水下不分散混凝土施工工法

《水下不分散混凝土施工工法》是由天津第三市政公路工程有限公司、天津第七市政公路工程有限公司完成的工法；作者分別是劉虎、汪浩波、賈明浩、孟新奇、錢林玉；該工法適用於深水基礎作業圍堰封底；水中承台、水中底板等水下結構的澆築。

《水下不分散混凝土施工工法》主要的工法特點是：降低水下不分散混凝土設計強度，通過調整導管數量調整施工速度，調整不同澆築階段的混凝土坍落擴展度控制混凝土澆築表面的平整程度，增加混凝土抗壓力水侵蝕能力。

2009年10月19日，《水下不分散混凝土施工工法》被中華人民共和國住房和城鄉建設部評定為2007~2008年度升級版國家一級工法。

基本介紹

• 中文名：水下不分散混凝土施工工法
• 完成單位：天津第三市政公路工程有限公司、天津第七市政公路工程有限公司
• 主要完成人：劉虎、汪浩波、賈明浩、孟新奇、錢林玉
• 類 別：工程建設類
• 工法編號：YJGF32-98
• 審批單位：中華人民共和國住房和城鄉建設部
• 主要榮譽：升級版國家一級工法（2007-2008年度）

形成原因

隨著中國基礎建設的發展，跨江、跨河橋樑日趨增多，橋樑深水基礎施工作業也越來越多。其中防水圍堰雖是一種臨時結構，但在橋樑深水基礎施工中的地位卻十分重要。自武漢長江大橋首次採用鋼板樁圍堰修建深水基礎取得成功後，在其他工程中又陸續出現雙壁鋼圍堰、異形鋼圍堰、雙壁混凝土圍堰、鎖口鋼管樁圍堰等多種圍堰形式。不管使用哪種圍堰形式，封底用水下不分散混凝土的質量對整體圍堰的效果至關重要。天津第三市政公路工程有限公司、天津第七市政公路工程有限公司在新的工程中對該工法進行了升級和改進，將原來的單導管水中澆築工藝更新為雙導管澆築工藝，在新工藝下，能直接使用普通混凝土原材料進行施工，而且混凝土的質量控制方案更加完善，混凝土質量更加可靠、施工難度大幅降低、適用範圍進一步擴大。該工法在安徽荊塗淮河大橋雙壁鋼圍堰封底混凝土施工中得到了很好的檢驗。天津第三市政公路工程有限公司、天津第七市政公路工程有限公司在工程經驗的基礎上完成了《水下不分散混凝土施工工法》。

工法特點

《水下不分散混凝土施工工法》具備以下特點：

1.可以直接使用鑽孔灌注樁用導管，將導管插入到已澆築的混凝土中，並抽乾導管內的水，使混凝土澆築時避開壓力水直接沖蝕，保證混凝土的質量。

2.實測混凝土在水中和陸地上的強度比達到95%以上，高於標準規定的70%要求，因此套用該工法可以降低水下不分散混凝土設計強度。

3.可通過調整導管數量調整施工速度，通過調整不同澆築階段的混凝土坍落擴展度控制混凝土澆築表面的平整程度，整個施工過程可靠、可控。

4.採用抗分散劑改善普通混凝土不耐壓力水流侵蝕的缺點，澆築後混凝土結構不滲、不漏，實體混凝土強度滿足設計要求。

操作原理

適用範圍

《水下不分散混凝土施工工法》主要適用於深水基礎作業圍堰封底；水中承台、水中底板等水下結構的澆築。

工藝原理

《水下不分散混凝土施工工法》的工藝原理有以下四點：

1.將混凝土導管插入到已澆築的混凝土中，並抽乾導管內的水，使混凝土在澆築時避開壓力水的直接沖蝕，從而保證混凝土澆築質量。

2.可根據施工進度要求、混凝土供應速度等實際情況，採取滿鋪導管或採取雙導管輪換制度，控制施工進度。

3.根據施工要求，調整混凝土配合比參數，使混凝土適於施工，並根據施工的不同階段，調整混凝土施工參數。

4.採用優質抗分散劑，增加混凝土抗壓力水侵蝕能力，使澆築後的混凝土結構不裂、不滲、不漏。

工藝流程

《水下不分散混凝土施工工法》主要施工流程為：結構分析→混凝土配合比設計→澆筑前準備→水下不分散混凝土澆築及施工控制。

操作要點

• 結構分析

1.封底類型選擇：圍堰封底的按照封底時間先後順序可以分為先封底（在灌注樁施工前封底）和後封底（在灌注樁施工後，承台施工抽水前封底）兩種情況。對於深水基礎雙壁鋼圍堰施工來說，一般情況下都是在圍堰下沉到位後，及早封底，然後施工樁基，以確保圍堰穩定及安全渡汛。另外，按照封底作業條件，圍堰封底可分為濕封底（水下封底）和乾封底兩種；對於深水基礎雙壁鋼圍堰封底，大都是在圍堰抽水前進行封底，所以基本都是水下濕封底的情況。

2.水下先封底特點：雙壁鋼圍堰水下封底水下帶水施工，作業條件較差；混凝土受圍堰內水深、水溫、水流流速及河床地質條件等影響較大；圍堰水下封底面積較大、厚度較厚，封底工作量大、持續時間長；圍堰水下封底質量要求高，必須確保質量可靠，水下封底施工的成敗直接影響鋼圍堰施工的成敗。

3.對封底混凝土的要求是：

（1）水下澆築混凝土，要滿足水下抗分散、不離析，自流平、自密實，緩凝、防裂等特點和要求。

（2）水下導管法灌注澆築，混凝土拌合物的性能要好，可以說封底混凝土的性能是圍堰水下封底成敗的關鍵。要求混凝土和易性、泌水性及流動性等滿足施工要求：不離析、不泛漿、不結板、和易性好。

（3）混凝土施工配合比，根據封底混凝土強度要求，強度等級不低於C25；初凝時間不小於20小時；混凝土坍落度宜控制在160~220毫米之間：首封初期坍落度（180±20）毫米，擴散度在50厘米左右；中期坍落度（200±20）毫米，擴散度在600毫米左右；末期坍落度（220±20）毫米，擴散度大於600毫米。

• 水下不分散混凝土配合比設計

1.常規材料要求

水泥符合《通用矽酸鹽水泥》GB175-2007要求的42.5級普通矽酸鹽水泥。

粗骨料符合《建築用卵石、碎石》GB/T14685-2001的連續級配的碎石或卵石，優先使用卵石，當卵石不容易得到時，也可以使用質量堅硬的軋制碎石，施工時採用二級配碎石。

細骨料符合《建築用砂》GB/T14684-2001的天然河砂，細度模數在2.5~3.0為宜，含泥量不大於2.0%。

拌合用水使用普通自來水即可，無法得到自來水時，應對所用水體水質進行分析，滿足《混凝土用水標準》JGJ63-2006要求即可使用。

2.抗分散劑

（1）必要性。抗分散劑是增加水下混凝土抗水洗性能的關鍵材料，雖然採用該工法可以使絕大部分混凝土不與水直接接觸，但在壓力水作用下，普通混凝土還是無法抵抗水的侵蝕。在模擬澆築試驗中，我們曾經使用普通混凝土泵送劑代替抗分散劑進行水下混凝土澆築試驗。但實驗結果證明不使用抗分散劑的普通混凝土不能滿足深水作業的高抗分散要求。

（2）抗分散劑品種。目前市場上主流的抗分散劑（也叫絮凝劑）是有機聚合物類產品，常見的有四種，聚丙烯系列、聚丙烯接枝改性系列、多糖系列和纖維素系列。1998年工法使用的是聚丙烯系列，但黏度過大，不易攪拌均勻，澆築時混凝土容易結團，靜止情況下擴展度不好。該工法中採用的是聚丙烯接枝改性系列的抗分散劑，相對於第一代的抗分散劑在減少拌合時間、降低流動性損失、提高水陸強度比、減少單方混凝土膠凝材料用量等性能方面，有明顯優勢。

（3）抗分散劑技術要求。摻加抗分散劑後的混凝土應滿足下表要求。

摻加抗分散劑混凝土性能要求

試驗項目		性能指標
流動性	坍落度，毫米	≥220
	坍落擴展度，毫米	≥550
凝結時間，小時	初凝	≥5
	終凝	≤30
抗分散性	水泥流失量，％	<1.5
	懸濁物含量，毫克/升	<150
	pH值	<12
水下成型混凝土試件與空氣中成型試件的抗壓強度比，％	7天	>60
	28天	>70
水下成型混凝土試件與空氣中成型試件的抗折強度比，％	7天	>50
	28天	>60
含氣量，％		<4.5

3.配合比設計

（1）配合比設計

參照《普通混凝土配合比設計規程》JGJ55-2000標準進行。

水下不分散混凝土配合比設計與普通混凝土配合比設計的主要不同在於計算試配強度時需考慮水陸強度比，該工法計算時採用的水陸強度比為0.9，（標準推薦值為0.6~0.8，本工程最後通過鑽芯實測的水陸強度比為0.96.）。計算公式為：

式中：——普通混凝土擬配強度；

——混凝土設計強度等級；

——水下混凝土擬配強度；

——混凝土強度標準偏差。

（2）試配驗證

對設計的基準配合比按《水下不分散混凝土試驗規程》DL/T5117-2000標準驗證其抗分散性能，具體驗證項目及技術要求見上表。

除此之外，混凝土的自密實、抗離析性能需滿足《自密實混凝土施工與設計指南》CECS02-2004標準規定的Ⅰ級要求。

• 澆筑前準備

封底前，潛水員套用高壓水槍和鋼刷對圍堰刃腳、護筒、基底等進行認真清理，確保封底混凝土與之緊密結合。對基底淤泥用空氣吸泥機清淤，可適當鋪墊碎、卵石層進行壓泥等。在首封導管的底部拋埋編制袋砂包，構築封底混凝土預留坑，坑深1米，直徑1~1.5米，距圍堰內壁1.5~2米，以確保首封混凝土質量。

1.當圍堰基底為岩石時，樁基護筒在沒有土層的情況下插入基坑，應在封底混凝土澆筑前進行如下處理：①水下焊接：將護筒與護筒、護筒與鋼圍堰用角鋼等進行連線，避免混凝土澆築時護筒發生位移；②護筒內封：護筒定位後，用編織袋內裝黏土填充於護筒內，填充高度與封底混凝土相同，防止封底混凝土進入護筒。

2.鋼圍堰水下封底混凝土採用剛性導管進行灌注，導管在鑽孔工作平台上預先分段拼裝，吊放時再逐漸接長，下放時保持軸線垂直。導管口下沉至基底（岩）面後提升到距離底面15厘米左右，然後用浮吊或吊車起吊導管進行插拔。

3.混凝土生產組織。考慮封底混凝土數量和施工工藝，現場計畫採用4台攪拌機進行現場攪拌拌合，提供大量封底混凝土供應；同時考慮若攪拌能力還跟不上封底施工或中途出現機械故障，則由附近攪拌站協助供灰。這樣，充分保證封底混凝土施工過程中的混凝土供應能力，確保封底施工連續、高效，並儘可能縮短澆築時間。混凝土的各種原材料必須做好儲備和庫存，不得間斷或缺料。

4.混凝土運輸。混凝土的運輸採用混凝土運輸車和小翻斗車進行運輸到現場岸邊，在岸邊設定混凝土地泵將混凝土泵送入澆築導管。泵送管道沿浮橋鋪設到鋼圍堰頂面，在泵送管道端部接橡膠軟管將混凝土直接送到澆築導管內，橡膠軟管可以隨澆築導管的推進而移動。

• 水下不分散混凝土澆築及施工控制

1.封底混凝土施工前，抽水降低圍堰內的水頭高度，抽水1~2米左右，以增大混凝土下落高度差；同時增加護筒內的水頭，以增強鋼護筒抵抗澆築混凝土的強度，且在澆築混凝土前必須將所有鋼護筒上口與工字鋼平台進行固定連線，防止鋼護筒受澆築混凝土擠壓傾斜。現場混凝土澆築過程中，圍堰內水頭將不斷增高，間隔一定時間必須進行抽水，以保證混凝土下落高度差。

2.嚴格按照水下澆築混凝土導管法進行施工，用2根（也可布置多根導管提高施工速度）導管進行澆築。第一根導管採用砍球法進行首封埋置導管施工（首封混凝土約4立方米）；第二根導管採用插入已澆築的混凝土內進行埋置，並用水泵抽乾導管內的水進行乾管法澆築混凝土施工。導管選在附近基底較低處壓水（剪球），採用砍球法進行壓水，首封混凝土導管計算最小埋深0.8米，首封混凝土數量不得小於5立方米。

3.水下封底混凝土澆築採用整體斜面法，沿圍堰長度方向從下游開始，橫向全斷面整體逐步推移，向前澆築。封底混凝土施工採用從圍堰內一端開始澆築，一次性澆築到設計厚度，然後整體斜面法從一端向另一端逐步推進施工。第一根導管計畫選擇從圍堰內的西南角（C點）最底處開始下設，第二根導管沿圓弧段前進，下一根導管交叉前進，當圓弧段一端橫向斷面形成後（整體斜面），然後再依次縱向推移。澆築點平面示意圖如下圖所示。

導管布置圖

4.第一根導管下設時，導管下連線埠距澆築底面10~15厘米高，上端超出工字鋼平台以上，下灰料斗做支撐架架設於工作平台上，導管利用浮吊或吊車吊系和提升。澆築混凝土時，第一根導管首封后應連續灌注，導管埋入混凝土內深度控制在2米以上，澆築過程中導管提升高度儘可能小（一般為20~50厘米），速度要緩慢，以滿足導管可以下料為準，絕對不能將導管拔出混凝土面進行澆築；同時防止堵管。澆築時，可以將導管上下搗動搗動，以排除導管內空氣，加快下料進度，同時可以密實澆築完的混凝土，並使其向四周擴散流動，保證澆築質量。

5.混凝土的澆築原則：由低向高，先周圍後中間，嚴格控制混凝土澆築高差，密切注意混凝土擴散；在導管澆築混凝土時，嚴防附近未澆導管進入混凝土，導管停注間隔時間不宜超過30分鐘。

6.混凝土澆築到設計標高后，應繼續澆築0.5~1.0米高並進行導管上下搗動使混凝土密實和向周圍擴散流平，最終澆築封底混凝土頂面應比設計標高高出30厘米左右。然後將第二根導管交叉插入第一根導管附近約2米距離處，利用已澆築的混凝土進行下端埋置，然後用小體積大揚程水泵抽乾導管內的水，進行乾管導管法澆築混凝土施工。爾後兩根導管交叉前進，依次施工。

7.圍堰水下封底混凝土澆築後期，適當增加混凝土的坍落度，使封底混凝土形成較為平坦的頂面；同時封底混凝土的澆築頂面標高一般比設計標高提高15~30厘米，待鑽孔灌注樁完成後，再抽水鑿除封底混凝土頂面的松弱層至設計標高。

8.澆築混凝土過程中，必須用測繩隨時測量混凝土澆築高度，在平台上布設多個測點位置，標出高程。然後布設測繩，設定測錐，專人負責測量和記錄；每小時定期檢測水下混凝土澆築頂面標高，並以此來掌握混凝土的流動情況，控制導管的埋深等。

9.混凝土輸送採用輸送泵和罐車運輸，必須保證連續不間斷供應。混凝土澆築現場技術值班人員應與測量人員一道進行澆築混凝土厚度測量和控制，根據現場澆築情況和測量記錄，合理選擇和控制導管插拔位置與時間，並決定導管交叉推進進程。

10.現場成立鋼圍堰封底指揮中心和嚴密的組織系統：將供料、拌和、運輸、起重、測量、技術、質量、設備、安全等工作統一起來，統一組織，統一指揮，明確崗位職責，落實到人，使封底工作有條不紊地進行。對封底中常出現的首封堵管、中途堵管、導管進水、掉管及泵送堵管等問題，提前制定預控措施，並做好技術物質儲備等。

11.澆築完圍堰內封底混凝土後，再進行圍堰外周嵌封混凝土的澆築（外封底）。澆築工藝同樣採用導管法水下混凝土施工技術，四周應對稱、同時、同步進行，澆築時必須先將鋼圍堰穩定牢固，且配重應加大，防止周圈嵌封混凝土澆築時圍堰上浮或移位。

材料設備

《水下不分散混凝土施工工法》所用主要材料設備有：

1.鑽孔灌注樁機、導管、起吊設備、水泵

利用鑽孔灌注樁機將鋼護筒定位，用起吊設備將鋼圍堰等就位，現場準備小體積大揚程水泵抽水。灌注用導管為剛性鋼管，內徑Φ273毫米，壁厚5毫米。

2.混凝土攪拌機、運輸車、泵車

根據澆築進度，安排兩套120立方米/小時的攪拌系統、8輛運輸車和3台47米混凝土輸送泵（一台備用）。

3.測桿、測繩

利用測桿和測繩進行混凝土厚度的隨時測量，確保混凝土澆築高程。

質量控制

《水下不分散混凝土施工工法》的質量控制要求如下：

1.質量控制標準

施工嚴格應按照《公路工程橋涵施工技術規範》JTJ041-2000進行，質量控制符合《鋼筋混凝土施工及驗收規範》GBJ204-83、《地下防水工程施工及驗收規範》GB50208-2002。

2.質量控制措施

建立科學管理機制和相應的施工質量檢測機制，制定相應的質量保證預案，有預警機制。配合比經過充分驗證、模擬後方允許正式生產，施工組織設計充分論證、研討，並經過試澆築檢驗後方正式施工，把所有可能產生影響的因素都考慮到位，儘可能減少可能出現的問題。

混凝土澆築應一次連續完成，沒有重大情況不得中途停止，應做好混凝土原材料的質量驗收，注重施工前和施工中全過程控制，以預防為主，加強對工作質量、工序質量等的檢查，促進工程質量。事前控制重點是做好施工準備工作。過程控制則全面控制施工過程，重點控制配合比驗證、封底效果、實際澆築厚度、插拔管時機等關鍵工序。

安全措施

使用《水下不分散混凝土施工工法》施工時，除應執行國家、地方的各項安全施工的規定外，尚應遵守注意下列事項：

1.必須嚴格遵守施工現場的各項安全規定，尤其是深水區水中施工，必須設立專門的安全管理隊伍，實行進入現場人員掛牌制度，進出現場的所有人員必須予以登記，專職安全員應該全過程巡視施工現場，防止人員落水。

2.對抽水泵電路的管理作為安全管理重點，由專業電工進行電路的鋪設和電閘箱的安裝，電纜的布設要防止車輛碾壓，對電纜，特別是水中電纜要嚴格檢查，嚴防電纜漏電，電閘箱漏電保護裝置必須每工班測試一次。

3.現場施工統一指揮，並具有科學合理的安全施工措施和預控方案。施工隊每天進行施工安全檢查並做好詳細記錄，提出保持或改進措施，並落實實行。施工人員必須進行崗前培訓和安全技術交底，施工過程中現場指揮人員不能擅自離崗。

環保措施

採用《水下不分散混凝土施工工法》應採取以下環保措施：

1.建立項目經理負責的環境管理組織機構，部門分工明確，環保責任落實到人。制定培訓計畫。定期對參與環保管理的人員進行環境保護專業知識培訓。

2.基礎施工嚴禁向河道內排放泥漿等工程廢棄物，對清底吸出的泥漿和淤泥應委託具備資質的專業公司進行處理。

3.澆築施工中做好設備維護，嚴禁油污河道。

效益分析

採用《水下不分散混凝土施工工法》實現以下的效益：

• 經濟效益

與常規的水下混凝土施工工藝相比，該工法可以降低混凝土強度等級1~2級，單方混凝土造價可以降低20~40元，而且粗集料可以採用普通碎石或者碎石，避免了缺乏卵石地區為進行水下混凝土施工而專門定製卵石的費用。

• 技術效益

相對於常規的水下直接導管澆築或泵管澆築方案，該工法無需特殊機具，就地取材，簡單易行，安全可靠，質量風險小，成功率高，特別適合水深超過10米的深水作業。

• 環保效益

常規的水下混凝土施工工藝中混凝土在澆築過程中不斷的受到壓力水的沖洗，析出的水泥漿對環境水體污染較大，而該工法最大限度的避免了混凝土與水體的直接接觸，減少了對水體的污染，屬於環保清潔型的施工工法。

• 節能減排

該工法提高了水陸比，降低了混凝土設計強度，直接減少了水泥的使用量，符合國家的節能減排政策導向。

套用實例

《水下不分散混凝土施工工法》套用實例如下：

安徽荊塗淮河大橋坐落於淮河中游、素有“淮河三峽"之稱的荊山峽。荊塗淮河大橋全長818米，寬23米，為四車道城市道路特大橋。大橋的主橋部分為預應力混凝土連續鋼構，其中160米的大橋主跨長度列淮河上同類橋樑之最。大橋主墩採用了將基礎放在岩盤上用樁基鑽孔嵌岩的“雙壁鋼圍堰鑽孔複合基礎”，圍堰水下封底頂混凝土面標高在水下14米深處，封底混凝土厚2.5米，長25米，寬14米，總澆築量800多立方米，採用雙導管法水下不分散混凝土施工工藝澆築，後經過圍堰內抽水考驗，封底混凝土的施工質量優良，強度及抗浮指標均滿足設計要求，圍堰內不漏、滲水；圍堰安全抗浮，整體穩定，承台乾法施工作業條件良好，截止至2007年，該橋已建成通車3年多，主橋結構穩固。

榮譽表彰

2009年10月19日，中華人民共和國住房和城鄉建設部發布《關於公布2007-2008年度國家級工法的通知》，以文號建質[2009]162號公布《水下不分散混凝土施工工法》為2007-2008年度升級版國家一級工法。