坪山河地埋式調(diào)蓄池、水質(zhì)凈化站“跳倉法”施工技術(shù)

盧 斌,馬永志,陳 松,姚大游

(1.中建水務(wù)環(huán)保有限公司，北京 100071；2.中建三局南方公司基礎(chǔ)設(shè)施部，廣東 深圳 518000)

《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》(GB 50108—2001)要求后澆帶應(yīng)在兩側(cè)混凝土齡期達(dá)到42 d方可施工。由于后澆帶貫穿整構(gòu)筑物，給施工帶來很大的不便，對(duì)工期也造成很大延后，考慮后澆帶施工和拆模，將會(huì)導(dǎo)致工期延后2個(gè)月左右?；诖罅抗こ虒?shí)踐，王鐵夢提出利用混凝土結(jié)構(gòu)特性提出“抗與放”的設(shè)計(jì)理念，對(duì)集中式及連續(xù)式約束條件下混凝土溫度收縮應(yīng)力的計(jì)算方法，并對(duì)大體積混凝土結(jié)構(gòu)縫間距、寬度提出實(shí)用解析算法[1-3]。根據(jù)“抗與放”的設(shè)計(jì)理念，通過合理分塊跳倉施工，使得大體積超長混凝土結(jié)構(gòu)無縫(不設(shè)伸縮縫、不設(shè)沉降縫、不設(shè)后澆帶)施工成為可能。近年來在工民建行業(yè)超長大體積筏板基礎(chǔ)無縫施工技術(shù)應(yīng)用廣泛，根據(jù)統(tǒng)計(jì)[2]在2001—2017年在工民建領(lǐng)域有119個(gè)主要工程應(yīng)用實(shí)例。2015年北京市已發(fā)布相應(yīng)地方標(biāo)準(zhǔn)《超長大體積混凝土結(jié)構(gòu)跳倉法技術(shù)規(guī)程》(DB11/T 1200—2015)，用于指導(dǎo)北京地區(qū)工民建建筑地下室超長大體積混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用跳倉法的設(shè)計(jì)和施工。

目前國內(nèi)水利和市政行業(yè)構(gòu)筑物對(duì)于避免大體積混凝土裂縫一般采用留永久變形縫，或者布置冷卻水管降低混凝土水化熱，或者使用微膨脹混凝土。這些方法造價(jià)高，工期長，可靠性也不高。水利和市政行業(yè)對(duì)于“跳倉法”無縫施工技術(shù)應(yīng)用相對(duì)較少，也缺乏相應(yīng)行業(yè)規(guī)范指引。基于“跳倉法”能夠縮短工程工期，降低工程成本，提高了構(gòu)筑物整體性和防水性，深圳市坪山河干流綜合整治及水質(zhì)提升工程地埋式構(gòu)筑物大量應(yīng)用跳倉法技術(shù)。本文對(duì)施工中技術(shù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，為本行業(yè)相關(guān)工程設(shè)計(jì)和施工應(yīng)用提供一定參考。

1 工程概況

深圳市坪山河干流綜合整治及水質(zhì)提升工程共設(shè)計(jì)7座調(diào)蓄池和2座凈化站，調(diào)蓄容積(1.5～8.0)萬m3，水質(zhì)凈化站處理規(guī)模均為2萬m3/d，構(gòu)筑物底板厚度最厚1.0 m。由于深圳市土地資源稀缺，調(diào)蓄池和水質(zhì)凈化站均為地埋式構(gòu)筑物。根據(jù)設(shè)計(jì)方案，所有調(diào)蓄池及凈化站均設(shè)置后澆帶，以降低結(jié)構(gòu)開裂風(fēng)險(xiǎn)。國內(nèi)外現(xiàn)有大量民用和工業(yè)構(gòu)筑物均取消后澆帶[4-8]，采用跳倉法施工，相關(guān)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)在工民建結(jié)構(gòu)應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)成熟。由于年度治水提質(zhì)考核要求，工程工期緊迫，為縮短工期和降低建設(shè)成本，同時(shí)保障地下構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)防水性能，坪山河干流綜合整治及水質(zhì)提升工程除墩子河、石井、上洋調(diào)蓄池(非關(guān)鍵線路或體量較小)外，其余4座調(diào)蓄池和2座凈化站均采用跳倉法施工。

坪山河干流綜合整治及水質(zhì)提升工程所有調(diào)蓄池及凈化站均位于地下，其結(jié)構(gòu)均需考慮抗浮設(shè)計(jì)，其相關(guān)平面尺寸、底板厚度、基礎(chǔ)持力層和抗浮設(shè)計(jì)方案詳見表1。

表1 調(diào)蓄池及水質(zhì)凈化站結(jié)構(gòu)信息

2 跳倉法原理

大體積混凝土裂縫機(jī)理十分復(fù)雜，其產(chǎn)生原因主要有6種：結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)約束條件、配筋、混凝土強(qiáng)度等級(jí)、混凝土材料配合比、水灰比控制以及混凝土養(yǎng)護(hù)條件。結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)約束條件體現(xiàn)在長墻板結(jié)構(gòu)在澆筑后混凝土收縮受地基約束條件下導(dǎo)致的變形效應(yīng)，變形引起豎向裂縫正應(yīng)力和斜向裂縫剪應(yīng)力。通過解析方法對(duì)于長墻板受地基約束條件下變形效應(yīng)進(jìn)行理論推導(dǎo)，得到其法向應(yīng)力見式(1)。

ΔTiEi(t)Hi(t，τi)≤ft

(1)

式中μ為泊松比；ΔTi為溫升峰值至周圍環(huán)境氣溫溫差后第i段溫差；Ei(t)為第i段降溫時(shí)段對(duì)應(yīng)混凝土彈性模量；Hi(t，τi)為由時(shí)間t至τi應(yīng)力松弛系數(shù)；ft為混凝土允許抗拉強(qiáng)度。

由推導(dǎo)公式(1)可知混凝土結(jié)構(gòu)溫度收縮應(yīng)力和長度呈非線性關(guān)系，長度是產(chǎn)生裂縫重要因素之一。在較短范圍內(nèi)，長度增加使得溫度應(yīng)力顯著增加，當(dāng)構(gòu)筑物長度繼續(xù)增加，溫度應(yīng)力增加緩慢直至保持為穩(wěn)定常數(shù)。因此，可得到連續(xù)式約束條件下“抗與放”設(shè)計(jì)原則，即跳倉法無縫施工理論基礎(chǔ)。根據(jù)工程實(shí)踐，施工階段混凝土結(jié)構(gòu)變形效應(yīng)明顯，在使用階段承受較小的變形效應(yīng)。因此對(duì)于地基約束引起的應(yīng)力或變形，用“放”的方式減少約束，使得結(jié)構(gòu)變形或位移提前釋放。待混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度增加后，便可利用其抗拉強(qiáng)度和極限拉伸增大發(fā)揮其“抗”的特性。

生1：小兔子喜歡吃胡蘿卜和青菜。它會(huì)蹦到胡蘿卜前，聞一聞，再捧起胡蘿卜美滋滋地品嘗。吃東西的時(shí)候，它的胡須還在抖動(dòng)呢。

因此在大體積混凝土結(jié)構(gòu)施工中，將大體量的混凝土結(jié)構(gòu)劃分成若干小塊體間隔施工，將早期混凝土收縮應(yīng)力短期釋放，在后期收縮應(yīng)力較小階段再將若干小塊體連成整體，依靠混凝土抗拉強(qiáng)度抵抗下一階段混凝土溫度收縮應(yīng)力。最小跳倉塊長度[L]min按照相關(guān)文獻(xiàn)[1]推導(dǎo)，其公式為：

(2)

式中 [L]min為最小跳倉塊長度；E為混凝土彈性模量；H為底板厚度或者板墻高度；Cx為地基水平阻力系數(shù)；α為混凝土線膨脹系數(shù)；T為互相約束結(jié)構(gòu)的綜合降溫差，包括水化熱溫差T1、大氣溫差T2、收縮當(dāng)量溫差T3；εp為鋼筋混凝土的極限拉伸應(yīng)變(考慮配筋及徐變影響)。

各種地基及基礎(chǔ)約束條件下無樁基地基水平阻力系數(shù)可參照表2[1-3]。

表2 各種地基及基礎(chǔ)約束下的水平阻力系數(shù)

注：1.本表中CX下限值(較小值)用于基礎(chǔ)埋深等于或小于5 m，上限值(較大者)用于基礎(chǔ)埋深大于5 m。2.在鋼筋混凝土梁上標(biāo)注樓板時(shí)，CX取(60～100)×10-2；在巖石、大塊混凝土、鋼筋混凝土上新澆筑混凝土?xí)r，CX取(100～150)×10-2。

樁基對(duì)于結(jié)構(gòu)地基附加約束作用，地基水平阻力系數(shù)按照下式計(jì)算[1]：

(3)

(4)

(5)

F1=F-F2

(6)

3 坪山河地埋式調(diào)蓄池、凈化站跳倉法實(shí)施情況

3.1 調(diào)蓄池、凈化站倉格分塊

根據(jù)坪山河調(diào)蓄池、凈化站場地基礎(chǔ)土層情況，結(jié)構(gòu)樁基形式不同，分別代入相應(yīng)參數(shù)得到調(diào)蓄池、凈化站水平阻力系數(shù)和最小跳倉塊長度見表3、表4。

根據(jù)計(jì)算，碧嶺調(diào)蓄池、錦龍調(diào)蓄池、湯坑調(diào)蓄池、南布調(diào)蓄池、南布凈化站其最小跳倉塊長度范圍在47.99～59.25 m；碧嶺凈化站埋深較深，持力層位于微風(fēng)化大理巖，地基水平阻力系數(shù)對(duì)于分塊影響作用明顯，其最小跳倉塊長度僅7.21 m。為避免碧嶺凈化站跳倉分塊過多，在碧嶺凈化站底板設(shè)計(jì)高程下部鋪設(shè)一層0.1 m中粗砂墊層，形成柔性滑動(dòng)層，降低巖石基礎(chǔ)對(duì)于底板混凝土的約束。通過設(shè)置柔性墊層，重新計(jì)算得出碧嶺凈化站最小跳倉塊長度[L]min=32.17 m。

表3 調(diào)蓄池、凈化站地基水平阻力系數(shù) N/mm3

表4 調(diào)蓄池、凈化站最小跳倉塊長度 m

由前述得出的理論最小跳倉塊長度對(duì)凈化站和調(diào)蓄池構(gòu)筑物進(jìn)行倉塊劃分，倉塊長邊大小不得大于最小跳倉塊長度允許尺寸，同時(shí)考慮調(diào)蓄池軸網(wǎng)布置、周邊場地交通條件、混凝土供應(yīng)能力、現(xiàn)場勞動(dòng)力情況，對(duì)調(diào)蓄池進(jìn)行倉格合理劃分。坪山河調(diào)蓄池及凈化站倉格數(shù)3～9個(gè)不等，倉塊劃分尺寸見表5及圖1～6所示。

表5 調(diào)蓄池、凈化站跳倉倉格劃分尺寸 m

圖1 碧嶺調(diào)蓄池倉塊劃分示意

圖2 碧嶺水質(zhì)凈化站倉塊劃分示意

圖3 錦龍調(diào)蓄池倉塊劃分示意

圖4 湯坑調(diào)蓄池倉塊劃分示意

圖5 南布調(diào)蓄池倉塊劃分示意

圖6 南布凈化站倉塊劃分示意

3.2 調(diào)蓄池、凈化站分塊澆筑時(shí)序

對(duì)劃分好倉塊，采用“隔一跳一”原則確定混凝土澆筑時(shí)序。以碧嶺凈化站和錦龍調(diào)蓄池為例，碧嶺凈化站施工時(shí)序?yàn)椋合刃惺┕-J-1、3、5三個(gè)分塊，7 d后再行施工工B-J-2、4、6分塊(見圖2)；錦龍調(diào)蓄池先行施工J-T-1、3分塊，7 d后再行施工J-T-2分塊(見圖3)。倉與倉之間施工縫采用“快易收口網(wǎng)”作模板。每個(gè)分倉混凝土一次性澆筑完成，相鄰分倉混凝土澆筑時(shí)間控制不小于7 d。

3.3 混凝土配合比調(diào)整

設(shè)計(jì)圖紙調(diào)蓄池混凝土材料要求：主體結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土強(qiáng)度為C35，抗?jié)B等級(jí)P8，水灰比不大于0.5，水泥強(qiáng)度等級(jí)不低于42.5 MPa。超長混凝土結(jié)構(gòu)裂縫與混凝土水化熱產(chǎn)生的內(nèi)外溫差密切相關(guān)，在混凝土中摻入適量粉煤灰，減少水泥用量，降低水化熱。因此在滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求和施工工藝前提下，應(yīng)通過調(diào)整水泥用量、材料配比、摻入外加劑等方法綜合優(yōu)化混凝土配合比。

坪山河項(xiàng)目調(diào)蓄池及凈化站混凝土配比通過混摻粉煤灰，降低水化熱造成的溫升；添加聚羧酸高性能減水劑，大幅度提高混凝土早期和后期強(qiáng)度；同時(shí)添加膨脹抗裂劑，補(bǔ)償混凝土收縮。另外，所使用商品混凝土均采用泵送，摻入高效聚羧酸泵送劑，塌落度控制在(160±20)mm。調(diào)蓄池結(jié)構(gòu)混凝土粗骨料采用碎石(最大粒徑25 mm)，細(xì)骨料采用中砂(細(xì)度模數(shù)2.8)。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，調(diào)蓄池和凈化站構(gòu)筑物C35P6混凝土配合比見表6。

表6 坪山河調(diào)蓄池結(jié)構(gòu)混凝土配合比 kg/m3

3.4 混凝土入倉溫度和澆筑養(yǎng)護(hù)

調(diào)蓄池、凈化站施工期在春季，日平均氣溫約為22℃。通過預(yù)冷骨料和冷水拌和，控制混凝土入倉溫度不超過25℃。除碧嶺調(diào)蓄池底板最薄為600 mm未采用分層外，其余調(diào)蓄池、凈化站底板均分2層連續(xù)澆筑。施工期間要求層間覆蓋間隔時(shí)間不大于混凝土初凝時(shí)間，同時(shí)需二次振搗，確?；炷撩軐?shí)?；炷脸跄两K凝立即覆蓋無紡布并灑水進(jìn)行保濕保溫養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)期14 d。墻面采用花管淋水養(yǎng)護(hù)5 d以上，拆模后花管持續(xù)噴水保濕。

圖7 碧嶺調(diào)蓄池、水質(zhì)凈化站結(jié)構(gòu)施工期養(yǎng)護(hù)照片

4 跳倉法實(shí)施效果

坪山河綜合整治及水質(zhì)提升工程6個(gè)地埋式調(diào)蓄池和凈化站結(jié)構(gòu)應(yīng)用跳倉法施工加快了施工速度，平均每個(gè)調(diào)蓄池縮短工期約2個(gè)月。通過檢查發(fā)現(xiàn)，施工質(zhì)量良好，現(xiàn)場驗(yàn)收近距離觀測未發(fā)現(xiàn)任何一個(gè)調(diào)蓄池和凈化站構(gòu)筑物出現(xiàn)滲水裂縫，達(dá)到無縫施工目標(biāo)。

圖8 錦龍、碧嶺調(diào)蓄池結(jié)構(gòu)完工照片

5 結(jié)語

1) 地埋式構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)持力層越好，其地基阻力系數(shù)越大，地基對(duì)構(gòu)筑物底板產(chǎn)生阻力，增加結(jié)構(gòu)水平應(yīng)力。因此，地質(zhì)條件較好的巖層基礎(chǔ)跳倉分塊間距較小，可通過設(shè)置柔性墊層(碎石層、瀝青涂層或中粗砂層)減小地基對(duì)于構(gòu)筑物跳倉分塊影響。

2) 抗拔樁作為調(diào)蓄池結(jié)構(gòu)底板基礎(chǔ)一部分，限制底板位移變形，根據(jù)計(jì)算表明影響較小，相對(duì)無樁基礎(chǔ)阻力提高約10%左右，對(duì)于倉格劃分有一定影響。

3) 跳倉法應(yīng)用實(shí)踐中混凝土配合比設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵，通過合理摻入粉煤灰、減水劑、膨脹劑等，可降低水泥用量，降低水化熱導(dǎo)致的溫度上升，提高混凝土早期強(qiáng)度和抗裂性。

4) 坪山河綜合整治及水質(zhì)提升工程調(diào)蓄池及凈化站構(gòu)筑物均為地埋式，施工期間濕度和溫度變化較大，施工階段溫度應(yīng)力較大，通過跳倉法施工，有規(guī)律的讓部分倉塊“先放后抗”，完成整體澆筑后又以“以抗為主”。通過6處大體量的地埋式構(gòu)筑物實(shí)踐，跳倉法應(yīng)用是成功和可靠的，可作為類似工程參考。工程已于2020年1月投入運(yùn)行，尚未出現(xiàn)質(zhì)量問題，后續(xù)還需跟蹤構(gòu)筑物運(yùn)行期質(zhì)量情況，為跳倉法在水利工程中應(yīng)用提供更有力的依據(jù)。