趙明

(河北省水利工程局,河北石家莊 050021)

古運(yùn)河樞紐明挖暗涵防裂限裂綜合技術(shù)

趙明

(河北省水利工程局,河北石家莊 050021)

古運(yùn)河樞紐明挖段暗涵施工,采用了計(jì)算機(jī)控制地壟取料、秤量、集料、攪拌、皮帶機(jī)輸送、自行式布料機(jī)入倉(cāng)的大型混凝土工程一體化連續(xù)施工系統(tǒng)裝置,使混凝土入倉(cāng)速度達(dá)到65 m3/h以上,提出了一套暗涵防裂、限裂溫差控制標(biāo)準(zhǔn)為溫差△T=50.0℃,兼顧嚴(yán)格控制入倉(cāng)澆筑溫度措施,形成了一套大型多孔薄壁鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)暗涵施工防裂限裂綜合技術(shù)。

防裂 限裂 連續(xù) 快速入倉(cāng) 溫差 △T=50.0℃

1 工程概述

南水北調(diào)中線京石段應(yīng)急供水工程古運(yùn)河樞紐明挖暗涵工程位于石家莊市西郊田莊村西、古運(yùn)河與太平河匯合口下游50m處；起始樁號(hào)為237+087．6～237+442．6，全長(zhǎng)355m；為三孔一聯(lián)鋼筋混凝土箱涵；結(jié)構(gòu)凈空6．6×8．2×3m(寬×高×孔)，暗涵橫剖面寬25m；暗涵底板厚1．7(1．4)m，中隔墻厚1．2m、邊墻厚1．4m，頂拱厚1．3(1．1)m，沿水流方向結(jié)構(gòu)變形縫每20m一條，全段共分18節(jié)。明挖暗涵下穿石家莊北防洪堤和太平河槽，受上部河水滲入及上游地下水滲流補(bǔ)給，對(duì)本工程基坑開挖的邊坡穩(wěn)定影響較大。石家莊地處近似大陸性氣候帶、極端最高氣溫42．7℃，極端最低氣溫-19．8℃，多年平均風(fēng)速1．8m/s，最大風(fēng)速16m/s，多年平均降雨量528mm，雨量年內(nèi)分配不均，年內(nèi)降水量75%集中在汛期，氣候條件對(duì)工程施工防裂十分不利。

2 鋼筋混凝土多孔薄壁結(jié)構(gòu)防裂、限裂綜合技術(shù)在南水北調(diào)中線古運(yùn)河明挖暗涵施工中應(yīng)用

古運(yùn)河明挖暗涵的施工，需要建立全新多孔薄壁結(jié)構(gòu)的防裂限裂理念，即將施工由以溫度控制為中心，轉(zhuǎn)變到以混凝土連續(xù)快速入倉(cāng)為中心兼顧合理分倉(cāng)和注意溫控的防裂施工理念上來(lái)，使其貫徹于施工全過(guò)程。為此，工程施工做以下布置。

2.1 建立可控的混凝土生產(chǎn)、運(yùn)輸、布料并且連續(xù)快速入倉(cāng)施工系統(tǒng)

(1)設(shè)置建造一個(gè)長(zhǎng)×寬×高=40×34×2m的儲(chǔ)料倉(cāng)，該料倉(cāng)一次儲(chǔ)存砂石料2700m3，儲(chǔ)料倉(cāng)下設(shè)兩條長(zhǎng)×寬×高=44×3×3．7m的取料地壟。(2)設(shè)置建造長(zhǎng)×寬×高=10×5×4m的水池，及外加劑溶液池各一個(gè)，它們一次儲(chǔ)備量分別是200m3和6m3。(3)設(shè)置建造一座配置2×1．5m3強(qiáng)制式攪拌機(jī)組，4個(gè)一次合計(jì)儲(chǔ)備量150t的水泥、粉煤灰罐的自動(dòng)化混凝土攪拌站。(4)設(shè)置建造四套各長(zhǎng)100m的皮帶機(jī)為攪拌站運(yùn)送砂石料。(5)設(shè)置建造一條自攪拌站出料口至主皮帶之間的副皮帶，長(zhǎng)度60m；設(shè)置建造一條貫通并與1～18節(jié)明挖暗涵軸線平行的主皮帶，長(zhǎng)度360m，負(fù)責(zé)運(yùn)送由副皮帶機(jī)送來(lái)剛出機(jī)的塑態(tài)混凝土至起重布料機(jī)布料。(6)建造一個(gè)自行式的起重布料機(jī)系統(tǒng)，包括軌道、動(dòng)力機(jī)組、布料機(jī)和控制系統(tǒng)，它能承擔(dān)1～18節(jié)的鋼筋模板等物料吊裝就位，并能將主皮帶機(jī)運(yùn)來(lái)的混凝土分布到每一個(gè)澆筑點(diǎn)。(7)建立一個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，管控混凝土生產(chǎn)、運(yùn)輸、布料、澆筑運(yùn)行全過(guò)程的數(shù)據(jù)輸入輸出和數(shù)據(jù)誤差顯示及運(yùn)行監(jiān)控。(8)組建一個(gè)有一定規(guī)模的能滿足混凝土拌合站和澆筑生產(chǎn)質(zhì)量檢測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室，其工作狀態(tài)與拌合站相同，實(shí)行三班倒連續(xù)作業(yè)。(9)建設(shè)一個(gè)20m3的空壓站及450m管路系統(tǒng)對(duì)混凝土生產(chǎn)澆筑現(xiàn)場(chǎng)供風(fēng)。(10)建立人、機(jī)、信息和科學(xué)實(shí)驗(yàn)有機(jī)聯(lián)動(dòng)的混凝土生產(chǎn)與供應(yīng)系統(tǒng)。在項(xiàng)目部統(tǒng)合主持下對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程切割成三塊，分別由相對(duì)獨(dú)立的三個(gè)專業(yè)分公司負(fù)責(zé)，由實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)質(zhì)量檢驗(yàn)。

當(dāng)上述各部分按計(jì)劃組建竣工后，一座集混凝土原材料秤量、投料攪拌、出料、運(yùn)輸?shù)讲剂先雮}(cāng)，中間沒(méi)有間斷，自動(dòng)化程度較高，經(jīng)濟(jì)實(shí)用的混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)即可投入試運(yùn)行?；炷翉募稀⑼读蠑嚢璧匠隽线\(yùn)輸入倉(cāng)用時(shí)約7～8分鐘，實(shí)測(cè)混凝土入倉(cāng)速度65m3/h以上，使混凝土層面間歇時(shí)間縮短到1．5h以內(nèi)，有效的解決了因?qū)用娓采w不及時(shí)和薄層澆筑帶來(lái)的混凝土初始損傷的難題，對(duì)明挖暗涵防裂起到了關(guān)鍵性的技術(shù)支撐作用。

2.2 古運(yùn)河明挖暗涵混凝土澆筑施工

2.2.1 混凝土澆筑分層

明挖暗涵施工采用跳倉(cāng)流水作業(yè)法施工，每節(jié)暗涵分三次澆筑，第一次澆筑到底板八字以上40cm，第二次澆筑暗涵的側(cè)墻至拱腳以下120cm處，第三次澆筑剩余側(cè)墻和頂拱。

2.2.2 1#-18#管節(jié)暗涵混凝土澆筑方案

(1)底板混凝土澆筑。由于倉(cāng)面面積較大，采用平鋪法不能滿足混凝土間歇時(shí)間的要求，采用臺(tái)階法澆筑。其澆筑方法為：從一端向另一端鋪料，邊前進(jìn)、邊加高，逐步向前推進(jìn)并形成明顯的臺(tái)階，直至把整個(gè)倉(cāng)面澆到收倉(cāng)高程。在澆筑過(guò)程中，臺(tái)階層次分明，鋪料厚度為30～50cm；臺(tái)階寬度大于1．0m，坡度不大于1：2。

臺(tái)階分層厚度：S101段暗涵底板厚度為1．7m，分四層臺(tái)階澆筑，分層厚度為：45cm，45cm，40cm，40cm。河道段暗涵底板厚度為1．4m，分三層臺(tái)階澆筑，分層厚度為50cm，45cm，45cm。

(2)墻體澆筑方式。洞身側(cè)墻及隔墻厚度分別為1．4m(1．3m)、1．2m，采用分層布料澆筑，各側(cè)墻均衡上升，分層厚度為30～50cm。在倉(cāng)內(nèi)設(shè)置溜管，每隔2～3m設(shè)置一組，將倉(cāng)內(nèi)澆筑面分成幾個(gè)區(qū)段，每區(qū)段內(nèi)固定澆搗工人。

(3)拱頂混凝土澆筑。順暗涵軸線方向采用平鋪法澆筑，澆筑過(guò)程中從拱腳對(duì)稱澆筑。分層厚度控制在30cm左右。

3 古運(yùn)河樞紐明挖段暗涵混凝土結(jié)構(gòu)限裂允許溫差研究

配筋是控制混凝土裂縫的重要手段之一。研究表明，配筋雖然不能阻止裂縫的出現(xiàn)，但可以把無(wú)筋混凝土?xí)r的單個(gè)寬裂縫分散成許多條細(xì)微裂縫；鋼筋拉應(yīng)力越小，意味著裂縫寬度越小。因此限制裂縫寬度的最有效方法是限制鋼筋的拉應(yīng)力。

對(duì)于鋼筋混凝土構(gòu)件，最大裂縫寬度設(shè)計(jì)值(kω)可表示為：

式中 β——最大裂縫寬度( ωk)依從于平均裂縫寬度( ωm)的系數(shù)。對(duì)于荷載裂縫， β取1．7(結(jié)構(gòu)截面最小尺寸大于800mm)或1．3(截面最小尺寸小于300mm)，對(duì)于混凝土收縮裂縫可按1．3考慮；Srm——裂縫平均間距。

其中， db——鋼筋直徑(mm)；

k1——考慮鋼筋粘結(jié)特性的系數(shù)，Ⅱ級(jí)鋼筋取0．8，Ⅰ級(jí)鋼筋取1．6。對(duì)于收縮裂縫，通常要將這個(gè)系數(shù)再乘以0．8；但對(duì)于矩形截面只當(dāng)其高度小于0．3m時(shí)乘以0．8，當(dāng)截面高度大于0．8m時(shí)要乘以0．5；

k2——考慮應(yīng)變圖形的系數(shù)，對(duì)于純彎情況取0．5；軸拉情況取1．0；

ρr——鋼筋比，定義為 ρr= As/Acef， Acef是混凝土在將要出現(xiàn)裂縫截面的有效受拉面積， As是布置在這個(gè)面積內(nèi)的鋼筋面積。

εsm——鋼筋的平均拉應(yīng)變，對(duì)于收縮裂縫，由于混凝土在相鄰兩裂縫之間的拉應(yīng)變已經(jīng)很小，可忽略不計(jì)，則鋼筋的平均拉應(yīng)變就相當(dāng)于混凝土自由干縮應(yīng)變( εf)與混凝土溫降應(yīng)變( ΔTαt)之和。

暗涵混凝土早期溫度裂縫大多發(fā)生于5～20天以內(nèi)的溫度劇變階段，而后期溫度裂縫大多出現(xiàn)于冬季的持續(xù)降溫過(guò)程中。研究表明，混凝土的干縮大部分發(fā)生于早期溫降以后，且干縮大多只是影響混凝土表層，故對(duì)于厚度較大的結(jié)構(gòu)來(lái)講可不考慮干縮的影響。針對(duì)上述原因，本研究式3-3中可不計(jì)自由干縮 εf。

對(duì)于本工程，結(jié)構(gòu)拱圈厚1．3m、邊墻厚1．4m和底板厚1．7m；鋼筋直徑拱部?jī)?nèi)側(cè)為28mm、外側(cè)25mm，邊墻內(nèi)側(cè)22mm、外側(cè)25mm，底板內(nèi)外均為28mm，主筋間距均為125mm，計(jì)算中鋼筋直徑配筋面積均取小者；混凝土熱膨脹系數(shù)為8×10-6/℃，考慮徐變效應(yīng)，計(jì)算中取0．8倍數(shù)值；根據(jù)模型假定條件，結(jié)構(gòu)在收縮變形中可近似假定為軸向受拉狀態(tài)，故 k2=1．0， k1=0．8×0．5。根據(jù)現(xiàn)行水工混凝土施工規(guī)范，在長(zhǎng)期多種內(nèi)外荷載組合作用之下，混凝土裂縫最大允許寬度為0．25mm。則，

拱部：

代入式3-3和式3-1，得=72．77℃。

側(cè)墻：

代入式3-3和式3-1，得 ΔT=56．61℃。

底板：

代入式3-3和式3-1，得 ΔT=62．3℃。

對(duì)上述計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)綜合研究，考慮古運(yùn)河明挖暗涵施工期經(jīng)過(guò)兩個(gè)冬季易受氣溫驟降的襲擊影響，結(jié)構(gòu)最大允許溫降按50．0℃控制。

4 防裂限裂綜合技術(shù)成果

南水北調(diào)中線古運(yùn)河樞紐明挖段暗涵超靜定大型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的防裂限裂綜合技術(shù)，形成以下主要技術(shù)成果：(1)古運(yùn)河樞紐明挖段暗涵施工，采用了計(jì)算機(jī)控制地壟取料、秤量、集料、攪拌、皮帶機(jī)輸送、自行式布料機(jī)的大型混凝土工程一體化連續(xù)施工系統(tǒng)裝置，兼顧嚴(yán)格控制入倉(cāng)澆筑溫度措施，入倉(cāng)速度達(dá)65m3/h以上，混凝土澆筑溫度小于26℃，從而有效縮短混凝土層面間歇時(shí)間，避免了混凝土澆筑期初始損傷及其蔓延發(fā)展。工程完工至今已經(jīng)7年，未發(fā)現(xiàn)裂縫，工程防裂效果明顯。從而形成了一套大型多孔薄壁鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)暗涵施工防裂限裂綜合技術(shù)。(2)首次提出了一套暗涵防裂、限裂溫差控制標(biāo)準(zhǔn)為溫差△T=50．0℃，根據(jù)此溫降標(biāo)準(zhǔn)對(duì)判別或者掌握此類工程的裂縫防控能力提供技術(shù)支持。

[1]勞道邦,程雅斌.古運(yùn)河樞紐明挖段暗涵的防裂限裂溫度控制研究.南水北調(diào)與水利科技,2009(2).

[2]水利部.《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》SL/T191-96.

[3]水利電力部.《水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)》SDJ20-78.

[4]水利電力部.《水工混凝土施工規(guī)范》SDJ207-82.

[5]水利電力部.《水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范》SL211-98.

[6]水利部河北水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.《南水北調(diào)中線京石段應(yīng)急供水工程(石家莊至北拒馬河段)古運(yùn)河樞紐初步設(shè)計(jì)報(bào)告》,200309.

趙明(1978—),男,水利水電工程本科,高級(jí)工程師,技術(shù)成果主要完成者。