南京市某污水提升泵站进出水管道改造工程,有一段管道需穿越内秦淮河,设计为双ф1 800mm钢管,单根长60m。由于管顶距河床仅0.3m,设计在管外包裹钢筋混凝土以配重抗浮。如图1所示。

原设计采用围堰排水后,开槽施工,由于管道离下游排涝泵站仅15m左右,不具备围堰施工条件,经研究决定采用沉管法施工管道,水下浇筑包管钢筋混凝土,因此需要解决模板、钢筋水下安装及混凝土水下浇筑等技术难题。

根据现场施工条件及工程特点,研制了一种附着于沉管的模板加固支架,随沉管下沉到位后,水下吊装模板。

1)模板支架采用型钢制作,横杆采用└75×5制作,与钢管焊接;立杆采用[80×5制作,类似于闸门溜槽,以利于模板水下安装。

2)模板支架在陆上按设计位置与钢管焊接牢固,沉管施工时,与钢管一起下沉到位。模板支架如图2所示。

3)模板采用高强复合竹胶模板(规格为2 440mm×1 220mm×16mm),为保证模板的强度、刚度,模板四周用└75×5作外框,中间纵横2个方向分别加2,4道└75×5作肋条。同时也提高了混凝土浇筑过程中结构的抗浮能力。如图3所示。

1)模板支架与钢管一起下沉安装,由于钢管一侧安装模板支架后,钢管两侧不平衡,应通过试吊或计算确定起吊点,焊接起吊环,以保证模板支架与钢管一起平稳沉入沟槽。

2)模板由驳船上的起重机配合潜水员安装入支架上竖向槽钢内。

3)模板安装就位后,用ф20钢筋拉杆对拉钢管两侧模板,拉杆间距为2.5m。

1)将钢管底钢筋网变更为型钢骨架,在陆上与钢管焊接,随钢管一起下沉到位。

2)钢管侧及顶部钢筋在陆上加工成4m×6m双层钢筋网片,钢管下沉到位后,分片吊装、连接。

3)钢筋吊装采用汽车式起重机将钢筋网片吊运到水上作业平台,利用作业平台将钢筋网片吊装就位,网片间搭接≥40d(d为主筋直径),由潜水员水下绑扎。

考虑到钢筋分开制成网片安装后,减弱了钢筋的整体性,同时为保证混凝土浇筑时,钢管不上浮,采用型钢对水下钢管进行加固,如图4所示。

由于本项目包管钢筋混凝土面积较大(平面为5.38m×60m),且结构内有钢管、钢筋网、型钢等,难以布设导管连续浇筑混凝土,通过研究,研制了一种高性能水下不离散混凝土及非连续浇筑施工工艺,保证了水下混凝土施工质量。

水下包管钢筋混凝土是一种在水下浇筑和硬化的混凝土,混凝土拌合物必须具有自密实、一定水流速下不离散、低泌水和缓凝性等性能特点,以实现因钢筋、钢管影响难以布设导管而难以保证水下混凝土连续浇筑时的混凝土质量。为保证混凝土拌合物质量,必须在混凝土拌合物中掺加增稠剂、增黏剂或絮凝剂。

水下不离散混凝土配合比的关键是选择合适的外加剂,选择了2种不同的外加剂,按设计混凝土强度等级的130%即C40配制了混凝土,考虑到本工程水下包管混凝土的浇筑面积较大,且因型钢、钢筋、钢管影响,如果采用导管法施工,导管安放、移动困难,普通混凝土难以保证浇筑质量,因此在试验时,采取不设导管而直接间隔往水下倾倒混凝土拌合料的方式浇筑。

在一钢制水箱中盛满水,用铁锹将混凝土拌合物直接倾倒至水中,混凝土停止扩散后,用25mm软管从水箱的一侧往水箱中注水,使水箱中的水流动,并继续往水中直接倾倒混凝土观察水下混凝土的抗离散性。通过试验观察,混凝土拌合物在一定水流速度条件下,水泥浆基本不流失,抗离散性较好。

在水中设置1个混凝土抗压试模,用铁锹间隔往水中灌入混凝土拌合物,直至将试模全部覆盖。1h后,取出试件、刮平,标养28d后做试压试验。试验表明,水下混凝土抗压强度达到47.1MPa,符合设计要求。

混凝土拌合好后,用标准坍落度筒测拌合物的坍落度,并测量坍落扩展度。共做了5次试验,测得坍落度算术平均值为220mm,坍落扩展度算术平均值为440mm。

通过试验,综合考虑混凝土强度、流动性能、抗分散性能、抗离析性能等指标,最终确定的配合比如表1所示。

试验表明,按上述配合比拌制的混凝土在不泌水、水中流动性能良好、一定水流速下抗离散性良好,坍落度220mm,坍落扩展度440mm,水中初凝时间达18h,终凝25h,无泌水,符合预期要求。

根据水下不离散混凝土配合比及浇筑试验,结合现场实际情况,通过专家论证确定了水下混凝土非连续浇筑施工技术。由汽车泵直接往水中浇灌混凝土,浇筑要点及主要注意事项:(1)沉管前,在槽底抛填一层厚100mm的碎石垫层,由潜水员水下找平,以消除槽底沉碴对混凝土浇筑的影响;(2)混凝土采用汽车泵浇筑,汽车泵输送管前端的软管插入水中,直接浇筑混凝土;(3)采用2台汽车泵从两端往中间浇筑;(4)控制浇筑速度以免钢管上浮,浇筑速度需≤2m³/min;(5)浇筑过程中,技术人员用竹杆随时探测混凝土顶面位置及高度,以合理布设浇筑点;(6)浇筑过程中潜水员潜水检查水下混凝土的密实及平整度等情况;(7)汽车泵输送管拔出后,再次浇筑时,应由潜水员水下检查泵管的插入情况,确认泵管插入已浇筑混凝土中;(8)混凝土浇筑顶面较设计高20cm(由潜水中水下清除),以保证混凝土质量;(9)浇筑到顶面时,由潜水员下水检查浇筑情况并清除表层浮碴。

1)本工程施工完后,监理单位组织了质量检验,水下混凝土浇筑完7d后拆除模板,潜水员下水检查,混凝土结构尺寸基本符合设计要求。

2)28d后水下钻孔取芯,混凝土密实,强度达到45.2MPa,符合设计要求。

通过设计一种附着于沉管的模板体系,配制高性能水下不离散混凝土,实现了水下混凝土非连续浇筑,解决了水下大面积包管钢筋混凝土因结构问题难以布设导管的施工难题,保证了工程质量及工期,取得了较好的社会经济效益,为类似的城区水下管道施工提供了有益的借鉴。