超深竖井衬砌混凝土施工技术与配合比试验研究_樊春喜.pdf

2023 年第 3 期2023 Number 3水电与新能源HYDOPOWE AND NEW ENEGY第 37 卷Vol37DOI:10 13622/j cnki cn42 1800/tv 1671 3354 2023 03 004收稿日期:2022 04 11作者简介:樊春喜，男，工程师，主要从事水电工程技术管理工作。超深竖井衬砌混凝土施工技术与配合比试验研究樊春喜，宋美丽(葛洲坝集团试验检测有限公司，湖北 宜昌443002)摘要:巴基斯坦 N J 水电站调压竖井衬砌后直径 9 5 m，井身总衬砌高度为 353 m。衬砌混凝土通过直溜管+缓降器垂直运输方式采用滑模浇筑施工。根据施工技术要求以及工程配合比设计经验，在室内设计不同凝结时间、不同坍落度的初步配合比，再通过现场生产性试验确定满足施工的最终配合比。关键词:超深竖井;衬砌混凝土;凝结时间;坍落度;施工配合比中图分类号:TV544文献标志码:A文章编号:1671 3354(2023)03 0014 04Construction Technology of Ultra-deep Shaft Lining Concrete andExperimental Study on Mix atio of ConcreteFAN Chunxi，SONG Meili(China Gezhouba Group Testing Co，Ltd，Yichang 443002，China)Abstract:The ultra-deep surge shaft in Pakistan N J Hydropower Station is of 9 5 m diameter after lining，and the to-tal lining height of the shaft is 353 m The lining concrete is transported vertically through straight chute and retarder tothe site and then constructed with sliding forms According to the construction technical requirements and the engineer-ing experience in mix ratio design of concrete，preliminary mix ratios are designed in laboratory with different settingtimes and different slumps，and the final mix ratio meeting the construction requirement is determined through the in-situproduction testsKey words:ultra-deep shaft;lining concrete;setting time;slump;mix ratio for construction巴基斯坦 N J 水电工程位于巴基斯坦东北 AzadJammu Kashmir(AJK)州首府 Muzaffarabad 地区。电站总装机容量 963 MW，其引水发电布局为一洞 4机。电站引水调压系统主要包括引水调压洞、调压竖井和调压竖井下平洞等组成。该工程调压竖井沿铅锤方向布置，位于厂房的东北方向，其上部为调压竖井安装间，与引水调压隧洞相接，底部为调压竖井下平洞，与引水洞相接，引水调压系统布置见图 1。引水调压竖井开挖直径 10 7 m，衬砌后直径 9 5 m，衬砌厚度0 6 m，上井口高程 950 m，下井口高程 597 m，深度为353 m，其深度位居当时亚洲在建水电工程之最。工程区域气候夏季炎热，冬季寒冷。6、7 月份最热，最高气温可达+42 以上;1 月份最冷，最低气温可达 4以下。由于竖井深度大，工期紧等原因，竖井衬砌混凝土施工已成为该项目施工的难点和重点之一，核心技术是混凝土垂直运输方式要确保混凝土性能满足施工质量要求的问题以及混凝土凝结时间与滑模动态提升匹配问题1。为解决上述问题，本研究以该工程竖井衬砌混凝土施工为研究对象，在室内开展不同性能的配合比设计试验，并在施工现场进行配合比生产性试验，以满足衬砌混凝土施工要求。1衬砌混凝土施工方案及技术要求11施工方案调压竖井衬砌混凝土采用全断面滑模施工，计划浇筑速度 15 20 cm/h 高。混凝土通过垂直运输到达滑模上部分料平台，再通过溜槽溜至各个浇筑面。41樊春喜，等:超深竖井衬砌混凝土施工技术与配合比试验研究2023 年 3 月图 1引水调压系统布置图12技术要求混凝土强度等级为 C30，混凝土最大渗透高度25 mm(试验按 ISO/DIS 7031 规范进行)，骨料最大粒径 19 mm，混凝土凝结时间适应现场滑模施工要求，混凝土通过垂直运输后和易性好、不易堵管等。13混凝土垂直运输方案的确定施工方案中混凝土在竖井垂直运输有两种方式，方式一为采用“竖直溜管+缓降器”完成全竖井范围内混凝土输送;方式二为采用高扬程混凝土输送泵完成全竖井范围内混凝土输送。项目部现场有高扬程混凝土输送泵，推崇采用方式二，但需要论证混凝土泵送的可行性。建筑行业采用高扬程泵机进行超高泵送，在国内外已有多例成功案例，但超高泵送混凝土必须具有良好的泵送性、较高的流动性以及坍落度经时损失小等2。混凝土要满足上述特性，首先混凝土必须有足够的初凝时间，这与施工方案中滑模施工要求的早初凝混凝土矛盾;其次对原材料要求较高，当前施工现场的原材料难以满足，还需重新选材;另外根据调压竖井衬砌厚度 0 6 m 和滑模计划施工速度 15 20 cm/h，计算得出混凝土理论浇筑速度为 2 9 3 8 m3/h，浇筑速度慢无法连续，易造成施工过程中堵管，因此竖井衬砌混凝土垂直运输优选用“竖直溜管+缓降器”。14混凝土凝结时间施工方案中滑模模板高为 1 2 m，计划浇筑速度15 20 cm/h 高。混凝土达到脱模强度 0 2 0 4 MPa或手按压混凝土表面留有 1 mm 左右的痕迹时滑模具备提升条件3 4，根据混凝土初凝时间定义混凝土在震动力作用下不再呈现塑性时，即滑模提升条件为混凝土初凝前后。根据公式 T=(H h a)/V(T 为混凝土达到出模强度所需时间;H 为模板高度，取1 2 m;h 为浇筑层厚度，取 0 3 m;a 为混凝土浇满后，其表面到模板上口的距离;取 0 1 m;V 为滑模滑升速度，取 0 15 0 20 m/h)5，计算得混凝土达到滑模具备提升条件所需时间为 4 5 3 h，即现场混凝土浇筑后 4 5 3 h 达到初凝状态。赵智辉等在 基于温度影响下早期变形特征的混凝土凝结时间的确定 中指出基于模板侧压力测得的现场混凝土初凝时间比贯入阻力法提前 1 2 h6，即现场混凝土初凝时间比室内用贯入阻力法早 1 2 h。另外考虑混凝土拌和、运输时间以及施工现场高温环境条件等，室内设计混凝土配合比初凝时间为 8 h 左右。15混凝土坍落度混凝土的坍落度是影响竖井衬砌混凝土浇筑顺利及浇筑质量的重要因素之一，坍落度过小容易引起溜筒堵塞，过大则混凝土黏聚性降低易造成混凝土骨料分离影响浇筑质量7。根据工程施工经验，在室内选用 140 180 mm 和 180 220 mm 坍落度进行试验。2混凝土配合比室内试验21配合比设计基本要求滑模混凝土配合比的设计除了考虑混凝土和易性、强度及耐久性等要求外，还应考虑混凝土不易引起溜管堵塞、通过溜管后粗骨料与砂浆分离小、能通过分料平台顺利流入浇筑部位，同时混凝土的凝结时间与滑模施工速度相匹配。22原材料为了节约成本，简化原材料审批程序，混凝土均采用工地使用的原材料。1)水泥。采用巴基斯坦 Fauji 水泥厂生产的低碱硅酸盐水泥，满足 ASTM C150 规范要求，强度 3 d12 MPa，7 d19 MPa;初凝时间45 min，终凝时间375 min;比表面积280 m2/kg;碱含量0 6%。2)掺合料。采用巴基斯坦 Thatta 矿粉公司生产的80 级矿粉，满足 ASTM C989 规范要求，细度(45 m筛)20%;28 d 强度活性指数75%。3)细骨料。采用砂岩破碎生产的人工砂，级配连续，细度模数控制在 2 7 0 1。4)粗骨料。采用砂岩破碎生产的 4 75 19 mm的碎石，级配连续，针片状含量为 10%，含泥量1%。51水 电 与 新 能 源2023 年第 3 期5)外加剂。采用北京冶建 JG 2H 缓凝型高性能减水剂和 KF 引气剂。23室内配合比主要参数的选择1)水胶比。根据 NJ 工程混凝土试验成果和拌和试验资料，C30 混凝土水胶比均为 0 36，既满足强度要求，又能满足耐久性要求，因此竖井衬砌混凝土配合比水胶比选用 0 36。2)砂率。采用“竖直溜管+缓降器”运输方式易造成粗骨料与砂浆分离，适当提高砂率减少粗骨料用量以增强混凝土黏聚性，因此在原泵送混凝土基础上增加 1%2%砂率。3)矿粉掺量。根据相关工程经验，采用溜管时易发生混凝土磨损溜管的现象7，掺适量矿粉可提高混凝土黏聚性8，可以减少混凝土与溜管之间的摩檫力阻力，有效缓解溜管的磨损。通过室内前期试验资料以及综合考虑，矿粉掺量初步选为 25%。4)外加剂掺量。工地现场使用的 JG 2H 减水剂为缓凝型，泵送混凝土减水剂掺量为 0 6%，混凝土初凝时间在 8 9 h。根据凝结时间计算，应能满足竖井混凝土要求，但应业主工程师强烈要求，在室内开展了通过降低减水剂掺量将混凝土凝结时间控制在6 7 h的配合比试验。引气剂掺量按混凝土含气量为 4%5%控制。24室内配合比试验根据竖井衬砌混凝土施工特殊性以及混凝土设计强度等级和耐久性，本次室内拌制试验时选用 0 36 水胶比，25%矿粉掺量，含气量按 4%5%控制，选择不同坍落度、不同凝结时间的配合比试验，室内拌和试验成果见表 1。表 1配合比拌合物室内试验成果表编码每方材料用量/kg水水泥矿粉砂小石 减水剂 引气剂坍落度/mm含气量/%凝结时间/min初凝终凝抗压强度/MPa7 d28 d28 d 混凝土渗透高度/mmCP 1178371124757905198000401654 133539030 538 822CP 2155323108810969258600221804 849063027 737 418CP 3158329110803961263400222055 051065527 437 823按照 ACI 318 规范要求计算 C30 混凝土配置强度:f cr=f c+1 34Ss=30+1 34 4 0=35 4 MPa(1)f cr=f c+2 33Ss 3 4=30+2 33 4 0 3 4=35 9 MPa(2)式中:f cr为混凝土配置强度;f c为设计强度等级;Ss为混凝土标准差，统计计算本工程 C30 混凝土强度标准差为 4 0 MPa。C30 混凝土配置强度取式(1)、式(2)最大值，即配置强度为 35 9 MPa。室内试验成果表显示，三个配合比 28 d 强度均超过配置强度，28 d 混凝土渗透高度小于 25 mm，三个配合比各项性能满足要求。配合比CP 1 与 CP 2 相比，通过调整减水剂掺量缩短了混凝土凝结时间;配合比 CP 2 与 CP 3 相比，调整了混凝土坍落度范围。3配合比生产性试验为了确保混凝土配合比顺利应用，在现场组织了生产性试验，主要核验通过长溜筒后混凝土和易性情况以及竖井滑模施工的混凝土凝结时间等。选 CP 2 配合比进行生产性试验，拌和楼生产过程中严格按照配合比各材料进行秤量，混凝土出机口坍落度控制在 140 180 mm，含气量控制在 4%5%。混凝土由拌和楼拌制好后按每车 3 m3运至井口，井口处控制下料速度，控制在 10 12 min/3 m3，井口处放料中混凝土见图 2。混凝土通