依托天津市滨海新区中央大道海河隧道工程为研究平台, 该工程为我国高震区第1条沉管隧道, 也是我国华北地区第1条沉管隧道, 是连接天津市滨海新区塘沽、汉沽、大港3大功能区中央大道的重要节点工程, 工程位于塘沽于家堡金融区, 临近天津港, 采用沉管隧道的方式穿越海河, 沉管管节为钢筋混凝土结构, 常年在22m水下投入使用, 使用寿命为100年, 且水域具有腐蚀性, 因此对混凝土防渗、抗裂、耐久等性能指标提出更高要求, 须进行专项研究, 确保工程安全质量。

本工程全长4.2km, 隧道全长3.88km, 其中穿越海河255m, 采用沉管法施工工艺、双向6车道断面设计, 设计时速为60km, 沉管管段设计为“两孔三管廊”结构, 宽36.6m, 高9.65m, 底板厚1.4m, 顶板厚1.35m, 外侧墙厚1m, 中侧墙厚0.6m, 沉管总长255m, 分3节, 长度均为85m, 混凝土强度等级为C40, 抗渗等级为P10, 在轴线干坞内进行预制 (见图1) 。

沉管管段首次采用“两孔三管廊结构”, “两孔”为车行道范围, “三管廊”为综合管廊, 用于放置过境的电力、热力、给水、通信等管线。

本工程位于华北地震带上, 抗震性能按8度设防, 结构物在22m海河水下使用, 使用年限100年。管段预制采用C40 P10混凝土, 混凝土中的含碱量≤3kg/m³, 引入的水溶性氯离子总量不多于胶凝材料质量的0.1%, 采用RCM方法检测, 混凝土氯离子扩散系数≤4.0×10^-12m²/s。混凝土密度为2 350kg/m³。混凝土和易性满足泵送施工要求, 入泵坍落度为140~160mm, 做坍落度测试时混凝土拌合物塌陷均匀, 并不得有堆石和泌水现象。置放0.5h和1h后重新拌合做坍落度测试, 其坍落度不小于最小值且保塑值应达到90%以上 (见图2) 。

管段以混凝土自防水为主、外包防水为辅, 混凝土裂缝宽度<0.1mm。管段连接采用软性接头止水带方式, 采用碎石基础加膨胀土砂浆注浆基础, 防止在地震发生过程中基础液化, 确保隧道的抗震性能稳定。

通过先期理论研究, 进行仿真计算后, 再通过温度场和应力场的计算研究其温度和应力的空间分布, 以指导后期的材料设计和施工质量控制与养护。通过理论与试验研究, 进行混凝土配合比优化设计, 得到满足工程的抗氯离子侵入性、抗碳化性、体积稳定性、抗渗与抗裂等耐久性指标的最优性价比的混凝土, 最后进行混凝土耐久性与防渗抗裂等方面的试块试验, 分析研究结果。

通过研究与总结, 结合实际情况和工程特点, 编制《海河隧道耐久性技术手册》, 指导和规范工程施工, 对原材料选用、混凝土拌合、运输、振捣、养护进行全过程的质量控制, 提出极端天气情况下的应对措施和发生意外质量问题的处理措施, 保障工程质量。同时, 建立耐久性评价模型, 进行结构耐久性寿命预测研究, 总结完善, 形成完整的研究体系, 带动本企业和本地区的人才培养与技术进步。

1) 原材料的选择原则不仅是运距和价格上合理, 更重要的是有质量保证, 符合管段预制混凝土配合比性能要求。

2) 水泥原材料选择在本市和周边地区进行调查, 从水泥强度等级、标准稠度含水量、含碱等性能以及综合材料运距、价格等方面考虑, 进行比较选择。

掺和料主要包括粉煤灰、矿粉、硅粉等材料, 粉煤灰主要从细度、颗粒形态以及含碳量等方面选择, 在检验指标上通常采用0.045mm筛孔的筛余量、需水量比以及烧失量3项指标作为分级指标。

3) 磨细矿渣粉矿渣粉活性高低与其细度有关, 细度越大, 活性越高, 但粉磨的成本也越高, 磨细矿渣粉的比表面积取400~600m²/kg。

4) 硅粉主要从细度、表面积、需水量比及其物理性质方面, 通过试验进行择优选择。一般混凝土的设计强度<80MPa时, 不考虑掺用硅粉, 本工程采用C40混凝土, 所以不采用硅粉。

滨海地区多为盐碱土和盐碱水环境, 其地质层系由海泥长期淤积形成。隧道投入运行后, 内部二氧化碳浓度较高, 其所处的腐蚀环境基本符合以下几种类型。

1) 海水环境海水中含有大量硫酸盐、氯盐、镁盐等成分, 对钢筋和混凝土造成严重腐蚀。

2) 海风环境指海风中携带的盐分对混凝土中钢筋形成腐蚀环境, 属于严酷程度仅次于海水的环境。主要作用于隧道入口附近。

3) 盐碱土和盐碱水环境指土壤和地下水中富含的Cl^-, SO₄^2-, NO₂^-等对混凝土的腐蚀, 以硫酸盐腐蚀为主。盐碱土质环境中地下工程属于该类环境。

4) 碳化环境隧道内由于汽车尾气的聚集, CO₂和SO₂等酸性气体浓度远高于大气环境, 碳化作用不容忽视。

因此, 本地区隧道混凝土应以抗盐腐蚀、抗碳化和抗冻为主, 同时结合隧道大体积混凝土特点考虑体积稳定性等问题。

主要通过抗氯离子侵入性试验、混凝土强度发展规律、体积稳定性检测、绝热温升试验、配合比优化设计、足尺模型试验、混凝土结构现场原位无损评估技术应用、新材料应用研究、结构寿命预测等性能检测试验。

配合比设计考虑影响混凝土性能的各种因素, 坍落度基本保持在140~160mm, 而将水灰比、粉煤灰掺量、矿粉掺量、砂率作为研究腐蚀性的影响因素, 借用“四因素五水平”正交试验表, 配制16种混凝土, 其中水灰比0.42, 0.4, 0.38, 0.36, 粉煤灰和矿粉掺量分别为0, 10%, 20%, 30%, 砂率0.40, 0.38, 0.36, 0.34, 限制胶凝材料总量≤450kg/m³, 调整外加剂掺量从而调整工作性。

主要通过氯离子扩散系数 (RCM法) 与氯离子渗透 (电通量法) 进行试验研究。目前使用最广泛的混凝土渗透性测试方法———RCM氯离子扩散系数快速测定方法, 具体试验依照JTG/TB07-01—2006《公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范》中混凝土氯离子扩散系数快速测定的RCM方法进行, 如图3所示。

电通量法试验依照JTJ275—2000《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》附录B中混凝土抗氯离子渗透性标准试验方法进行, 以3个试件的6h通电量平均值评定混凝土的抗氯离子渗透性。

混凝土抗裂试验目前有平板法、圆环法、条形试件法, 其中条形试件法又包括单轴约束试验、开裂试验架法、线性位移传感器 (LVDT) 。根据试验评价混凝土的抗裂性能, 目前使用最普遍、简单的是平板法和圆环法。本工程试验采用平板法, 平板法分为四周约束与底板约束2种装置, 具体混凝土平板法四周约束装置如图4所示。

将初始配合比的混凝土进行多组留置试块试验, 检测其强度的发展规律。检测期间, 由专人进行试块强度发展规律观察、检测, 并按试块编号做好每个阶段强度记录, 列成表格形式, 最后形成分析报告。

按照初始配合比, 留置相应试块, 测量其不同龄期收缩率。干燥收缩试验按照JTG E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》进行。干燥收缩的测试结果由专人记录成表格形式。

粉煤灰和矿粉掺量分别为0, 10%, 20%, 30%, 维持水胶比在0.38, 进行不同龄期的绝热温升。由专人按时间阶段进行绝热温升试验记录。

根据试验取得的数据, 可拟合成多个公式, 包括坍落度、强度、耐久性指标、绝热温升、体积稳定性、抗裂性等配合比参数的函数关系, 根据不同需求可选取不同的目标函数进行优化设计, 一般可选造价:

式中:f为目标函数, 其中a_l, a₂, a₃, a₄, a₅, a₆分别为水泥、矿物掺和料、砂、石、外加剂、拌合水的价格;x₁, x₂, x₃, x₄, x₅, x₆分别为水泥、矿物掺和料、砂、石、外加剂、拌合水的用量。

约束条件指优化设计中为满足各方面要求, 对设计方案施加的各种限制。此外, 约束条件为强度条件, 要求满足试配强度;稠度条件满足施工要求;耐久性指标满足氯离子侵入性要求;温升指标要小于规范要求;体积稳定性指标满足收缩率和早期开裂要求。

将选定的配合比进行足尺模型试验 (见图5) , 在中部和边缘地带分别埋设测温元件, 测量内部温度变化, 一方面为下一步施工采取相应的降温防裂措施做准备, 另一方面与温度计算模型相互校核, 修正模型, 结合施工对裂缝预测与控制进行解析。

本工程沉管试验段施工长度为6m, 宽4.7m, 底板厚1.4m, 外侧墙厚1m, 内侧墙厚0.6m, 高3.5m。外侧墙外侧倒角为600mm×600mm, 内侧倒角为500mm×500mm。试验段钢筋配筋同施工图纸主体段一致, 混凝土施工工艺如下。

1) 下料高度控制底板:下料高度≤40cm, 左右方向连续性Z字形移动供料;浇筑方向为自一端向另一端;侧墙:下料高度≤1.5m, 从一端向另一端移动供料。

2) 混凝土浇筑分层管段底板浇筑混凝土时, 从下往上分4层均匀上升浇筑, 每层高度≤40cm, 振捣后层厚为35cm。浇筑时均采用台阶法推进, 每层台阶宽度为3m。具体如图6所示。

3) 浇筑顺序及方向浇筑底层混凝土时, 浇筑顺序从底板正中间 (横断面) 的管廊底部开始, 南北方向逐层上升, 并逐渐向东、西边侧扩展, 逐层升高。边墙和中隔墙同样为分层浇筑, 自下而上逐层均匀上升, 每层供料厚度≤40cm, 振捣后为30cm;上升速度≤1m/h。浇筑顺序为一端向另一端逐层升高。

底板混凝土浇筑时, 最上一层留置10~20cm, 在侧墙及内墙混凝土浇筑至倒角上部位置后, 再浇筑底板最上一层混凝土。

插入式振捣器作业时, 要使振捣棒垂直插入混凝土, 并插到下层尚未初凝层中50~100mm, 以促使上、下层相互结合, 各插点间距不应超过其作用半径的1.5倍, 使用时, 要快插慢抽, 各插点振捣时间宜为40~50s, 并以混凝土面开始泛浆和不冒气泡为准。

混凝土耐久性的评估都采用混凝土试块或现场取样的全损或半损检测, 精度较差, 随着技术的发展, 原位无损耐久性检测技术开始应用于工程中。此外, 进行实验室与现场指标相关性的试验研究, 采用的设备为Autoclam和Permit。

Autoclam用于非破损地测试空气和水的渗透性, 以及混凝土或其他建筑材料 (包括表面修补材料) 表面的吸水性;Permit可用于对表层混凝土及其他建筑材料抵抗各种离子扩散能力进行无损检测, 对钢筋混凝土结构抵抗离子扩散能力进行快速检测评定, 从而可用于预测结构物的使用寿命。该仪器可在现场直接对混凝土进行检测评估。

主要考虑膨胀剂、减缩剂、防裂剂和阻锈剂等的应用, 在选定的配合比基础上加入新型材料以进一步优化配合比, 取得预期效果。

应用Fick第二定律, 结合隧道的具体劣化模式尝试进行寿命预测, 目前结构寿命预测技术还不成熟, 采用的模型各异, 将在此方面做相应探索。

通过沉管1/4管段足尺模型试验, 长15m, 共浇筑混凝土530m³, 混凝土整体性良好, 表面平整光滑, 没有发生裂纹现象。

混凝土浇筑过程中经业主质检部门、监理单位和混凝土拌合站三方取样试验检测, 混凝土试件抗压强度都在43~48MPa;抗渗指标>P10;混凝土胶浆通过耐海水浸蚀试验, 其耐蚀系数>0.95。经现场多次测得混凝土重度均在 (23.5±0.01) k N/m³, 满足设计要求。

沉管隧道管段结构由于常年在水中投入使用, 不同于其他结构建筑物, 对结构物强度、防水性能要求非常高。海河隧道工程在所属高震区、软弱地质下进行设计, 通过工程所处环境分析、一系列配合比性能试验, 最后通过管段预制模拟试验进行验证, 从而保证该工程沉管隧道预制质量、充分验证试验方法的科学合理性。