沉管隧道基础处理的方法包括先铺法和后填法^[1], 国内已有使用纯砂、超细水泥浆、水泥砂浆、膨润土水泥砂浆等^[2,3,4]作为后填充材料的案例, 国外仅日本大阪港咲洲沉埋隧道使用了水中不分离性混凝土填充^[5,6]。

港珠澳大桥沉管隧道设计采用一种超低强度水下自密实混凝土对沉管蛇形碎石垄沟型基础进行后填充处理, 利用其水下自密实性能提高填充饱满性, 利用其超低强度实现地基扰动、不均匀沉降后的应力二次分配, 避免应力集中危害沉管的安全性。据此开展了基础后注浆混凝土配制、施工性能的研究与验证。

试验原材料主要为采用华润P·Ⅱ42.5水泥, 谏壁电厂 (镇江华源) Ⅰ级粉煤灰, 采用粒径5~10mm和10~20mm粗集料按比例搭配使用, 细集料采用西江河砂, 外加剂采用复合增黏组分的高性能聚羧酸外加剂。其中, 水泥、粉煤灰氧化物成分分析如表1所示。

本文通过室内配合比研究, 制备超低强度水下自密实混凝土, 其性能要求、测试方法如表2所示。通过现场木模水下灌注、空气 (水) 槽流动性、压力泌水等试验, 测试其泵送性、填充性、水下自密实等性能, 对水下不可视施工进行完备的试验验证, 应用于港珠澳大桥沉管基础后注浆, 测试其填充饱满性。

配合比设计通过较低的水泥用量、较高的水胶比, 引入大量气泡、添加惰性掺和料的手段实现混凝土的超低强度;通过充足的浆体、良好的级配、合理的外加剂实现混凝土的高流动性;通过性能较优的混凝土水下不分散剂的使用实现良好的混凝土水下不分散性能。通过试验研究, 推荐混凝土配合比如表3所示, 性能如表4所示。

采用尺寸为100cm×100cm×50cm的木模, 内部灌满水模拟水下环境, 顶面设置注浆孔和排气孔, 如图1所示。经254m长距离泵送后灌注, 验证其泵送性能、水下填充性。经长距离泵送后基础后注浆混凝土性能测试结果如表5所示, 可知该混凝土泵送性能良好, 且经泵送后混凝土流动性增加。现场排气孔出水测得p H值为9.7、悬浊物含量为134mg/L, 水下不分散性能良好。10d后拆模外观如图2所示, 试模填充饱满, 未出现混凝土经过水洗后混凝土浆体大量流失的现象, 留置试块强度平均0.9MPa。

通过在12m×3m铺有碎石的池内开展流动性试验, 主要模拟基底混凝土灌注过程的流动性, 评估混凝土的自然可流动距离, 如图3所示, 2次浇筑混凝土自然流淌高差为 (3~4) cm/12m。

常压模拟试验模拟了基底混凝土灌注工况, 模型设置为在4m×5m×1m水池中进行, 水池中注满海水, 基底平铺基床碎石, 泵管出口端口和两侧开孔, 如图4所示, 分流降低海水冲刷力度。模拟混凝土在现场出泵分流、海水冲刷施工条件下的水下抗分散性能 (灌注完成后测浊度) , 验证混凝土水下注浆的整体施工工艺, 抽水验证混凝土水下流动性和基床抗渗透性能。

测试结果显示:注浆混凝土具备良好的抗水流冲刷、水下不分散性能, 满足施工要求, 灌注过程流畅, 施工工艺合理;流动性在水下与无水干燥环境差异不大, 基床抗渗透性与定量渗透试验结果一致, 基本无渗透。

为确定混凝土在碎石基床有无渗透跑浆现象, 确保基础后注浆的饱满度和质量, 模拟混凝土在碎石机床的水下渗透性试验。试验在100cm×100cm×120cm水箱 (见图5) 中进行, 水箱底部铺有50cm高的20~60mm碎石, 碎石表面放置60cm、高50cm钢圆桶, 在钢圆桶内浇筑混凝土, 在试验整个过程中保证水完全浸没混凝土表面。根据测试结果显示:7d龄期内无明显渗透, 监测液面高度也无变化;20d后抽水进行定量测量, 碎石中基本无渗透。

碎石垫层上布设钢筋笼顶推用充气气囊, 横向回填前先放置土工布, 土工布上压填足够厚度锁定碎石, 形成“密闭腔”。通过预埋注浆管, 从海面搅拌船实行高压基础后注浆, 方案如图6所示。注浆前在槽底布置5个土压力计, 管节底部碎石基床垄沟内各布置2个土压力计, 共9个压力测点。土压力计最大量程为0.7MPa, 当土压力计压力达到0.6MPa时及时报警, 土压力计布置如图7所示。

本次注浆达到了接头协调沉降、基床预压密实、管节姿态调整的目标;实测参数和预测参数基本符合;整个注浆过程持续17h, 到12h后注浆速率逐渐降低, 共注340m³混凝土, 注浆方量及效果如表6所示。

压浆过程管底压力监测曲线 (充填阶段160m³, 姿态无变化) →压力密闭腔形成 (压力上升) →管节顶升 (压力下降) , 前期压力变化如图8a所示, 后期持续监测, 混凝土形成强度, 压力消散、衰减, 非残留压力, 压力监测变化如图8b所示。

在泵送及海水冲刷条件下, 表现出良好的水下不分散性, 否则离析的骨料将引起堵管;所布置土压力计均有压力显示, 表现出良好的水下流动性能;压力在较长时间保持稳定, 注浆混凝土表现出良好的抗基底渗透性能。

1) 为提高该类沉管水下结构的稳定性和安全性, 可采用超低强度水下不分散混凝土, 其良好的填充性能、超低强度可适应基础变形下应力的二次分配。

2) 该类型混凝土配合比设计要点包括较低的水泥用量、添加惰性掺和料、较高的粉体用量、较高的水胶比、较小的碎石粒径、引入大量微气泡、使用高效减水剂、大量掺加增黏剂或抗分散剂。

3) 本次模型试验对水下基础后处理工艺进行了完备性验证, 且现场施工过程流畅、效果良好。

4) 该类混凝土及施工方法不仅能较好地满足基础后处理的要求, 还能通过形成密闭腔, 控制注浆量、注浆压力对水下结构的姿态进行一定范围内的调整。