超长结构施工技术方案(最终)

新建客运专线北京调度所工程超长结构施工技术方案中国建筑材料科学研究总院2009年2月10日新建客运专线北京调度所工程超长结构施工技术方案一、工程概况本工程为铁路客运专线北京调度指挥生产用房，地上七层、地下二层。地下一层层高为6。4m，为设备用房;地下二层层高为8.6m，平时为立体停车库，战时为物资库和战时车库使用;首五层高分别为7.75m、5.95m、6。35m、6。35m、6。65m，主要设备用房及办公使用；六层层高10。95m，为备用调度大厅；七层层高15。4m，为调度大厅。结构形式为全现浇钢筋混凝土框架剪力墙结构。顶层为钢结构.场地地下水为潜水，埋深9。610。6m，水位高程36.9937。93m 左右，对混凝土结构、钢筋混凝土结构中的钢筋无侵蚀性，在干湿交替环境下对钢筋混凝土结构中的钢筋具弱侵蚀性，对钢结构具弱腐蚀性。结构设计基准期取50 年,耐久性按100 年考虑;本工程混凝土结构的环境类别室内按“一类”设计,室外及地下结构按“二a 类”设计.地下室侧墙采用现浇钢筋混凝土墙自防水，防水等级一级，混凝土抗渗等级S10，外包柔性防水材料.本工程筏板为大体积C40 防水混凝土，混凝土厚1200,局部厚度3050，梁高2500，宽2200；框架柱、剪力墙为C55混凝土，外墙混凝土厚800，混凝土等级C55/S12；楼板采用C30；本工程地下室结构长宽为118。878.1 米，地上结构长宽为11071.5 米，长宽均超过规范要求。由于使用功能需要,无法断缝。因此，采用设置后浇带、计算温度应力、无粘结预应力楼板及添加混凝土抗裂外加剂等措施加以解决。设计要求底板大体积混凝土中同时掺加聚丙烯抗裂纤维。二、本技术方案要解决的几个问题1、地下工程防水混凝土不留带，减少渗水隐患。留置后浇带，同时掺加抗裂剂、聚丙烯纤维等抗裂辅助材料，或者采用预应力混凝土是解决超长结构混凝土收缩及温度应力的常用的技术方法，设计的宗旨和技术路线是完全正确的.但是,后浇带必须2个月后才能回填,而在开挖过程中发现,本工程水位高,水量大，2个月后再处理后浇带时，难度很大，有可能留下渗水的隐患.依据本设计所采用的CSA抗裂剂和聚丙烯纤维等抗裂辅助材料，通过优化混凝土的配合比、规范化施工工艺，完全可以“取消后浇带.2、控制墙体混凝土的易裂问题墙体混凝土是易裂部位,当混凝土强度等级达到C40以上时,极易产生竖向裂缝，是工程界普遍地比较关心的问题，虽然少量的裂缝宽度小于0.3mm的裂缝不会对危害到混凝土结构的安全性，但是,其对混凝土的耐久性会带来影响,必须加以控制。本工程墙体混凝土强度等级为C55，为高强混凝土,裂缝控制难度明显很大，再加上厚度达800mm,极易因混凝土的干缩、水化热产生的的温度应力等因素而导致墙体混凝土产生较多的竖向的收缩裂缝。3、地上结构采用超长无缝施工技术，加快工期地上结构的后浇带是影响工期最明显的因素,顶层混凝土浇筑完毕后，要等2个月才能回填后浇带混凝土，且以前留置的后浇带两侧的支撑也不能及时拆除,严重影响其它工序的进行和工程的总工期,如果本工程的后浇带能够不留后浇带，就有可能加快至少1个月的工期,确保按期完成建设任务.三、混凝土裂缝规律简介目前混凝土的一般裂缝规律如下：1、大量工程混凝土的裂缝在混凝土浇筑后不久就已经出现，一般出现在拆模后的三天到两周内.部分工程拆模时就有一些细微的裂缝。拆模后，裂缝的数量和长度、宽度都会迅速增加、发展。2、裂缝集中出现在墙体、楼板等工程部位，开裂严重时，墙体出现规则的约25m间距的裂缝。而基础大体积混凝土如果能对混凝土的水化热进行有效的控制，则基础的开裂问题一般能得到较好的解决。3、施工季节对裂缝的影响较大，这是因为不同的温度、湿度环境对混凝土的水化、硬化过程产生了很大的影响，夏季高温季节、大风天气等环境下施工的混凝土开裂现象较多。4、混凝土强度发展较快，即混凝土的“早强”现象，一些工程3天混凝土强度就达到了设计要求，加大了混凝土产生裂缝的几率或者加剧了裂缝的数量和宽度。5、施工过程控制非常重要，施工是否规范等对裂缝有着显著的影响,不合理的混凝土配合比设计和不规范的施工会导致混凝土裂缝出现的数量较多、裂缝的危害性明显加大.显然，上述的混凝土裂缝现象主要发生在混凝土硬化的早期。混凝土早期裂缝控制应该作为混凝土裂缝控制的重点来抓，混凝土裂缝控制的技术路线应该主要围绕混凝土的早期水化硬化规律、配套的施工措施来展开。对于超长结构工程，影响混凝土开裂的因素更加复杂，混凝土收缩、温度应力等的影响更加显著，必须采取综合的技术措施来控制混凝土的开裂问题。本工程为框架结构.框架结构的梁板一般来说属于高次超静定结构。在温度应力作用下,由于结构本身外部或内部的约束,容易引起拉应力，使结构物产生裂缝。这种裂缝在实际工程中颇为常见,裂缝宽度0.5mm至数毫米，但其危害程度往往轻微，一般没有承载力不足的危险，但对于持久强度却会带来一定影响，应当尽量加以控制。裂缝出现在板上者常为贯穿裂缝,出现在梁上者，常为表面裂缝.板的平面为矩形，则裂缝方向与较长边垂直.如超长工程，则与长边垂直和平行方向均会产生裂缝.板的裂缝是由降温及收缩引起，当结构周围的气温及湿度变化时，梁板都要产生变形温度变形及收缩变形。引起开裂的主要原因是收缩。梁板的裂缝出现时间一般在13个月，此后趋于稳定.裂缝一般在最冷、最热季节施工时容易产生。梁板结构的最大拉应力一般出现在中部,只要使梁板中部的最大拉应力xmax小于混凝土的抗拉强度，或混凝土中部的最大收缩小于混凝土的极限延伸率,即 则混凝土不会开裂。楼板混凝土中部的最大收缩值按下式计算： （1）四、超长结构无缝施工基本原理与方法采用超长结构无缝施工技术的最大特点是选择质量好的膨胀剂或者抗裂防水剂，本设计已经选择CSA类膨胀剂或者抗裂剂.CSA抗裂防水剂或者膨胀剂由于具有“高膨胀、低收缩”的特性，使其特别适用于超长结构混凝土工程。在混凝土中掺加812%的CSA抗裂防水剂或者膨胀剂，通过水泥的化学反应，使混凝土产生适量膨胀，在钢筋和临位限制下，在钢筋混凝土中建立0.20.7MPa的预压应力，可大致抵消混凝土收缩时产生的拉应力，防止混凝土开裂.对于超长结构工程的无缝施工问题，有两种方式可以选择。方案一：“抗的原则,即采用“加强带”解决，带宽23m，“加强带”内掺12%，带两侧掺810。带两侧设密孔钢丝网，目的是防止两侧混凝土流入“加强带”内.钢丝网膨胀应力曲线加强带CSA12收缩应力曲线 CSA810%CSA810图1 “加强带”做法示意图CSA1011施工缝收缩应力曲线膨胀应力曲线图2 分段浇筑示意图方案二：是“抗”“、放”结合的原则,即采用“留缝不留带、或者“跳仓法”施工，此种方法在地铁、隧道等工程中被普遍采用；采用分段浇筑法后，采用一个混凝土配合比就能解决问题,混凝土中的抗裂防水剂掺量与“加强带法稍有不同，掺量介于中间值，一般1011，每段浇筑的混凝土本身确保不开裂，并有良好的膨胀性，由于浇筑的每段混凝土都是无收缩的微膨胀混凝土，两段之间的混凝土不存在收缩问题.另外，两段之间的间隔一般3天左右，可以释放部分混凝土水化热产生的温度应力.在采取以上两种方案之一的情况下，伸缩缝间距可延长至100m以上。板式结构平均伸缩缝间距计算公式如下: (2)只要使aT|趋向ep，则arcosh，则可实现超长结构的无缝施工。在混凝土中掺入适量的抗裂防水剂，由于混凝土的膨胀可补偿混凝土的冷缩和干缩，可显著地减少|aT，从而延长伸缩缝的间距。五、本工程超长结构混凝土技术方案要确保混凝土的质量，必须采用合格的原材料，原材料的质量控制指标如下。1、水泥、砂、石等大宗原材料的质量水泥、砂、石本工程混凝土强度等级C55、C40、C30，应采用达到国标GB1752006通用硅酸盐水泥中各项技术指标要求的强度等级为42。5的普通硅酸盐水泥或者矿渣硅酸盐水泥。鉴于目前市场上各个生产厂的水泥或者同一水泥厂不同批的水泥有时候差异很大，应对水泥的以下性能进行一些控制：水泥细度:水泥不宜过细，水泥越细，收缩越大，早期水化热也大，建议按水泥标准试验方法检验的水泥的比表面积不宜超过350m2/kg，即使水泥细度有波动，其最大比表面积也不得超过360m2/kg。碱含量:北京地区集料为碱活性集料，应采用碱含量小于0.6的低碱水泥。水泥出厂温度：水泥的初始温度会直接影响混凝土的入模温度和水化热最高值，因此，应控制水泥的出厂温度不宜大于60,使用时不得使用大于60的水泥.砂、石应达到国家标准的有关要求，采用天然的水洗的河砂和525mm的碎石。泵送剂、掺合料本工程基础底板混凝土属于大体积混凝土，外墙混凝土接近大体积混凝土性质，因此，泵送剂必须具有缓凝、凝结时间可调的功能,应根据气温变化及时调整泵送剂的凝结时间指标。为减少水泥用量,控制混凝土的水化热,应采用减水率达到18以上的泵送剂,尽量降低混凝土的水胶比,减小混凝土的收缩性。基础底板大体积混凝土可以采用单掺粉煤灰的技术路线，亦可采用粉煤灰+矿粉“双掺”的技术路线，但是，当采用“双掺”的技术路线时,对磨细矿粉的性质必须要充分了解。建议采取以粉煤灰掺合料为主、磨细矿渣为辅的原则，并对磨细矿渣的细度进行适当的控制.粉煤灰:宜优先采用F类的级粉煤灰，级粉煤灰亦可，但是不得采用高钙粉煤灰。磨细矿粉：磨细矿渣粉是2000年以来广泛使用的一种掺合料.目前，很多工程采用粉煤灰和磨细矿渣“双掺的方法，降低水泥用量和混凝土的水化热。但是，磨细矿渣对混凝土的后期收缩影响非常大，而且随着矿渣粉的细度不同、成分不同等，所表现的性质不同。矿粉的活性系数越高,细度越细，其增强效果越好，而降低水化热的效果越差,甚至增大水化热，收缩也越大.因此，宜选用比表面积不超过450m2/kg的75级的矿粉，不宜选用细颗粒多的95级矿粉。墙体和楼板混凝土易裂，不宜掺加磨细矿粉。2、优化混凝土的配合比设计在满足强度的情况下，应 “抗裂为主、综合耐久性指标优先”的设计原则,尽可能降低胶凝材料的总用量和水泥的用量.控制单方混凝土中用水量掺加合理的粉煤灰、矿渣等掺合料采取缓凝措施（根据工程实际的结构尺寸、施工季节决定)(1）胶凝材料总量和水泥用量的确定混凝土强度等级越高，水泥用量越大，混凝土的收缩也越大，因此，实际混凝土配合比设计时，胶凝材料的总量和水泥本身的用量必须控制。根据目前我国水泥、外加剂的水平，混凝土结构耐久性设计与施工指南（中国建筑工业出版社）中提出以下原则：混凝土强度等级单方混凝土胶凝材料总量kg/m3（不宜大于)C30400C35420C40C50450C60500（2）水胶比和单方混凝土用水量在目前的设计、施工规范里，混凝土的水胶比（水灰比)规定的比较笼统,与实际情况差距较大。根据目前我国的国情，建议按以下原则控制：在保证混凝土和易性和混凝土强度的前提下,尽量降低混凝土的水胶比，C30混凝土的水胶比不宜大于0.47；C40混凝土的水胶比不宜大于0。42;C50混凝土的水胶比不宜大于0.38.根据基本以上原则，实际工程单方混凝土中的用水量一般不会超过175kg/m3。(3）粉煤灰、磨细矿粉的掺量基础底板混凝土：粉煤灰的掺量宜为2025（占胶凝材料总量），磨细矿渣宜1520,二者的总量宜4045。外墙和梁板混凝土:不宜掺加磨细矿粉，掺合料应采用粉煤灰即可，粉煤灰掺量宜为22%25。（4）混凝土凝结时间控制为控制本工程大体积混凝土的水化热，特确定不同部位的混凝土的凝结时间如下：底板和外墙混凝土初凝时间宜为1820小时，终凝时间24小时左右.楼板（含梁)混凝土：初凝时间宜为12小时以上，终凝时间14到20小时。（5)CSA掺量本工程不同部位的结构尺寸与地铁工程类似,将按照在地铁工程中已经得到检验且行之有效的下列原则选择CSA抗裂防水剂的掺量和混凝土限制膨胀率：CSA抗裂防水剂的掺量范围为812，应根据混凝土的强度等级、工程部位和施工季节等情况选用。底板等非易裂部位混凝土，CSA的掺量宜810；侧墙、楼板、顶板等部位混凝土易裂，掺量不应低于10；高于C40（含C40)的墙体混凝土，CSA的最佳掺量宜11；后浇带等填充性混凝土中抗裂防水剂的掺量宜为12%。由此确定本工程各部位混凝土中CSA的掺量如下:底板大体积混凝土：10%地下室外墙混凝土:11%楼板（含梁)：地下室部分11 地上部分：12%墙体混凝土易产生竖向裂缝，地上结构的梁板混凝土所处的环境不利，适当提高CSA掺量的目的是提高混凝土的限制膨胀率，从而提高抗裂能力。通过以上掺量的调整,使混凝土达到GB50119中混凝土限制膨胀率的要求。表1 非易裂部位（底板）抗裂混凝土的技术性能项目限制膨胀率(10-4）限制干缩率（104）龄期水中14天水中14天，空气中28天性能指标1.51。0备注适用于基础底板混凝土.表2 易裂部位（墙体、楼板）抗裂混凝土的技术性能项目限制膨胀率（10-4）限制干缩率(10-4）龄期水中14天水中14天，空气中28天性能指标2。0（2。5）1。0备注适用于墙体、梁板混凝土；C40以上混凝土以及地上结构混凝土宜按括号内的膨胀率取值。表3 填充用膨胀混凝土的技术性能项目限制膨胀率（10-4）限制干缩率(10-4）龄期水中14天水中14天空气中28天性能指标3.01。0备注适用于后浇带、膨胀加强带.3、超长结构无缝施工设计根据我们以前大量的超长结构无缝施工工程的经验，本工程的地下和地上混凝土超长结构均可进行无缝施工。3。1、采用“留缝不留带”的流水作业法施工为便于最大限度的节约工期，同时确保混凝土的质量，建议采用“留缝不留带的流水作业法浇筑混凝土，这也是超长结构无缝设计的方案二。根据原设计的后浇带留法,将整个平面分成六个施工流水段是合理的（见图3）。即将原设计的后浇带变更为施工缝.不留后浇带的主要原因是：通过调整CSA的掺量和混凝土的配合比优化设计，能够确保混凝土收缩小或者不收缩，通过膨胀完全补偿混凝土的收缩。优点：采用一个混凝土配合比进行浇筑，不存在更换配合比问题,施工简单，特别适用于流水作业法施工和泵送施工。一次性的物资投入少，加快模板周转.施工的混凝土量少，容易控制，避免冷缝.抗放结合，对混凝土的裂缝控制更加有利。缺点：与留“膨胀加强带”的方法相比，混凝土CSA抗裂剂的掺量提高了约10，造价略有提高。11880078100区区区区区区施工缝图3 施工流水段划分示意图3。2、施工缝的细部处理为确保地下防水混凝土的防水效果，施工缝处除了提前凿毛、清除杂物、松动的石子和砂浆，并提前用水清洗干净外，还必须按照防水要求设置止水带.没有防水要求的部位可直接采用钢板网即可。（1）底板混凝土施工缝处理应设置1到2道钢板止水带。见图4.（2)外墙的垂直施工缝应采用钢板止水带，见示意图5。（3）底板以上的外墙的水平施工缝,采用钢板止水带或遇水膨胀胶条皆可，见图6。遇水膨胀胶条应具有缓胀性能，其7天的膨胀率不应大于最终膨胀率的60.垫层混凝土柔性防水层钢板止水带施工缝底板混凝土图4 底板施工缝接缝防水处理示意图拆模后，墙体施工缝的迎水面宜先涂刷一层沿缝上、下或左、右各10cm的聚合物水泥防水砂浆，然后再施工附加防水层。钢板止水带图5 墙体垂直施工缝接缝防水处理示意图图6 墙体水平施工缝示意图4、大体积混凝土温度控制本工程基础为大体积混凝土，必须采取有效的措施控制混凝土的水化热，避免产生温度裂缝.掺加适量的粉煤灰，基础底板混凝土同时掺加磨细矿粉，降低大体积混凝土的水化热,即粉煤灰磨细矿渣CSA抗裂防水剂三掺的方法解决大体积混凝土温度应力问题。原设计的聚丙烯纤维按照原设计要求执行.采取混凝土缓凝措施凝结时间的控制要求见五。2。(4）条。大体积混凝土采用覆盖养护措施，控制混凝土的内外温差不超过25。现场应该设置测温点，制定出详细的测温计划和养护措施。控制混凝土的入模温度。本工程混凝土的入模温度控制应分两个季节考虑.a、冬期施工基础底板和外墙混凝土大部分处于冬期施工,少部分为常温施工.冬期施工期间，混凝土的入模温度应控制在5到10。应控制好热水的温度.b、非冬期施工混凝土入模温度控制一直没有得到足够的重视，特别是高温季节，混凝土入模温度经常失控，有的甚至达到35以上，对混凝土的水化热控制非常不利.控制混凝土的入模温度不是简单的加冰水问题。实践证明，加冰水后，混凝土的入模温度仅仅降低了12，控制混凝土的入模温度必须从原材料抓起，1、水泥温度控制，建议水泥温度不得超过60；2、骨料温度，建议选择砂、石料有大棚的搅拌站。采用龄期60天混凝土强度基础底板和外墙的的大体积混凝土宜采用龄期60d的强度作为验收强度，这对控制混凝土水化热是极其有利。当然，本工程即使采用28d强度的指标也能够控制好。5、大体积混凝土的浇筑方法混凝土浇筑方法必须合理，避免混凝土出现冷缝，从而产生渗水通路。混凝土的浇筑建议沿纵向采用连续浇筑方法，混凝土自然流淌形成一个斜坡。这种方法能较好地适应泵送工艺,避免泵管的经常拆除冲洗和接长，提高泵送效率,保证及时接缝,避免冷缝的出现。在浇筑混凝土时，在每个浇筑带的前后布置两道振动器，第一道布置在混凝土的卸料点，主要解决上部的振实，第二道布置在混凝土坡角处，确保下部混凝土的密实.为防止混凝土集中堆积,先振捣出料口处混凝土，形成自然流淌坡度，然后全面振捣,并严格控制振捣时间、振捣棒的移动间距和插入深度。 图7 混凝土浇筑流程图 、 表示浇筑顺序每个浇筑带的宽度应根据现场混凝土的方量、结构物的长、宽及供料情况和泵送工艺等情况预先计算好，避免冷缝的出现。六、混凝土施工过程控制1、原材料计量：水泥、砂、石、CSA、掺合料、水必须经过计量后才能投入搅拌机，计量偏差应符合下列要求（按重量计)： 水泥、CSA、粉煤灰、水： 1%;砂、石： 2 2、混凝土搅拌： (1)应派专人负责投料，并符合计量要求. （2）及时测定砂、石的含水量，以便及时调整混凝土拌合用水量，严禁随意增加用水量。 (3)混凝土搅拌时间:用自落式搅拌机比普通混凝土延长30秒以上，用强制式则延长10秒以上。应严格控制搅拌时间，确保混凝土拌合物均匀.3、混凝土输送：混凝土从搅拌机卸出后应以最少的转载次数，最短的时间运至浇筑地点.4、混凝土浇灌前准备钢筋模板按设计图纸安装，绑扎、安装要牢靠,模板表面涂上脱模剂。模板缝应严密,不得漏浆。模板的支撑必须牢固.5、混凝土浇筑严格控制混凝土坍落度，入模混凝土坍落度不宜超过200mm.（1）在浇筑CSA混凝土前,模板及钢筋间的所有杂物必须清理干净.(2）混凝土的浇筑要连续，按施工组织设计方案和混凝土施工规范进行，并避免混凝土出现冷缝.（3)CSA混凝土振捣必须密实，不能漏振、欠振、也不可过振。振捣时间宜为1030秒,以混凝土开始泛浆和不冒气泡为准.振捣时，快插慢拔，振点布置要均匀.在施工缝、预埋件处，加强振捣。(4）混凝土接槎时间不宜超过6小时。6、混凝土养护：混凝土的养护是保证质量的最重要的措施之一，一定要派专人负责养护工作。本工程处于季节变换时期，应密切注意天气预报，根据气温情况采用相应的养护措施.（1）底板混凝土：北京3月15日前为冬期施工的法定时间，除了由于气候干燥引起混凝土表面失水过快的现象外，尚有可能存在混凝土表面早期受冻问题.本工程底板混凝土的浇筑预期在3月15日前。因此，本工程底板混凝土有可能不具备二次抹压条件，可以不进行二次抹压工艺。在此情况下，混凝土浇筑完毕后，必须立即覆盖一层塑料薄膜,以防止混凝土表面出现裂缝(主要是塑性沉降裂缝、和表面快速失水干缩裂缝）,混凝土终凝后,覆盖12层保温材料进行蓄热养护，确保混凝土内外温差不超过25。有条件的情况下，可采用蓄水养护方式养护。（2）墙体混凝土墙体混凝土浇筑时，预计气温已经提升，混凝土受冻的可能性极小。墙体混凝土为立面结构，水分无法集聚,洒水后会很快风干，另外，本工程墙体混凝土厚度达800mm，加上强度等级高，造成混凝土具有大体积混凝土的性质，需要控制墙体混凝土的水化热，因此，墙体混凝土的养护应遵循下述原则：a、拆模时间不得少于3天。b、尽可能采用钢模板，降低混凝土水化热的峰值，同时减少竹质模板因吸水造成混凝土失水的危害作用。c、对于已经浇筑完毕的混凝土，混凝土终凝后，应沿混凝土水平施工缝上部浇水养护，有条件的情况下，可提前松动支撑模板的螺栓，便于水分通过缝隙进入混凝土的表面进行养护。d、拆模后，立即涂刷混凝土养护剂，边拆模边涂刷，不得延迟。（3）梁板混凝土梁板混凝土的养护建议根据气候情况采取两项措施：浇筑混凝土期间，风力很小时,采用混凝土表面二次抹压+洒水的方式养护。浇筑混凝土期间,风力较大时，采用覆盖塑料薄膜+洒水的方式养护。7、混凝土质量检测与控制：每班检测砂的含水率和混凝土的坍落度不少于2次.每班检查原材料的称量不少于2次。按GB50204-2002混凝土结构工程施工及验收规范留置抗压强度试块及检验评定。未尽事宜,双方协商解决。中国建筑材料科学研究总院中国建筑材料检验认证中心2009年2月10日11