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喷射混凝土衬砌
加拿大不列颠哥伦比亚省的曼恩港输水隧道的竖井施工中,使用了干拌喷射混凝土进行衬砌作业。这样的施工是如何进行的,其中又有着哪些挑战呢?一起来了解一下吧!
工程简介
加拿大不列颠哥伦比亚省的大温哥华区水务局在曼恩港大桥(Port Mann Bridge)下游的弗雷泽河(Fraser River)底建造了连接Surrey与Coquitlam的曼恩港供水隧道。隧道总长1km,使用直径3.5m的TBM掘进并使用混凝土管片进行衬砌,隧道外径3.3m,内径2.8m。
隧道路线图
隧道中建造了一根供水总管,为河流以南的城市持续供给清洁、安全的饮用水。这条钢制供水总管南北两侧分别由深50m与60m的竖井连接,其中,北侧的竖井使用锁口管连接的地下连续墙建造,建成一个直径8.16m,深60m的圆形竖井。
掘进完成的TBM隧道
喷射混凝土衬砌
根据设计方案,工作井连续墙内需要浇筑厚1.5m的现浇混凝土衬砌。同时,根据抗震设计,需要在连续墙与衬砌之间添加分隔层,使衬砌层在遭遇地震时,可以相对于连续墙存在一定的自由移动。
因此,施工方使用了喷射混凝土在连续墙内建造了内径8m的衬砌,并在两层之间添加了分隔层。而在喷射混凝土作业中使用了干拌喷射混凝土。
喷浆作业
整个工作井内壁衬砌作业分三步:首先在连续墙上喷出平滑的喷射混凝土层,随后在其表面铺贴塑料垫层,作为地震时的分隔层,随后再在塑料垫层上进行现浇混凝土衬砌作业。
工作井内均匀环布12根钢柱,每根柱顶部焊接钢制中空段,使用螺栓将自水平激光对中仪固定在中空段内;井内每1.5m设置水平基准导轨,基准导轨使用直径13mm的圆棒制成,弯曲至一定曲率,以匹配工作井的最终直径。基准导轨通过井壁周围的钻孔灌注钢销固定,在安装时使用铝制模板上的3个激光器定位至钻孔销钉。 一旦位置确定,导轨就会焊接到销钉上,并将模板移动到下一个导轨的位置。
塑料垫层铺贴完毕的工作井
浮动工作平台
在深60m的工作井内的施工使用了一个浮动工作平台:首先,使用起重机升降平台安装基准导轨。完成后,将空心塑料浮筒连接到平台底部,使其成为浮动平台,并在该平台上进行喷射混凝土作业。
工作井内的基准导轨安装完成后,井内便开始充水,工作平台也变为浮动平台。从工作井的底部开始,喷射混凝土衬砌按照如下步骤施工:
■ 从一条导轨开始,从下往上进行高度1.5m的基层喷射混凝土作业,直到另一条导轨。喷射时余留25mm厚度,在之后进行表层喷涂。
■ 井内灌水,直到浮动平台上升至上一层高度;重复喷涂与上浮平台步骤。
■ 完成所有的基层喷射作业,直到工作井顶部——共计约36层。在井内上到下进行表层喷涂作业。
■ 喷涂表层混凝土,井内降水直至平台下落至下一层。重复该步骤完成表层喷涂。
工作井顶部
悬挂/浮动平台是一项创新的施工设备,可以同时兼顾基准导轨之间的安装、上下往复移动与喷射混凝土作业,撑起人员与设备,而无需吊带与救生索,喷射混凝土作业期间也不会有支护线缆的遮挡。与整个竖井搭建脚手架等方案相比,这一方案不仅价格低廉,而且减少了施工步骤,提高了喷射混凝土作业的施工效率。
吊运中的工作平台
喷射混合浆料设计
工作井的地下水位受到潮汐与河流的水位控制,并且经常至接近地表高度,因此连续墙受持续水压并且井内存在一定的渗水。因此,施工方选用了具有适当剂量的速凝剂的干拌喷射混凝土以缓解井内的渗水情况。 工程中使用了以下6种混凝土浆料配比:
■ B1用于基层喷射混凝土衬砌;
■ 在有水从连续墙内渗出时,使用B2以更快地进行固化成型。
■ 一开始对于较为干燥的区域,B3用于喷涂表层。
■ 到了10月与11月气温较低时,表层混凝土成型较慢,因此按需使用B4,B5或B6,缩短成型时间,加快表层喷涂过程。
为了确保喷射混凝土混合料的质量,除了验证喷嘴的质量外,还在同样曲率和厚度的测试面板上进行了试喷涂。质量控制测试主要包括抗压强度测试,从测试面板取芯进行。
干拌喷射混凝土
干拌喷射混凝土工法使用方便,允许设备频繁移动,并能较为良好地控制粉尘,与湿喷混凝土工艺相比,预先润湿的干拌喷射混凝土可以很好地控制回弹和过喷。作业时需要使用带料斗的预加湿器,将干燥的预袋装材料加湿并装入旋转式喷枪,使用输送软管,并使用连接到供水软管的喷嘴。 干湿调节器的使用对该工法来说必不可少, 它将干拌材料预先加湿到约4-6%的湿度条件,减少灰尘,促进软管中材料的输送,并降低静电冲击的风险。
施工人员在平台上进行喷浆作业
干拌机和预润湿器安装在地面,使用长35-60m的软管将物料输送到浮动甲板上的喷头处。喷射混凝土的基层厚达180毫米,由ACI 506级2号喷射混凝土制成,含3%速凝剂,用来填充浆墙体和导轨之间的间隙并形成光滑的表面。喷射混凝土的表层则约需25毫米厚度。
在实际情况下,混凝土的回弹或浪费远低于预期,约占总量的10-20%。 干拌喷射混凝土预装袋材料在提供不同厚度的最终衬垫结构方面效果良好。 严格的质量控制检测和测试证实,喷射混凝土形成的衬砌质量优秀。
施工挑战
寒冷天气
施工在11月至12月期间进行,现场气温降至5摄氏度甚至更低,延缓了喷射混凝土的成型速度,影响衬砌表层施工。施工方在井内安装了数个加热器,连续墙的基底层使用90至100摄氏度的高压热水与蒸汽进行冲刷,喷射混凝土的温度维持在12摄氏度或更高,为水泥成型提供适宜的环境。同时,井内在夜间加盖并整夜加热,干燥的喷射料包使用防水油布与加热器保持在20摄氏度以上。
表层喷涂
喷射混凝土的基层直接使用喷嘴施工,而表层则需要在喷涂完毕后抹平成为光滑的表面。表层喷涂共使用了3种不同的配比:在无水的区域,使用B3,并未使用速凝剂。在有轻中度渗水的区域,使用1.5%速凝剂的B4配比。在渗水较大的地区,使用B6和3%速凝剂。在最后作业的区域中,通常需要安装滴水管,以便在施工和安装过程中让水流出。施工完成后,滴水管移除并且使用注浆填满孔洞。
连续墙渗水
工作井位于弗雷泽河边,地下水位较高。在连续墙的重叠墙面板之间的冷接缝内的渗水是相当常见的情况。来自渗水处的高静水压力使其几乎难以避免。施工方在井壁后注入硅酸钠浆液,有助于减少连续墙的渗水。同时,工作井内基层的基材使用空气喷枪干燥,并喷射压缩空气使喷涂混合物喷嘴干燥,以在喷浆作业完成过程之前使表面达到饱和表面干燥(SSD)状态。该措施在大部分情况下有效,然而在某些情况下,工作井基底的水压会使衬砌的表层形成凸起。这些区域会进行切割,并使用快速凝结喷射混凝土与滴水管进行修复。
曼恩港隧道工程于2011年1月开工,并于2017年2月完工。北侧工作井的喷射混凝土衬砌作业始于2013年8月,耗费一个月时间进行导轨安装后,于2013年9月开始进行喷浆作业,并在2014年1月完成了衬砌的最终修补工作。
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