混凝土防渗墙接头拔管工艺研究

肖恩尚

【摘 要】混凝土防渗墙接头采用拔管法施工，具有工效高、成本低等优点。拔管法施工的难点在于起拔接头管的成功率要达到100%，一旦接头管铸在槽内，将难于处理。先进的拔管机具、科学的拔管工艺是确保拔管成功的前提。

【关键字】基础处理 防渗墙接头 BG350/800型拔管机 起拔阻力 导墙承载力




　　在传统的混凝土防渗墙施工方法中，对墙段接头的处理都是用套打一钻的方法（钻凿法），这种方法不仅成本高，而且工效慢，尤其是对于深度起过60m的深墙，钻凿法的施工难度很大，防渗墙的槽段连接质量不易控制。多年来施工单位都在寻求一种经济、高效、高质的墙段接头施工工艺，用拔接头管的方法来处理防渗墙接头就是其中之一。这种方法的优点是接缝质量好，避免了混凝土和钻凿工时的浪费，具有工效高、成本低的特点，但由于技术难度大、施工风险高，这项技术在国内一直没有大量应用。中国水利水电基础工程局科研所针对尼尔基水利枢纽防渗墙工程的需要，2002年研制出BG350/800型拔管机（最大起拔力350t、接头管直径800mm），并在尼尔基、黄壁庄等工程中成功应用，使这一技术有了重大突破。不仅保证了拔管成功率100%，最大拔管深度也已达63.5m，创造了国内记录，并且还有继续加深的余地，此项技术已获国家专利。

1 BG350/800型拔管机的性能、特点

1.1 G350/800型拔管机的研制
　　在研制BG350/800型拔管机之初，我们进行了大量的调研。1982年在葛洲坝水利枢纽大江围堰防渗墙施工时，曾用拔管法施工了Φ800mm的接头孔，中国水利水电基础工程局先后在铜街子电站、水口电站、润阳大桥等工程中试验了拔管法施工工艺。这些拔管机的工作方式基本上都采取了抱紧顶升的方式。拔管机的工作方式基本上都采取了抱紧顶升的方式，其情况列于表1。
　　在调研过程中，我们发现采用抱管顶升的工作方式进行拔管存在许多隐患。抱管顶升方式是靠抱紧圈在摩擦块与管壁之间施加摩擦力来达到提升的目的，起拔力受到多方面的限制。当拔管需要较大起拔力时，就需要很大的抱紧力以形成足够的摩擦力，管壁因受到过大的径向挤压而容易发生变形，或出现“打滑”现象。越是需要大起拔力的时候越容易发生“打滑”，这对于拔管施工是最危险的。因此我们在设计方案的选择时采取了直接顶升方式，同时在油泵的工作方式、顶升卡块的卡入形式、接头管的连接形式等许多方面做了新的探索和实践，见图1。
　　接头管每节之间的连接方式，通常有周边受力和中心受力两种方式。这种连接方式具有受力状态好、剪应力小等特点，拔管时的安全性好，且操作方便。接头管在槽内的垂直度不好时，多销连接（周边受力）会使起拔力过大地集中到一个销子上，容易形成应力集中致使铁销断裂而将接头管埋入槽内。我们选用中心受力的单销连接方式，在起管过程中连接部位始终处于拉力状态，几乎不存在剪应力，销子在实际工作时所受的力不会超过设计所允许的力，增加了接头施工的安全性，同时单销比多销对位容易，便于拔管时的拆装作业。
　　液压站的设计使用了大、小两个油泵，大油泵主要用于正常的起拔，小油泵用于拔管初期，在顶升过程中两个油泵还可以同时工作。在拔管初期使用小油泵工作，以15mm/min的速度微动。连续的微动起拔，控制了混凝土与管壁凝聚力的过度增长，解决了初拔时机难以准确测定的难题，避免了铸管现象的发生。并且在混凝土凝结过程中的微动提升会将管壁所受的摩阻力连续地反映到油压表上，如果发现起拔力偏大就表明必须用大油泵进行正常的快速起拔，等于在地下安了一双眼睛，使拔管工艺变得易于控制、安全可靠。
1.2 B350/800型拔管机性能参数
　　最大起拔能力：350 t；
　　拔管直径：Φ800mm、Φ600mm、Φ400mm、Φ300mm；
　　拔管深度：50m；
　　拔管提升速度：80cm/min
　　油缸行程：80cm；
　　电动机功率：38.5kW；
　　液压站尺寸：1.3m×1.1m×1.35m (长×宽×高)；
　　拔管架尺寸：1.8m×1.8m×1.7m (长×宽×高)；
　　液压站重量：1.4 t；
　　拔管架重量：6.5 t。

2 起拔阻力的影响因素

2.1起拔阻力的组成
　　正确地分析槽内接头管起拔阻力的组成，在施工中分别加以控制，是拔管施工的重点。接头管的起拔阻力主要由接头管自重、流态混凝土的侧向挤压摩阻力和静态混凝土的凝结力三部分组成。槽孔深度越大，接头管自重越大，混凝土的侧向压力也越大，管壁与混凝土的接触面积越大。侧向压力是指混凝土尚为流态时形成的压力。拔管初期因下部早浇混凝土已经没有流动性，因此侧向压力主要产生在上部后浇混凝土中。接头管自重和侧向挤压摩阻力是随槽孔深度而增加的，与深度呈线性关系，不是影响起拔力的最主要因素，从尼尔基、黄壁庄等工程的实践看也是这样，对于35m深度的槽孔这两个压力对起拔力的影响仅在20t左右。
　　拔管初期槽孔内的混凝土基本上处于三种状态，上部是流态，中部为塑性状态，下部为稳定状态。这三种状态的混凝土都对起拔力造成不同程度的影响，如图2示。
　　通过上面的分析可以看出，起拔阻力是由多种力量组成的，其机理非常复杂，但可以用下面的公式简单地表示：

F=F1+F2+F3+F4 （2.1.1）
其中 F1态、塑态混凝土的挤压摩阻力；
F2表示塑态、静态混凝土的凝结阻力；
F3表示接头管自重；
F4表示接头管倾斜或发生弯曲变形时，为克服径向分力所需要的起拔力。

　　流态、塑态混凝土的摩阻力（F1）是流体侧向压力形成的摩阻力，与孔深和混凝土浇筑速度有关，它与开始起拔时间关系不大。接头管自重（F3）是相对固定的，因此影响起拔力最主要的因素是混凝土与管壁的凝结力和接头管的垂直度。而这两个因素都与开始拔管的时间密切相关，所以控制好开始起拔的时间是拔管成败的关键。
2.2混凝土与管壁间凝结力
　　混凝土强度发展的越快，与管壁的凝结力增长越快，其起拔力增长的也越快，主要影响因素是混凝土的环境温度、配合比、外加剂、人为配料误差等。研究早期混凝土的强度发展规律，对拔管工艺来讲是十分重要的。
　　混凝土的凝结与硬化是随水泥的水化作用而发展的。混凝土拌和后，随着时间的延续，逐渐丧失其流动性而过渡到固体，这个过程称为凝结，把凝结成固体以后的强度增长过程称为硬化。凝结和硬化的区别很不明显，并没有明确的物理变化或化学变化来区别它们。
　　混凝土进行拌和后，水泥立刻进行水化，未水化的水泥与水反应在某种限度内持续进行，这种水化过程极其复杂，但可以划分为以下四个阶段。
　　第一阶段是快速反应期，从加水混合开始，大约持续5min。在这个时间内，水泥颗粒表面大部分被硫铝酸钙的凝胶状水化物所包裹，此后反应迅速地慢下来；
　　第二阶段是持续30min到2h的静止期。这个时间内薄膜的水化物增加，水泥浆渐渐失去其流动性；
　　第三阶段是在第二阶段增加了厚度的薄膜破坏后，再度加快水化速度，在水泥微粒之间形成了网络结构。初凝、终凝是在这个阶段发生的；
　　第四阶段是网络结构的间隙被水化物所填充，增大了强度。这个过程是水与未水化的水泥反应在某种限度内持续，但水化速度慢慢地减少。
　　很明显，拔管必须是在第三个阶段中进行的。我们通过大量的室内试验表明，混凝土的塌落度一般在搅拌后4h左右损失为零，在6h后的混凝土基本上是稳定的，但这时还不是初凝。当贯入阻力达35kg/cm2时所经历的时间即为初凝；而贯入阻力达280kg/cm2时则为终凝，大体上相当于混凝土抗压强度为0.7MPa的时间。从室内试验和拔管工程的实践看，开始拔管的最佳时间是在槽内混凝土已经稳定之后、初凝之前进行，这时的混凝土不会发生溜槽、缩径等现象，而且与管壁的胶结力也较小，拔管施工是安全的。若在混凝土初凝之后开始起拔，混凝土与管壁的胶结力会增加很大，因此应尽量避免在初凝后起拔，那种认为起拔力越大、孔壁越稳定而过度延长初拔时间的做法是非常有害的。终凝之后再开始拔管的做法要绝对禁止。
　　接头管在槽孔内相当于模板。要使拆模后的混凝土能够自稳，混凝土必须达到相应的强度；要使混凝土与管壁的胶结力在起拔力的安全范围之内，又不能使混凝土强度太高。为了能方便地决定现场的拆模时间，人们提出了成熟度来预测混凝土的强度，其原理是水泥水化程度取决于养护温度和养护时间，从而决定了混凝土强度的发展。而成熟度是养护温度和养护时间的函数，如下式所示：

M(t)=∫0t( T - T0 ) dt （2.2.1）

　　式中，M表示混凝土成熟度；T表示养护温度；T0表示水泥水化停止、混凝土强度发展停止的温度（一般为-10℃）；t是养护时间。为了便于在实际生产中应用，在假定养护温度为恒温时，公式可简写为:

Ｍ＝（T+10）△t （2.2.2）

　　其中△t表示以在温度T条件下养护的时间。这个公式提供了一个经验，在混凝土配方确定之后，温度和时间是混凝土强度发展的最主要影响因素。
　　由试验资料分析：当T△t=100前后，压应变急剧下降，这个时间相当于混凝土的终凝时间；T△t =140～160左右相当于混凝土刚开始硬化；T△t=200～260之间，对应于混凝土表现出脆性的时期。当早期混凝土的成熟度达到100时（在24℃时早期混凝土的成熟度达到100大需要7h～8h左右）。这时混凝土与管壁的胶结力将是影响起拔力的重要因素。
2.3头管垂直度对拔管的影响
　　当端孔孔壁在造孔过程中发生坍塌时，会使孔型不规则。由于混凝土浇筑时侧向压力的作用，容易造成接头管偏斜或挠度弯曲。随着时间的延长，混凝土强度逐渐提高，拔管时的起拔力必须足以破坏侧向混凝土或原始地层的结构，使接头管顺直才能拔出。这种起拔力对应于公式（2.1.1）中的F4，它的大小与接头管的垂直度和起拔时间密切相关，控制不当，这个起拔力会发展的非常大，是拔管施工安全的最重要影响因素。
　　对接头管的偏斜应本着预防为先的原则，下管时就应采取纠偏措施。槽内混凝土开浇后发生接头管偏斜时的解决措施是提前微动起拔，在混凝土尚未完全凝结之前通过垂向的起拔力重塑孔形，使接头管尽可能地垂直或顺直。当然最好在加工接头管时增加接头管接头部位的加工精度，或加大单管的长度，从而提高接头管的抗弯刚度，这是拔管施工之前应该做的。
　　当发现接头管倾斜角度较大而无法纠正时，应调整拔管架的角度，使起拔力的方向平行于接头管的轴线。工况不同，接头管受力情况是完全不同的，应在施工中追求最佳工况。

3 槽孔导墙的承载力

　　混凝土导墙是拔管架的基础，对拔管工艺的成败起到重要的约束作用，无论拔管机的起拔能力有多大，最后都要施加到导墙上。因此拔管法对导墙的承载力提出了严格要求。
　　导墙承载能力可以按条形基础梁计算，具体计算方法可参照《建筑地基基础设计规范》（GBJ7-89）和《混凝土结构设计规范》（GBJ10-89）进行。
　　对于防渗墙导墙施工，应注意以下几点：
　　⑴墙混凝土强度等级不宜小于C15，断面以梯形结构受力较好，顶部宽度不小于50cm，高度不小于1m；
　　⑵墙顶面和底面的纵向受力钢筋，应有2～4根通长配筋，钢筋间距20～30cm，其总截面积不宜小于23cm2。且必须配箍筋，箍筋间距不宜大于50cm；
　　⑶地基较松软时，导墙断面也可浇成“L”型，这样可增加拔管荷载与地基的接触面积，地基压强减小，基础的稳定性提高，最大承载力可提高5%～20%；
　　⑷两导墙之间设置牢固支撑，防止导墙内倾，增加导墙抗滑能力，最大承载力可提高36%～40%；
　　⑸浆面高低对槽壁稳定有重要影响，应尽可能提高泥浆面；
　　⑹果导墙承载力不能满足拔管需要，可以通过加大拔管机底座面积的办法来分散拔管荷载，但拔管架底座太大，移动时比较麻烦。

4 防渗墙拔管施工

　　在尼尔基工程施工第一套接头管时，我们在混凝土开浇后5h开始以15mm/min的起拔速度微动拔管，这时油压表指示不大于2MPa(起拔力约30t)，拔起150mm后停拔30min。如此反复进行试验，以确定合适的开拔时间。尼尔基防渗墙工程最后确定初始起拔时间在混凝土开浇后的7h，这时的拔管力在90t左右。在黄壁庄防渗墙工程中我们确定初始起拔时间也在混凝土开浇后的7h，这时的拔管力在100t左右。
　　在拔管施工时，有如下几点需要注意：
　　⑴拔管过程采用起拔力和凝结时间双限法进行控制，追求最佳起拔力和最佳起拔时间是工艺成熟的关键。最佳起拔力是指形成良好孔形的最低起拔力；最佳起拔时间是指可以形成良好孔形的最短时间。较深的孔是可以通过较低的起拔力形成良好的孔形的，换言之，孔的深度不是影响起拔力的主要因素。
　　⑵在较低压力下形成良好的孔形，是拔管工艺的关键技术。起拔力越高、孔形越好的认识是错误的。如果在3MPa（起拔力约45t）下可以形成良好孔形，就没有必要将压力升至4MPa（起拔力约60t）或者更高，依次类推。从黄壁庄工程已经完成的10个较深接头孔的起拔情况看，拔53.5m深的接头管（Ф800mm）只需80t的起拔力即可形成很好的孔形。
　　⑶当接头管在槽内发生偏斜而无法纠正时，死拉硬拔的做法是错误的，这时应尽快将拔管架垫至与接头管方向一致后再起拔是最有效的措施，禁止垂直起拔。
　　⑷起拔过程的精心操作非常重要。小泵起拔时间长了起拔力会缓慢增加，这时应用大泵快速起拔以降压，将压力降至安全的压力范围内。合理的操作过程，是确保在低起拔力下形成良好孔形的关键。当起拔力达到预定值后的起拔过程应是连续的，要合理使用大、小泵来控制起拔力和起拔速度，并使拔管作业与其它设备（如吊车）相配合。
　　施工中，每一个接头孔拔管结束后，我们马上对孔深进行测量，发现每个孔都有不同程度的淤积。因此，在尼尔基工程76#槽孔的拔管是在混凝土开浇后10h后开始的，这时的最大起拔力达到240t，如此大的起拔力是很危险的，如果导向槽不能承受如此大的压力，就可能造成铸管事故。尽管如此，76#槽孔两端的接头管拔完后测量孔内沉淀也都大于1m，这说明孔内沉淀并非混凝土溜槽所致。通过观察分析，孔内沉淀的成因主要有如下三个方面：
　　⑴孔内泥浆中固体颗粒的沉积，这个沉积过程从下管开始一直到拔管结束，泥浆中的含砂量越大沉积越厚。
　　⑵二期槽孔一侧与槽前后侧混凝土的塌落，这部分混凝土是沿孔壁垂向贴立的，受固壁泥皮的影响其自稳性很差，孔型越差塌落的体积越大，同时也伴有原始地层的坍塌。
　　⑶起管完毕后，槽口松散淤积物的涌入。

5 结　语

　　防渗墙拔管技术是一项综合性的技术。它不仅包括拔管机具的设计、制作，还包括了对起拔力的控制、混凝土早期强度发展规律、导墙承载力等一系列技术内容。
　　拔管技术研究所获得的许多经验也适用于防渗墙接头板工艺。
　　在这此BG350/800型拔管机研制中，实现了多项技术创新，使防渗墙拔管技术获得了关键性突破，从而确保尼尔基水库、黄壁庄水库防渗墙接头拔管施工顺利进行，100%成功，最大深度达63.5m。这是拔管技术在我国大型混凝土防渗墙工程中首次大规模和全面使用。它标志着这项开发研制多年、推广多年的技术，终于走向成熟。

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