬砌结构，衬砌0.8m厚的钢筋混凝土，衬砌后隧洞直径为3.20m。

引水隧洞下平洞在高压水头通水试验时发生较严重的破损现象，存在靠近出口段混凝土衬砌结构破损、灌浆孔渗漏等缺陷。根据加固设计方案，仅将破损混凝土衬砌拆除重建，压力钢管钢衬延长至400m，钢衬厚度为25mm，压力钢管钢内径2.4m，混凝土衬砌厚度400mm，压力钢管钢进口部分外部混凝土设置Φ28@150三级钢筋，顶部进行回填灌浆。钢衬与周围原衬砌砼之间空间不足40cm，若采用普通混凝土无法解决振捣密实的问题且流动性小，经过专家咨询，中国工程院院士马洪琪推荐采用高流动性不需要振捣的C30自密实混凝土衬砌。（图1）

2  自密实混凝土衬砌施工

2.1 自密实混凝土简介

自密实混凝土（Self-Compacting Concrete，简称SCC）属于高性能混凝土中的一种，它具有很强的流动性而不离析离散，不泌水，能依靠混凝土的自重填充模板内空间，且对于较为密集的钢筋或型式复杂的结构均具有很好的填充性，能在不经振捣或稍作插捣的情况下，形成较为密实的混凝土结构，并具有良好的力学性能和耐久性能。

自密实混凝土适用于多种混凝土结构和复杂施工条件，被业界普遍认为是混凝土将来发展的必然趋势之一。但就国内外应用现状来讲，自密实混凝土技术并不成熟、应用也不算广泛。其受到限制使用的主要原因有：一是新拌混凝土的工作性较为敏感，会受原材料质量、配料准确性等因素波动的影响而变化幅度大;二是目前没有一个统一、被普遍认可的配合比设计方法，适配时间较长;三是自密实混凝土的配合比较普通混凝土胶凝材料用量多、砂率大，其各项性能与普通混凝土存在较为明显的差别。以上几个方面原因造成了自密实混凝土仍然被当作一种特殊混凝土而被谨慎使用，大量推广应用较为困难。[4]

2.2 配合比确定

作为非常规混凝土，为提高自密实混凝和易性，便于混凝土入仓顺利，在混凝土拌制过程中需掺入一定量的粉煤灰。砂子采用电站厂房下游田家料场生产的人工砂，石子采用碎石系统生产的5-10mm瓜米石，外加剂则采用北京华石纳固科技有限公司提供的专用活性外加剂。因自密实混凝土性能同原材料性能有密切联系，尤其是原材料中粉煤灰数量及砂子细度模数的变化，应根据原材料实际使用量情况进行配比试验，并根据砂石料性能变化对配合比进行优化调整。

本工程委托清华大学水利水电工程试验中心进行C25自密实混凝土的配合比试验试配，配合比见表1。配合比试验委托第三方检测单位进行抗压强度检测，三天抗压强度为21.6MPa，七天抗压强度为26.7MPa，推算28天强度为31.6MPa，满足设计及规范要求[1]。

2.3 混凝土生产

本工程搅拌站设置在下平洞施工支洞出口附近，现场进行平整后安装2台JS500型强制式搅拌机，单盘最大搅拌量为0.35m3，能满足自密实混凝土浇筑高峰需求。为确保自密实混凝土的均匀性，对混凝土搅拌方法进行了严格要求：首先将砂石骨料及胶凝材料放入搅拌机内，先干拌60秒左右，再加入适量专用外加剂和水进行搅拌。搅拌混凝土用粉煤灰以整袋重量折算出每盘混凝土搅拌量，砂和瓜米石计量均采用PLD1200型电子配料机称重配料，水泥采用电子称量的方法添加，专用外加剂为液体状，从搅拌机口有专人控制加入，拌和用水量由计量泵控制，搅拌时间按照每盘120秒控制。在搅拌机出口检测坍落度和扩展度，每4小时对混凝土工作性能进行检测，确保拌合物性能良好。混凝土浇筑过程中严禁加水，必要时可人工加高效减水剂。[3]

2.4 工艺模拟试验

因自密实混凝土为新型混凝土，考虑下平洞C25自密实混凝土施工需要，现场对自密实混凝土进行工艺模拟浇筑试验，检验砼的流动性自密性。

模板施工：在搅拌站附近空地立模，模板厚度18mm，内部宽度900mm，高度1200mm，布置成L型，长度分别为2950mm和2450mm，模板采用钢管脚手架加固。

钢管安装：采用？准500mm钢管模拟洞内压力钢管，并设置加劲环一道，加劲环宽8-10cm。下部焊接2根钢筋，左右侧各1根，钢筋采用Φ22mm螺纹钢筋，模拟型钢支撑加固。钢管距离模板边20cm，模拟洞内混凝土内壁至钢管间距40cm。

混凝土浇筑：混凝土采用搅拌站强制式拌和机搅拌，严格按照配合比配料。采用HBT80混凝土拖泵泵送入仓。混凝土入仓位置设置在一端端头上部，用模板做缓冲隔挡，使自密实混凝土从一端缓慢流向另一端。混凝土不允许振捣，全过程采用自流自密实。

根据浇筑过程中自密实混凝土流动性、密实情况、泌水情况等与设计配合比对比分析，并针对下平洞混凝土浇筑进行类比推断分析。

本工程自密实混凝土模拟试验拆模后，混凝土充填密实，表面平整光滑，色泽均匀，无蜂窝麻面，基本无气泡，可以验证施工过程中的技术措施和控制手段有效。经现场回弹试验，强度满足混凝土力学性能指标要求。

2.5 模板安装

根据自密实混凝土塌落度大、流动性强的参数，结合原来隧洞内径高度3.2m，按20m长一段对自密实混凝土进行分仓，压力钢管安装之前排好版，在每仓长度中间一节压力钢管顶部开好孔洞便于混凝土浇筑时安装泵管，根据混凝土分仓排版，压力钢管每安装20m长同时进行混凝土分仓端头模板。

端头模板采用免拆模板网。模板网采用Φ22螺纹钢在压力钢管外沿5-10cm处焊接固定，钢筋间距0.5-0.8m。压力钢管周边设封头模板，宽40cm，采用建筑新型材料免拆模板网（又称快易收口网）。基本尺寸为弧形结构，每个断面由4块弧形模板拼接。

因自密实混凝土的流动性较强，随着自密实混凝土浇筑量及高度的增加，对模板壁产生的侧压力也随之增大，同时较高的流动性也容易造成模板的偏移、跑浆、漏浆现象。

免拆模板安装时，在内侧钢筋焊接完成后，确定其牢固，再安装模板网，模板网紧贴外侧钢筋，并用铁丝固定牢固。沿模板网贴一层土工布，土工布宽度应大于400mm。土工布铺好后，再安装一层模板网，将土工布夹紧，确保模板无缝隙。

2.6 混凝土运输及入仓

本工程搅拌站临近下平洞施工支洞，自密实混凝土通过HBT80拖泵泵送入仓。

自密实混凝土水平流动性强，充填密实度高，固定点连续浇筑，水平扩散半径可达到近30m，且不会发生骨料分离现象。为便于洞内混凝土泵送入仓，避免与钢管安装的交叉作业，下平洞采用在钢管管身开孔浇筑自密实混凝土。

在压力钢管顶部用开孔器每隔20m左右开设置一个孔径200mm的泵管孔洞。压力钢管壁厚25mm，在管节顶部中央位置开孔，孔口修成45°坡脚。在开孔位置处钢管外侧贴焊一块400mm长宽与母材等强的加强钢板，钢板设置M150粗牙螺纹，四面与压力钢管满焊。

混凝土泵管从预留孔部位开始连接，底部设置90度弯头，下部用方木垫起，搭设钢管井字架固定竖立泵管，竖向泵管选用2m长泵管。在竖立管上部接已切斜口管深入预留孔内，在深入孔内前，在斜口处套上边长400mm的方形橡皮，防止混凝土浆入仓后从孔口外溢。

下平隧洞施工分三段施工，先施工支洞下游段，在下游段压力钢管安装完毕并经验收合格之后，再统一进行洞内自密实混凝土衬砌施工，自下游向上游逐仓推进;后施工支洞上游段，在上游段压力钢管安装完毕并经验收合格之后，进行自密实混凝土衬砌施工，自上游向下游逐仓浇筑;最后施工支洞口段，在该段压力钢管凑合安装完毕经验收合格后，进行自密实混凝土衬砌施工，该段长度不长，采用一仓浇筑，且作业条件较好，混凝土泵管直接布置压力钢管外面隧洞顶部浇筑混凝土。混凝土浇筑时，顶部斜口应朝向两侧;注意孔口及底部方木，防止管口脱落。浇筑时压力钢管两侧应均衡下料，过程中应经常变换浇筑方向，即改变顶部管口斜向方向。

混凝土浇筑完成后2周左右，进行回填灌浆，之后即进行泵管孔洞封堵施工。封堵时，先旋上加工的M150螺杆（端头倒角25*45°），用水下焊条打底塞焊，再用J507焊条堆焊，最后作打磨磨光处理，探伤检查质量合格。

2.7 混凝土质量检验及评定

自密实混凝土浇筑完成后，用小锤敲击钢管内壁，通过沉闷声音来判断混凝土充填情况，经大面积检查，未发现压力钢管周边有空腔现象。由于自密实混凝土的高流动性，使其在回填过程中发挥极强的填充能力，大大减少了固结灌浆的使用，同时大大减少浇筑孔数量，简化施工过程，为加快建设进度、缩短工期提供了强有力的保证。与常态混凝土进行浇筑相比，自密实混凝土浇筑的整体优良率达到96%，而常态混凝土优良率仅为10%，填充效果大大优于常态混凝土。

按照规范要求的成型频次，下平洞自密实衬砌混凝土共取抗压试件26组，最低组抗压强度29.6MPa，平均抗压强度33.2MPa，混凝土强度保证率大于99.9%，满足设计及规范要求[2]。

该水电站自2015年底投产发电以来，运行情况良好，未发现有任何质量缺陷问题，证明压力钢管外侧自密实混凝土衬砌施工质量良好。

3  结语

本工程隧洞衬砌混凝土采用自密实混凝土，无需振捣、流动距离长等优点，为水工结构混凝土新材料和新工法，成功地解决了隧洞压力钢管外侧工作面狭小，普通混凝土浇筑振捣困难、流动性小的难题，同时减少了钢管开孔数量，很好地减少压力钢管安装与混凝土衬砌施工的交叉干扰，缩短了施工工期，创造了较大的经济效益。在施工过程中精心组织，严格控制各道施工工序，大大提高了施工功效，最终圆满完成隧洞衬砌施工任务，并取得了良好效果。通過该工程施工及运行效果验证，可为自密实混凝土在类似工程中的应用提供参考借鉴。

近年来，自密实混凝土在我国发展较为迅速，其应用也从房屋建筑行业逐步扩大到水利水电、道路桥梁及隧道等大型工程建设领域。自密实混凝土作为一种新型、绿色、高性能混凝土，适用于多种类型混凝土结构和较为复杂的施工条件，其独具特色的性能优势逐渐被海内外学者所看好，被认为是混凝土将来的必然发展趋势之一。

参考文献：

[1]CCES 02-2004，自密实混凝土设计与施工指南[S].中国土木学会，2005.

[2]JGJ/T283-2012，自密实混凝土应用技术规程[S].住房和城乡建设部，2012.

[3]房小波.自流平自密实混凝土在五岳水库输水洞加固薄壁衬砌中的应用[J].水利规划与设计，2013.

[4]陈春珍.自密实混凝土性能及工程应用研究[D].北京工业大学，2010.

作者简介：程木辉（1970-），男，江西玉山人，本科，高级工程师，中国电建集团江西省水电工程局有限公司生态环境公司副总经理兼总工程师、项目经理。