[发明专利]一种水下混凝土灌注装置和施工方法及其在超大深水沉井基础中的应用

说明书

本发明公开了一种水下混凝土灌注装置和施工方法及其在超大深水沉井基础中的应用。本发明所述水下混凝土灌注装置由数根灌注导管组成，所述灌注导管设置有侧面开口或斜向开口。所述水下混凝土施工方法的步骤为：首先灌注抗分散混凝土，覆盖井壁与基底底部，结束后静停5‑10min；再灌注自密实混凝土。本发明所述水下混凝土施工方法适用于超大深水沉井基础的施工，可有效解决超大深水沉井基础水下混凝土极易水洗离析、强度显著下降、灌注不密实等难题，保障工程施工质量。

技术领域

本发明属于水下混凝土施工技术领域，具体涉及一种水下混凝土灌注装置和施工方法及其在超大深水沉井基础中的应用。

背景技术

沉井是井筒状的结构物，通过井内挖土，依靠自身重力克服井壁摩阻力下沉到设计标高，然后用混凝土填充井壁并封底，使其成为结构物的基础。沉井基础整体性强、稳定性好、承载面积大，能承受较大的垂直和水平荷载，因此广泛用作大型桥梁桥墩基础及污水泵站、大型设备、人防掩蔽所、盾构拼装井、地下车道与车站等结构物的基础并可作为施工围护装置使用。

沉井基础井壁与封底混凝土一般采用水下浇筑的方式进行施工，尤其是作为大型结构物，如跨越江河的桥梁桥墩基础使用时，水深通常可达数十米。众所周知，水泥虽然是水硬性材料，但若将混凝土拌合物直接倾倒于水中，由于下落、流动过程中水的冲洗作用，混凝土骨料将与水泥严重分离，部分水泥被水流带走，部分长期处于悬浮状态。当水泥下沉时，往往已呈凝固状态，失去胶结骨料的能力。这样在水中直接浇筑的混凝土拌合物常常呈现出砂石骨料松散堆积、中间夹杂薄而强度很低的水泥絮凝体或水泥渣的情况，对于沉井基础而言，这一现象极易出现在首先浇筑、受到水洗更严重的井壁根部，直接影响填充混凝土与外侧井壁的协同受力及结构物的整体承载力，给工程建设质量造成隐患。

为解决上述问题，既有主要技术途径包括：①采用围堰排水干打法，减少或杜绝混凝土拌合物与水的接触，从而避免水的影响；②采用水下导管法灌注大流动性混凝土，增加导管长度，缩小相邻导管间距；③添加絮凝剂制备抗分散混凝土进行灌注施工，抵抗水洗作用。

这些方法有一定可行性及其适用范围，但也都存在显著的不足之处。

例如，围堰排水干打法一般适用于规模较小、水深较浅的结构物，超大深水(水深≥20m)沉井基础若采用该法将使结构设计及施工工艺变得极为复杂、工期延长且工程成本大大增加。

水下导管法利用灌注过程中后灌注混凝土的冲击力将最初下落被水洗的混凝土向上冲击翻出，随后导管始终保持一定埋深，不断拔管，直至完成整个水下混凝土的施工；该方法主要适用于结构简单、直径较小的灌注桩类结构，而超大深水沉井基础涉及大量狭长、异型的井壁结构，水下混凝土流距大且流动路径复杂。工程实践结果表明，此时后灌注混凝土的冲击作用十分有限，并不能达到预期效果，沉井井壁根部仍存在骨料散落堆积、没有强度的明显疏松层。

添加絮凝剂制备抗分散混凝土可显著降低水洗作用的危害，是目前研究中较为常用的方法，但稳定性提升的同时，抗分散混凝土流动性能与间隙通过性能却明显下降，对于因保障承载力需求而在井壁内部设置了大量水平加劲肋、水平环板和水平加劲桁架等复杂结构的超大深水沉井基础而言，翻越、包裹这些结构的能力不足，容易造成灌注、填充不密实，影响沉井基础施工质量；同时，抗分散混凝土价格较高，全部采用抗分散混凝土进行超大深水沉井基础水下结构的施工经济性将显著下降，不利于工程造价的控制。

发明内容

本发明针对超大深水沉井基础水下混凝土施工易被水洗、灌注不密实的难题，提供了一种行之有效的可保障水下混凝土灌注质量的施工方法。从抗分散混凝土与自密实混凝土材料制备与应用、灌注导管结构及其布置方式优化、灌注工艺设计等角度形成成套技术方案，可有效解决超大深水沉井基础水下混凝土极易水洗离析、强度显著下降、灌注不密实等难题，保障工程施工质量。