全圆式针梁衬砌台车底拱混凝土气泡产生的原因及措施

黄小红

全圆式针梁衬砌台车衬砌圆形隧洞时，洞衬腰线以下两侧及底拱混凝土表面均出现不同程度及较大面积气泡水纹等质量问题，通过对全圆针梁台车结构优化、全圆针梁台车底拱增设窗口、优化混凝土配合比等来解决衬砌带来的质量问题。

一、工程概况

吉林敦化抽水蓄能电站位于敦化市北部，电站枢纽建筑物由上水库、下水库、输水系统、地下厂房、开关站等部分组成。引水系统由引水隧洞、调压井和高压管道等结构组成，共设计引水隧洞2条，开挖断面均为圆形。依据设计图纸《引水隧洞体型图》(BJ185S-H4-4-3-1～2)及《引水隧洞钢筋图》(BJ185S-H4-4-4-1～2)图示，采用钢筋混凝土衬砌，典型分仓为12m一个标准单元，洞室衬砌后直径6.2m，厚度0.6m，衬砌总长度1562.03m。

二、存在的问题

全圆模板浇筑，底拱部位气泡成为混凝土浇筑质量通病，难以彻底消除，影响混凝土质量外观评定，是针梁台车浇筑的质量控制难题，长期困扰，难以解决。

三、产生的原因及措施

1.全圆模板底拱气泡产生的原因剖析及措施

气泡产生原因剖析：由于整体台车泵送混凝土坍落度大，同时整体式台车模板衬砌振捣困难，给泵送混凝土施工的外观质量造成一定的影响，这些质量缺陷表现是：洞衬腰线以下两侧及底拱混凝土表面均出现不同程度的、较大面积气泡和水纹、粉面等缺陷，且很难消除。气泡产生的原因表面上看两方面：①在圆形洞室底拱浇筑过程中，随着混凝土的上升并接近底部模板,由振捣产生的气泡及混凝土表面的空气，因浮力作用和表面张力作用很容易被封闭在混凝土面与模板之间，浇筑完成后在混凝土表面形成气泡。全圆式针梁台车衬砌，底拱呈现倒模状态，尤其是圆心角90°范围内，出现频率较多，面积较大。②由于混凝土拌和物的和易性不理想，泌水率大，在浇筑振捣过程中，泌水附着在模板表面形成气泡、水纹等。

全圆针梁台车在施工过程中，主要原因是台车的刚度和抗浮抗振能力，因为如果台车的刚度不好或者台车的固有频率与插入式振动器的振动频率相同（形成共振）或者抗浮机构设计有问题、有缺陷，台车的振动幅度就大，模板面与混凝土面就有一个接触→脱离→接触→再脱离的循环过程，刚浇筑的混凝土流动性较好，模板面与混凝土面接触时中间不会或很少有气体，脱离时，气体就会进入模板面与混凝土面中间，同时混凝土的流动和回填间隙通常是微观不均匀的，当模板面与混凝土面再次接触时，就会将一部分气体憋在间隙中不能排出，随着混凝土的凝结，其流动性越来越低，模板面与混凝土面在不断的接触与脱离的循环过程中，就不断的有气体夹在模板面与混凝土面间形成气泡和麻面等施工缺陷。

2.混凝土气泡消除措施

（1）台车结构优化。针梁台车按照针梁与模板相对位置不同分为中置式和上置式，相对应模板开口部位为顶拱和底拱，中置式台车重心较低，适合多种纵坡坡度的行走，是传统的结构形式。随着技术革新，在坡比小于10%的纵坡条件下，施工单位更多采用上置式台车，上置式台车模板支撑结构的底部空间较大，人员穿行方便，经过改造最大的优势为混凝土浇筑至顶部，底拱混凝土已初凝，底弧模板可以打开进行人工二次抹面压光，从此消除大部分混凝土表面气泡、水纹、错台等外观缺陷。底拱模板打开时间须根据混凝土入仓速度、初凝时间、环境温度等试验确定，太早容易发生混凝土塌落事故，太晚则混凝土已上强度，实施二次压光难度较大。同时上置式台车对针梁结构抗扭力学性能要求高于中置式，在稳定性理论计算、大梁型钢材质和结构件连接需要严加控制。相邻标段尾水隧洞衬砌采用了上置式台车，实现了底拱开启抹面压光，处理后混凝土面层平整、光洁。

（2）底拱增设窗口。台车模体一般由1.5m～2.0m单元模块组成，设计每块侧模板开设一对窗口，上下、左右错开，梅花形布置，主要用于混凝土低位入仓和振捣观察。为促进底拱空气和泌水排出，在底拱模块增设一组窗口，每块一个，交错布置，混凝土浇筑时通过底拱窗口插入振捣棒进行强振，尽可能提浆，致使气泡快速逸出。我部台车为中置式，增设窗口后，混凝土外观气泡有很大改观，窗口范围周边较为理想，但窗口间远振捣棒范围仍然存在密集气泡区。

表1 C25F100W6配合比调整前后对比

（3）优化振捣模式。混凝土浇筑期间，一般采用振捣棒进行强振，然后通过附着式振动器进行辅助振捣，其中目的之一是促使混凝土与模板之间的气泡和泌水上升，浮出混凝土面，形成光滑的混凝土面。附着式振捣器在针梁台车设计制作时已经配备，分布于模板背侧，梅花形布置，功率一般为2.0～3.5kW，各自独立和串联，分区分部位振动，在洞室衬砌腰线以上部位，效果明显。经分析和试验，腰线以下部位辅助振捣更为关键，常规振动器一般为点动式，即开即动，关机即停，研究考虑采用变频装置，改进振动模式，通过变频控制，对振动频率和振幅进行调控，由低频率小振幅汇集混凝土孔隙间的小气泡和泌水，逐步形成较大气泡，然后变频变幅，将气泡挤出混凝土与模板间隙，如此往复。我部在原有附着式振动器上加置了电动变频器，与增加底拱窗口措施共同收到很好效果。

（4）优化抗浮装置。由于是一次性浇筑，当浇筑速度过快时，钢模将受到混凝土产生的浮力，为防止浇筑时台车上浮，提高混凝土浇筑和振捣时的支撑刚度，在台车上安装设有抗浮机构，抗浮装置为钢模两端的四个抗浮千斤顶，制约上浮力的作用，在前后抗浮架上安装四个侧向千斤顶，使针梁和钢模不产生侧向位移。抗浮机构主要安装在顶模和侧模腰线以上的模板大背楞前后端、前后外框架外端，主要用于承受浇筑混凝土时产生的上浮力和混凝土振捣时的激振力，确保模板与混凝土的紧密接触，避免气泡和麻面等质量缺陷。前抗浮机构支在待衬拱顶和腰线以上岩石上，后抗浮机构及接茬模板支在已衬拱顶上。

台车浇筑有效长度12m，钢结构大梁在自重和模板作用下产生向下挠度，在合同内入仓泵送管推动和振动器共振下，台车中部仍然产生较大幅度的抬动，为此，我部在顶部入料口临近的观察窗口设置了三组临时支撑，采用钢管和配套顶托，将模板中部分三个部位依次加固，当混凝土浇筑至腰线部位以上，用扳手松开丝扣，取出支撑，这样减少了模板和混凝土面来回分离和结合间隙，抑制了气泡产生。

（5）优化混凝土配合比。引水隧洞采用C25F100W6混凝土衬砌，设计塌落度160±20mm，二级配。浇筑过程中发现，为便于施工，混凝土塌落度一般按照上限控制，拌合物流动性较好后，保水性出现负面效应，入仓后泌水较多，振捣完后表面水浆富集，水胶比偏大，外加剂计量秤分度值偏大，对于引气剂较小掺量控制误差偏大。项目部邀请第三方试验室对原配合比进行复核，结论为原配合比设计时，出于成本考虑，能够保证混凝土基本指标，但工作性能较差，对于现场骨料级配情况，调整难度较大，实施过程也不易掌握。随之在原配比基础上予以优化，见表1。

粉煤灰颗粒呈多孔型蜂窝状组织，比表面积较大，具有较高的吸附活性，颗粒的粒径范围为0.5～300μm。并且珠壁具有多孔结构，孔隙率高达50%～80%，有很强的吸水性。保证混凝土强度条件下，在规范允许范围内调整胶凝材料的比例，是可行的。由于外加剂掺量较少，更换分度值较小的计量设备，精准控制每盘拌合物投料，保证了配料的稳定性。在配合比调整后，我部根据仓面浇筑不同部位，进行塌落度微调，洞室底拱90～120°范围，塌落度按照下限控制，结合台车系列优化改造，加强振捣效率，大大减少了气泡产生部位和面积，为后期外观评定与处理带来优势。

四、取得的主要研究成果

在减少圆形洞室衬砌底拱产生气泡、水纹等质量通病方面，采用对比不同结构台车、底拱增设窗口、优化振捣模式、补充抗浮装置，优化混凝土配合比等系列措施，提高了混凝土外观质量，减少了后期处理费用和时间。

五、结语

隧洞洞衬技术，相对较为成熟，细节管控才能从安全、质量和进度管控上进一步完善。通过本项目研究，在混凝土质量通病预防管控方面取得良好效果，文中所述的方案和措施是可行的，具备推广和借鉴意义。