长沙冰雪世界项目位于长沙市岳麓区坪塘镇原湖南省新生水泥厂采石形成的矿坑上。采石坑为周边长直径约500m、短直径约400m的类椭圆形, 经人工采石而成, 深度达100m。上宽下窄, 坡度较陡, 坡角为80°~90°, 其平面面积约154 000m²。采石坑场地呈四周高中间低, 建筑物标高±0.000相当于绝对高程53.000m (黄海高程) 。矿坑地貌如图1所示。长沙冰雪世界工程主体结构主要功能位于16.000m (绝对标高) 平台, 从坑底岩石面直接布置竖向构件。16.000m标高平台近似一个175m×220m的椭圆, 处于矿坑的中间区域, 周边进入矿坑范围10~40m不等。坑底岩石面的绝对标高为-31.000~-42.000m不等, 支撑16.000m标高平台的竖向构件采用大截面钢筋混凝土柱及剪力墙, 16.000m标高平台采用大截面钢筋混凝土箱形梁及工字形梁, 16.000m标高以上的屋顶结构采用钢柱及钢桁架结构。16.000m平台以下主体结构的混凝土强度等级及用量如表1所示。

16.000m平台以下混凝土输送施工难点如下:①从坑顶至坑底只有1条干道通行, 大量混凝土搅拌车运送会影响其他材料 (包括贝雷片、立柱、模板、钢筋等) 进出, 并降低混凝土施工效率;②下坑底干道坡陡路窄 (最大纵坡达18%, 最窄路宽仅4m) , 混凝土运输车不能满载通行, 降低了车辆运输效率;③下坑底道路坡陡弯急, 一旦下雨, 会造成路面湿滑, 增大了行车风险, 存在安全隐患;④本工程工期紧, 混凝土浇筑量大, 最大日浇筑量达1 230m³。

经过多次试验发现, 长距离向下泵送混凝土, 易因混凝土自流使输送管内出现空洞或混凝土离析, 进而造成管道堵塞。因此, 本工程先行选用长距离大落差溜管输送混凝土施工工艺, 将混凝土溜送至坑底后, 再采用混凝土输送泵水平及向上泵送至浇筑点。溜管输送施工, 混凝土可采用直卸式, 无需使用输送泵泵送, 既节能, 又环保, 但须采取措施, 确保混凝土经长距离大落差溜送后, 其强度和工作性能均符合设计及施工要求。为此, 该工程制定了针对此工况的混凝土溜送工艺。

溜管向下输送商品混凝土→混凝土运输车运送混凝土至坑底堆场输送泵停靠处 (含二次搅拌) →泵送至施工区域 (水平泵送最远达200m, 向上泵送最高达60m) , 如图2所示。该工艺具有下述特点:①输送管道结构简单;②工艺流程操作简单, 不堵管;③设备造价及使用成本低, 节能环保;④常规混凝土易离析, 需通过试验优化配合比, 提高混凝土抗离析性, 并采用二次搅拌措施。

该装置主要由主溜管、受料斗、支撑设施及人行通道组成。溜管分为3节, 各节间通过料斗承接混凝土, 受料斗底部与溜管口通过焊接相连。溜管全长81m, 高差近50m。

溜管依地形而设, 采用直径219mm、壁厚6mm的钢管 (DN219) 拼接而成。管身按3m长为一标准节进行设计加工, 便于吊装。节与节间通过法兰盘用M20螺栓连接, 接头处采用橡胶垫圈密封。溜管通过支撑固定装置与岩壁相连。

在坑顶及管道布置弯度较小 (≤90°) 的地方, 均布置受料斗, 用15mm厚钢板焊接而成, 钢板背面采用∟63×6作为背楞, 间距为20cm。受料斗上口尺寸1 200mm×1 200mm, 下口尺寸为200mm×200mm, 高度为1 500mm, 下口与溜管进口焊接连接, 并设手动阀门。料斗设1个顶盖, 以防混凝土飞溅。坑顶料斗设置4根支柱通过地脚螺栓与路面相连。

检修通道由爬梯及扶手组成, 均采用└63×6, 钢爬梯横向联系间距为30cm, 钢扶手立柱间距为1.5m, 钢扶手立柱高度根据现场地形和相关标准而定。

溜管固定装置由角钢 (长约1m) 、螺纹钢筋锚杆及U形抱箍组成, 间距为1.5m。锚杆深度视地质情况而定, 一般锚固1.5m深。

为了降低管道的温度, 减小混凝土输送过程中的水分损失, 确保混凝土和易性, 在管道上安装保湿喷水管, 缠绕1层吸水海绵, 喷水确保管道表面湿润。喷水管采用50mm的PVC管制作, 在管上间隔20cm设1个直径2~3mm的喷水孔。将制作好的喷水管安装固定在输送管上方, 有孔的一面朝下。

溜管底部设1根1m长的橡胶软管, 在输送混凝土前置入混凝土运输车内。

通过试验调整混凝土的配合比, 提高混凝土抗离析性。在坑底设置二次搅拌装置, 通过试验确定合理的搅拌时间。

混凝土主要涉及C60P10, C40P10等强度等级, 其常规混凝土的基准配合比如表2所示。

混凝土运输至现场后, 用清水洗净溜管, 5min后将5m³混凝土直泄入溜管, 溜管出口接料后监测混凝土性能。

混凝土运输至现场后, 用清水洗净溜管, 5min后将5m³混凝土直泄入溜管, 溜管出口搅拌车接料后, 搅拌30s监测混凝土性能。

由表3及图3、图4可知常规混凝土经溜送后, 已经发生离析, 黏聚性和保水性差, 即使通过短暂的二次搅拌, 其工作性亦无法满足施工需求。综合分析, 主要原因如下:①卵石、碎石粒径偏大, 级配不佳, 混凝土匀质性不佳;②C60P10混凝土黏度偏大, 粗骨料流动速度明显快于浆体流动速度, 导致离析;③C40P10混凝土粗骨料采用卵石, 使包裹性、黏聚性不佳, 抗离散性差;④在溜送前, 未采用砂浆润管, 导致浆体损失;⑤二次搅拌时间不够。

1) 采用5~25mm碎石、5~31.5mm卵石改为5~20mm连续级配碎石, 严控针片状碎石含量及级配, 以改善混凝土的匀质性。混凝土粗骨料级配设计如图5所示。

2) 采用紧密堆积密度法, 5~20mm连续级配碎石与细度模数2.5的湘江河砂复配, 调整砂率。

3) 调整胶材体系及外加剂组分, 降低C60P10混凝土黏度、改善C40P10混凝土的黏聚性:①调整黏度调节剂用量, 降低C60P10混凝土黏度, 减少浆体运动黏滞阻力、改善C40P10黏聚性改善混凝土黏聚性, 提高混凝土抗离析性能;②调整混凝土含气量, 保证二次搅拌后混凝土的和易性及包裹性;③增加保坍组分用量, 降低混凝土二次搅拌工作性损失。经优化调整后, 所形成的高性能混凝土的基准配合比如表4所示。现场试验证明, 优化后的高性能混凝土经长距离大落差向下溜送后, 其工作性能及力学性能各项指标良好 (如表5、表6及图6、图7所示) , 能满足设计及施工要求。

通过多次试验及理论分析, 本文针对长距离大落差溜管输送混凝土施工工艺制定了混凝土工作性能保证措施及评价体系, 如表7所示。

本文所提出的长距离大落差溜管输送混凝土施工工艺能简单有效地解决大落差向下输送混凝土的难题, 并已形成工艺评价体系, 现该工程混凝土结构部分采用该工艺输送混凝土, 效果良好, 可为类似工程提供参考。