准朔铁路黄河特大桥超大超深拱座基础施工技术与质量控制
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摘要：本文介绍了黄河特大桥超大超深拱座岩石基坑爆破开挖与大体积混凝土基础的施工技术与质量控制，包括爆破分层、出碴方法，混凝土施工的分层与浇筑方案、深基坑开挖质量控制要点和大体积混凝土水化热分析与现场质量控制。
关键词：超大超深基坑、大体积混凝土 基础施工质量控制
Abstract: This paper introduces the construction technology and quality control of the Yellow River bridge abutment rock super large and deep foundation pit excavation and large volume concrete foundation, including blasting stratification, mucking method, thermal analysis and on-site quality control and quality control points of large volume concrete water stratification and pouring scheme, concrete construction of deep foundation pit excavation.
Keywords: super large and deep foundation pit, foundation mass concrete construction quality control
中图分类号：TU74文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）
1.工程概况
1.1结构介绍
准朔铁路黄河特大桥位于河曲县龙口水库上游6.5Km，属于库区范围。
该桥由引桥及钢管拱主桥组成，全长655.53m。桥跨布置形式为（2×24m＋3×32m）预应力混凝土T梁＋1×380m上承式钢管混凝土拱＋（2×32m+2×24m）预应力混凝土T梁。
主桥采用钢管提篮拱结构形式一跨跨越黄河，拱座尺寸为35×23.6×20.3米，基坑最大开挖尺寸49.4×45.5m，基坑开挖深度40m，开挖量共计土方3500m3，石方94318m3，属于深、大基坑爆破开挖。
1.2地形地貌
桥址处河道横断面成U型,河道上口宽330米，下口宽300米，两岸悬崖陡壁，岸边高出河底约65米；蓄水水位线标高898.25m，超出基底标高1m。5#拱座位于东岸，距离河岸线25.52m，为台阶状地形；6#拱座位于西岸，距离河岸线11.38m，处在冲沟沟底，基础两侧为陡坡，高约40m。
1.3气候水文条件
施工地区属中温带亚干旱区，区内降雨稀少，气候干燥，夏季炎热，冬季寒冷，冬春两季多风，蒸发量大；7～9月偶有暴雨，因地表植被不发达，暴雨天气地表水流量较大，易形成冲沟。
1.4地质条件
所处地面新黄土及强风化岩，最大厚度为7米。基顶覆岩厚度为16～18米，节理较发育，有明显裂隙，抗压强度在60～80MPa左右,普氏等级系数f为6～8；基顶至基底段均为弱风化石灰岩，岩层产状平缓稳定，节理不发育，无断层、明显裂隙、地下水等不良地质情况，基底持力层为完整连续的弱风化石灰岩，抗压强度在80～100MPa左右，其普氏等级系数f为8～10;整个岩体自然稳定坡角线为75°。
2.施工方案
2.1拱座基坑开挖施工方案
拱座基坑石方开挖采用预裂爆破和松动爆破相结合的方法，挖机配合施工，履带吊出碴，自卸汽车外运至两岸征用的弃碴场；
图2-1 基坑开挖示意图
拱座地表土及松散的风化岩石用挖掘机清除，基坑口至拱座混凝土面以上的基坑坑壁为有个别裂隙的石灰岩，采用1：0.26的坡度放坡开挖，拱座混凝土范围内的基坑坑壁为完整岩石，按设计基础轮廓线开挖。
基坑开挖采用预裂（光面）爆破与深（浅）孔松动爆破相结合的方法施工。
根据工程特点及地质情况，分为放坡爆破段和垂直爆破段。开挖方案设计分四次爆破，如图2-1所示，
拱座均分为四层进行爆破，其中第一次爆破由地面至基顶，爆破平均深度达14.5m，需按自然稳定坡角线刷坡防护，基坑上口开挖垂直桥轴线方向尺寸为45.5m，顺桥向尺寸为35m～46m不等；第二、三、四次爆破根据基础形状进行分层，爆破深度6～7m，受基坑尺寸制约，考虑到潜孔钻机的作业空间，第二、三、四次爆破的预裂爆破应作一次爆破；因四次爆破均属于深孔爆破；考虑到岩层厚度在0.5～1m范围内，基底留1.5m进行浅孔松动爆破，最下0.5m采取人工配合机械破碎的方式开挖，以防止基底岩层受到破坏。
基坑出碴选用履带吊垂直出碴，挖机配合开挖装车，自卸汽车外运；东岸设挖机进出马道，西岸以履带吊吊运挖机进出基坑。
2.2拱座混凝土浇筑方案
拱座混凝土分两期浇筑，一期混凝土浇筑强度等级为C30混凝土，浇筑范围为钢管拱S0节段预留槽口以下部分，每个拱座C30混凝土3787m3，一期混凝土分四层浇筑，浇筑高度为分别为2m、3.9m、7.4m、7m, 每层浇注数量分别为2×160.5 m3、2×175 m3、2×411 m3、2294m3。
拱座混凝土采用搅拌站集中拌合，混凝土运输罐车运输，汽车泵输送，布料斗加串筒送料，全断面连续分层法浇筑，泵车匀速将混凝土卸于布料斗。每层浇筑高度不大于30cm，上层混凝土浇筑必须在下层混凝土初凝之前进行。采用插入式振捣棒边浇筑边振捣。每次混凝土浇筑完毕后，养护6-7天，在混凝土水化反应峰期过后再进行下一次浇筑。第一、二、三层采用保温保湿法养护。第四层采用外保内降法养护，即混凝土表面保温保湿，内部用冷却水管降温，保温材料采用棉毡，保湿材料采用塑料薄膜，降温水管采用Φ40mm钢管。
第一层顶部钢筋绑扎采用马凳支撑；第二、三层钢筋绑扎用角钢内支撑作为支架；由于第四层混凝土浇筑体积大，根据热工计算，拟采用冷却水管进行内部降温。故将冷却水管作为立杆，在其上搭设水平杆，用于支撑钢筋。
第三层混凝土内的临时铰预埋钢板可作为外模使用，其内支撑体系采用100×100×6mm角钢独立设置，其内拉钢筋均焊接在预埋板内支撑架上。
二期混凝土浇筑强度等级为C50混凝土（掺加纤维素纤维UF500），浇筑范围为S0节段预留槽口至拱座表面部分，每个拱座浇筑C50混凝土2150m3，二期混凝土采用一次浇筑完成。
3.施工质量控制要点
3.1深基坑爆破开挖质量控制要点
3.1.1一定要按照设计的孔位和偏角实施钻孔，其孔口和偏角误差应控制渣允许偏差范围内，钻孔时，实施全过程监挖。使钻孔“准、正、平、直、齐”。
3.1.2装药前，要先检查每个炮孔的深度，调整单孔炸药量。
3.1.3装药时，要注意起爆炸药的安放位置。预裂孔装药时，应尽量使炸药置于孔中心，若炸药串上绑竹片或木板，则木板或竹片应放在受保护的爆破一侧。
3.1.4装药后，要严格检查堵塞长度，根据检查结果，适当增减用药量
3.1.5堵塞时，要注意选择合格的堵塞材料，堵塞捣固不能用力过猛，严防雷管脚线被破坏。
3.1.6敷设爆破网路时，要特别注意雷管的方向，尤其是雷管与导爆索联接时不能反接。
3.1.7预裂爆破与主爆破区采用合理的间隔时间。一般情况下，预裂爆破要迟于主爆破区25ms以上；预裂爆破要先于主爆破区50ms以上，
3.1.8根据爆破破碎效果的需求，合理调整爆破参数。
3.2拱座大体积混凝土的质量控制
3.2.1拱座混凝土水化热分析
3.2.1.1分四层浇筑结构有限元模型
基坑开挖施工时，根据现场实际地基情况，施工为分四层浇筑，建立有限元模型如图3-1所示，模型共建立节点3906个，实体单元3176个。
图3-1四层浇筑方案时拱座及周围岩层的有限元实体模型
冷却水管布置时考虑到分层情况和预留槽口位置等因素，沿高度方向的层距如图3-2所示，水平间距1米，总体布置情况如图3-3所示。 图3-1
图3-2四层浇筑拱座冷却水管层距
图3-3四层浇筑拱座冷却水管布置图
3.2.1.2工况划分
工况一：四层、无管冷；
工况二：四层、有管冷；
工况三：四层、管冷、表面对流系数减小；
工况四：四层、管冷、水温降低；
工况五：四层、管冷、管径增大；
工况六：四层、管冷、第一层无管冷。
3.2.1.3有限元模拟结果
对拱座混凝土自浇筑第一阶段起至浇筑最后施工阶段混凝土完毕后1000小时进行了水化热模拟分析，
整个施工过程中最高温度达38.60℃，如图3-4所示。最高温度位于节点1479，坐标:X=6.355，Y=15.5，Z=16.7，位于第四层混凝土中间靠上位置（Y方向靠近边坡）。
图3-4最高温度云图
通过对拱座混凝土水化热温度的有限元模拟，分析混凝土水化热温度及应力相关数据后，得出以下结论:
①分四层浇筑方案进行分析所得的最高温度在34.13℃到38.6℃之间，里表温差基本在25℃以下符合规范要求。知混凝土浇筑后三天到五天的时期内温度较高。
②增大混凝土表面对流系数对混凝土芯部最高温度无明显影响，但混凝土表面与大气的热交换速度加快，使得混凝土表层降温较快。若是混凝土表面对流系数值过大，则可能出现表面混凝土降温过快、里表温差过大的状况，使得混凝土表面产生拉应力，出现裂缝。所以大体积混凝土施工中应控制混凝土表面与大气的热交换速度。
③管冷作用
对比工况1和工况2可知，布置冷却水管可使混凝土芯部最高温度降低7℃，有效地降低水泥水化热的影响。
对比工况2和工况4可知仅降低冷却水的温度（10℃到5℃）对混凝土温度变化影响较小；对比工况2和工况5可知增大冷却管管径同时保证冷却水的流速，可使混凝土芯部温度显著降低，里表温差也有明显减小。所以若通过管冷作用有效地降低水泥水化温度需保证冷却水的流速，尽可能增大冷却管的表面积。
④管冷方案的优化
对比工况2和工况6的结果可知，第一层不加冷却水管对拱座混凝土全过程的最高温度无影响，因为本模型的最高温度节点位于第四层混凝土。仅分析第一阶段可以看出，第一层混凝土设置管冷时混凝土高温仅为26.44℃，不设置管冷时最高温达38.2℃，内外温差总体上不超过23℃。
在加强养护的条件下，第一层混凝土不设置管冷，混凝土的温度满足规范要求，里表温度差引起的内部温度应力不大。
3.2.2拱座混凝土施工质量控制
施工质量控制包括一下4个方面：
3.2.2.1控制原材料的质量，选择合适水泥并掺入粉煤灰，使用缓凝早强剂，合理调整混凝土的配合比，减小水化热和提高强度；
本工程采用自建拌合站混凝土浇筑。对主要材料要求如下：
①水泥：考虑普通水泥水化热较高，特别是应用到大体积混凝土中，大量水泥水化热不易散发，在混凝土内部温度过高，与混凝土表面产生较大的温度差，便混凝土内部产生压应力，表面产生拉应力。当表面拉应力超过早期混凝土抗拉强度时就会产生温度裂缝，因此确定大掺量F类Ⅰ级粉煤灰和P.O42.5水泥，通过掺加合适的外加剂可以改善混凝土的性能，提高混凝土的耐久性。
②粗骨料：采用碎石，粒径5-31.5mm，含泥量不大于1%。选用粒径较大、级配良好的石子配制的混凝土，和易性较好，抗压强度较高，同时可以减少用水量及水泥用量，从而使水泥水化热减少，降低混凝土温升。
③细骨料：采用中砂，含泥量不大于2.0%。选用中砂拌制的混凝土比采用细砂拌制的混凝土可减少用水量10Kg左右，同时相应减少水泥用量，使水泥水化热减少，降低混凝土温升，并可减少混凝土收缩。
④粉煤灰：由于混凝土的浇筑方式为泵送，为了改善混凝土的和易性便于泵送，考虑掺加大量的粉煤灰降低水化热、改善混凝土和易性有利，即减少配合比中的水泥用量。按配合比要求计算出每立方米混凝土所掺加粉煤灰量。
⑤外加剂：采用北京建工聚羧酸高性能减水剂。
3.2.2.2利用夜间拌合混凝土，控制料温和混凝土出仓温度；
3.2.2.3分层浇筑，各层混凝土浇筑后12小时内，于混凝土表面覆盖一层塑料布，上覆棉毡并蓄水养生。
3.2.2.4在拱座内安装冷却管，加强混凝土内的温度测量，通过调节水的流速，控制混凝土芯部温度；
冷却水管采用Φ40钢管，冷却水管管路采用回旋形布置，纵桥向间距1.2m，横桥向间距1m，距离基础边缘0.5m。每两排设一个进水口，一个出水口，进出水口高出基础顶面0.2m，水管接头采用丝扣套筒连接。在混凝土施工前，对冷却水管进行通水试压，仔细检查每一个接头，确保管路不漏水。在混凝土浇筑和钢筋绑扎过程中，不得损坏管路，确保供水的连续性。拆除模板后，将冷却水管用同标号水泥浆封堵。
根据混凝土浇筑过程中的测温情况，适时向管内通水，通过水循环，带走拱座混凝土内部的部分热量，使混凝土内部的温度降低到要求的限度。控制冷却水进、出水的温差不大于50℃。以保证降温速率不大于2℃/d，根据测温数据相应调整水循环的速度，以充分利用混凝土的自身温度，即中部温度高、四周温度低的特点，在循环过程中自动调节温差。冷却水管安装时，用钢筋骨架和剪刀撑固定牢靠。
拱座混凝土浇筑时预埋测温导线，测温点布置为十字交叉状，测温点间距为4m，每个测温点分上中下三个高度埋设3条测温线，测温线在混凝土浇筑前绑扎于专用钢筋上，钢筋及测温线均高出本次浇筑顶面20cm，上表面测温头埋入混凝土表面以下20cm处，中心测温线埋于混凝土浇筑层厚度的1/2处，下表面测温头埋于距本次浇筑底面20cm处。并在测温线外露部分按不同深度分别缠上不同颜色的彩色胶带，以便测温时区分。
利用建筑用电子测温仪对混凝土进行测温，在混凝土浇筑完毕后的升温和峰值持续阶段，即开始的3～4天，每隔2小时测温1次；待测温趋于平稳后的降温阶段，每4小时测温1次。当测位的混凝土内外温差不大于200C并趋于稳定时为止。测温内容包括环境温度、混凝土表面（6个面）温度、内部温度等。根据测点编号顺序，记录所测温度数据，
现场测温数据按规定表格如实记录，并及时计算出混凝土实时内外温差、混凝土内部升、降温速度，并指导现场及时调整保温及散热措施。
4.结束语