摘要：本文介紹了黃河特大橋超大超深拱座巖石基坑爆破開挖與大體積混凝土基礎(chǔ)的施工技術(shù)與質(zhì)量控制，包括爆破分層、出碴方法，混凝土施工的分層與澆筑方案、深基坑開挖質(zhì)量控制要點和大體積混凝土水化熱分析與現(xiàn)場質(zhì)量控制。

　　關(guān)鍵詞：超大超深,基坑、大體積混凝土基礎(chǔ),施工,質(zhì)量控制

　　1.工程概況

　　1.1結(jié)構(gòu)介紹

　　準朔鐵路黃河特大橋位于河曲縣龍口水庫上游6.5Km，屬于庫區(qū)范圍。

　　該橋由引橋及鋼管拱主橋組成，全長655.53m。橋跨布置形式為(2×24m+3×32m)預(yù)應(yīng)力混凝土T梁+1×380m上承式鋼管混凝土拱+(2×32m+2×24m)預(yù)應(yīng)力混凝土T梁。

　　主橋采用鋼管提籃拱結(jié)構(gòu)形式一跨跨越黃河，拱座尺寸為35×23.6×20.3米，基坑最大開挖尺寸49.4×45.5m，基坑開挖深度40m，開挖量共計土方3500m3，石方94318m3，屬于深、大基坑爆破開挖。

　　1.2地形地貌

　　橋址處河道橫斷面成U型,河道上口寬330米，下口寬300米，兩岸懸崖陡壁，岸邊高出河底約65米;蓄水水位線標(biāo)高898.25m，超出基底標(biāo)高1m。5#拱座位于東岸，距離河岸線25.52m，為臺階狀地形;6#拱座位于西岸，距離河岸線11.38m，處在沖溝溝底，基礎(chǔ)兩側(cè)為陡坡，高約40m。

　　1.3氣候水文條件

　　施工地區(qū)屬中溫帶亞干旱區(qū)，區(qū)內(nèi)降雨稀少，氣候干燥，夏季炎熱，冬季寒冷，冬春兩季多風(fēng)，蒸發(fā)量大;7～9月偶有暴雨，因地表植被不發(fā)達，暴雨天氣地表水流量較大，易形成沖溝。

　　1.4地質(zhì)條件

　　所處地面新黃土及強風(fēng)化巖，最大厚度為7米?；敻矌r厚度為16～18米，節(jié)理較發(fā)育，有明顯裂隙，抗壓強度在60～80MPa左右,普氏等級系數(shù)f為6～8;基頂至基底段均為弱風(fēng)化石灰?guī)r，巖層產(chǎn)狀平緩穩(wěn)定，節(jié)理不發(fā)育，無斷層、明顯裂隙、地下水等不良地質(zhì)情況，基底持力層為完整連續(xù)的弱風(fēng)化石灰?guī)r，抗壓強度在80～100MPa左右，其普氏等級系數(shù)f為8～10;整個巖體自然穩(wěn)定坡角線為75°。

　　2.施工方案

　　2.1拱座基坑開挖施工方案

　　拱座基坑石方開挖采用預(yù)裂爆破和松動爆破相結(jié)合的方法，挖機配合施工，履帶吊出碴，自卸汽車外運至兩岸征用的棄碴場;

　　拱座地表土及松散的風(fēng)化巖石用挖掘機清除，基坑口至拱座混凝土面以上的基坑坑壁為有個別裂隙的石灰?guī)r，采用1：0.26的坡度放坡開挖，拱座混凝土范圍內(nèi)的基坑坑壁為完整巖石，按設(shè)計基礎(chǔ)輪廓線開挖。

　　基坑開挖采用預(yù)裂(光面)爆破與深(淺)孔松動爆破相結(jié)合的方法施工。

　　根據(jù)工程特點及地質(zhì)情況，分為放坡爆破段和垂直爆破段。開挖方案設(shè)計分四次爆破，如圖2-1所示，

　　拱座均分為四層進行爆破，其中第一次爆破由地面至基頂，爆破平均深度達14.5m，需按自然穩(wěn)定坡角線刷坡防護，基坑上口開挖垂直橋軸線方向尺寸為45.5m，順橋向尺寸為35m～46m不等;第二、三、四次爆破根據(jù)基礎(chǔ)形狀進行分層，爆破深度6～7m，受基坑尺寸制約，考慮到潛孔鉆機的作業(yè)空間，第二、三、四次爆破的預(yù)裂爆破應(yīng)作一次爆破;因四次爆破均屬于深孔爆破;考慮到巖層厚度在0.5～1m范圍內(nèi)，基底留1.5m進行淺孔松動爆破，最下0.5m采取人工配合機械破碎的方式開挖，以防止基底巖層受到破壞。

　　基坑出碴選用履帶吊垂直出碴，挖機配合開挖裝車，自卸汽車外運;東岸設(shè)挖機進出馬道，西岸以履帶吊吊運挖機進出基坑。

　　2.2拱座混凝土澆筑方案

　　拱座混凝土分兩期澆筑，一期混凝土澆筑強度等級為C30混凝土，澆筑范圍為鋼管拱S0節(jié)段預(yù)留槽口以下部分，每個拱座C30混凝土3787m3，一期混凝土分四層澆筑，澆筑高度為分別為2m、3.9m、7.4m、7m, 每層澆注數(shù)量分別為2×160.5 m3、2×175 m3、2×411 m3、2294m3。

　　拱座混凝土采用攪拌站集中拌合，混凝土運輸罐車運輸，汽車泵輸送，布料斗加串筒送料，全斷面連續(xù)分層法澆筑，泵車勻速將混凝土卸于布料斗。每層澆筑高度不大于30cm，上層混凝土澆筑必須在下層混凝土初凝之前進行。采用插入式振搗棒邊澆筑邊振搗。每次混凝土澆筑完畢后，養(yǎng)護6-7天，在混凝土水化反應(yīng)峰期過后再進行下一次澆筑。第一、二、三層采用保溫保濕法養(yǎng)護。第四層采用外保內(nèi)降法養(yǎng)護，即混凝土表面保溫保濕，內(nèi)部用冷卻水管降溫，保溫材料采用棉氈，保濕材料采用塑料薄膜，降溫水管采用Φ40mm鋼管。

　　第一層頂部鋼筋綁扎采用馬凳支撐;第二、三層鋼筋綁扎用角鋼內(nèi)支撐作為支架;由于第四層混凝土澆筑體積大，根據(jù)熱工計算，擬采用冷卻水管進行內(nèi)部降溫。故將冷卻水管作為立桿，在其上搭設(shè)水平桿，用于支撐鋼筋。

　　第三層混凝土內(nèi)的臨時鉸預(yù)埋鋼板可作為外模使用，其內(nèi)支撐體系采用100×100×6mm角鋼獨立設(shè)置，其內(nèi)拉鋼筋均焊接在預(yù)埋板內(nèi)支撐架上。

　　二期混凝土澆筑強度等級為C50混凝土(摻加纖維素纖維UF500)，澆筑范圍為S0節(jié)段預(yù)留槽口至拱座表面部分，每個拱座澆筑C50混凝土2150m3，二期混凝土采用一次澆筑完成。

　　3.施工質(zhì)量控制要點

　　3.1深基坑爆破開挖質(zhì)量控制要點

　　3.1.1一定要按照設(shè)計的孔位和偏角實施鉆孔，其孔口和偏角誤差應(yīng)控制渣允許偏差范圍內(nèi)，鉆孔時，實施全過程監(jiān)挖。使鉆孔“準、正、平、直、齊”。

　　3.1.2裝藥前，要先檢查每個炮孔的深度，調(diào)整單孔炸藥量。

　　3.1.3裝藥時，要注意起爆炸藥的安放位置。預(yù)裂孔裝藥時，應(yīng)盡量使炸藥置于孔中心，若炸藥串上綁竹片或木板，則木板或竹片應(yīng)放在受保護的爆破一側(cè)。

　　3.1.4裝藥后，要嚴格檢查堵塞長度，根據(jù)檢查結(jié)果，適當(dāng)增減用藥量

　　3.1.5堵塞時，要注意選擇合格的堵塞材料，堵塞搗固不能用力過猛，嚴防雷管腳線被破壞。

　　3.1.6敷設(shè)爆破網(wǎng)路時，要特別注意雷管的方向，尤其是雷管與導(dǎo)爆索聯(lián)接時不能反接。

　　3.1.7預(yù)裂爆破與主爆破區(qū)采用合理的間隔時間。一般情況下，預(yù)裂爆破要遲于主爆破區(qū)25ms以上;預(yù)裂爆破要先于主爆破區(qū)50ms以上，

　　3.1.8根據(jù)爆破破碎效果的需求，合理調(diào)整爆破參數(shù)。

　　3.2拱座大體積混凝土的質(zhì)量控制

　　3.2.1拱座混凝土水化熱分析

　　3.2.1.1分四層澆筑結(jié)構(gòu)有限元模型

　　基坑開挖施工時，根據(jù)現(xiàn)場實際地基情況，施工為分四層澆筑，建立有限元模型如圖3-1所示，模型共建立節(jié)點3906個，實體單元3176個。

　　圖3-1四層澆筑方案時拱座及周圍巖層的有限元實體模型

　　冷卻水管布置時考慮到分層情況和預(yù)留槽口位置等因素，沿高度方向的層距如圖3-2所示，水平間距1米，總體布置情況如圖3-3所示。

　　3.2.1.2工況劃分

　　工況一：四層、無管冷;

　　工況二：四層、有管冷;

　　工況三：四層、管冷、表面對流系數(shù)減小;

　　工況四：四層、管冷、水溫降低;

　　工況五：四層、管冷、管徑增大;

　　工況六：四層、管冷、第一層無管冷。

　　3.2.1.3有限元模擬結(jié)果

　　對拱座混凝土自澆筑第一階段起至澆筑最后施工階段混凝土完畢后1000小時進行了水化熱模擬分析，

　　整個施工過程中最高溫度達38.60℃，如圖3-4所示。最高溫度位于節(jié)點1479，坐標(biāo):X=6.355，Y=15.5，Z=16.7，位于第四層混凝土中間靠上位置(Y方向靠近邊坡)。

　　通過對拱座混凝土水化熱溫度的有限元模擬，分析混凝土水化熱溫度及應(yīng)力相關(guān)數(shù)據(jù)后，得出以下結(jié)論:

　　①分四層澆筑方案進行分析所得的最高溫度在34.13℃到38.6℃之間，里表溫差基本在25℃以下符合規(guī)范要求。知混凝土澆筑后三天到五天的時期內(nèi)溫度較高。

　　②增大混凝土表面對流系數(shù)對混凝土芯部最高溫度無明顯影響，但混凝土表面與大氣的熱交換速度加快，使得混凝土表層降溫較快。若是混凝土表面對流系數(shù)值過大，則可能出現(xiàn)表面混凝土降溫過快、里表溫差過大的狀況，使得混凝土表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，出現(xiàn)裂縫。所以大體積混凝土施工中應(yīng)控制混凝土表面與大氣的熱交換速度。

　　③管冷作用

　　對比工況1和工況2可知，布置冷卻水管可使混凝土芯部最高溫度降低7℃，有效地降低水泥水化熱的影響。

　　對比工況2和工況4可知僅降低冷卻水的溫度(10℃到5℃)對混凝土溫度變化影響較小;對比工況2和工況5可知增大冷卻管管徑同時保證冷卻水的流速，可使混凝土芯部溫度顯著降低，里表溫差也有明顯減小。所以若通過管冷作用有效地降低水泥水化溫度需保證冷卻水的流速，盡可能增大冷卻管的表面積。

　?、芄芾浞桨傅膬?yōu)化

　　對比工況2和工況6的結(jié)果可知，第一層不加冷卻水管對拱座混凝土全過程的最高溫度無影響，因為本模型的最高溫度節(jié)點位于第四層混凝土。僅分析第一階段可以看出，第一層混凝土設(shè)置管冷時混凝土高溫僅為26.44℃，不設(shè)置管冷時最高溫達38.2℃，內(nèi)外溫差總體上不超過23℃。

　　在加強養(yǎng)護的條件下，第一層混凝土不設(shè)置管冷，混凝土的溫度滿足規(guī)范要求，里表溫度差引起的內(nèi)部溫度應(yīng)力不大。

　　3.2.2拱座混凝土施工質(zhì)量控制

　　施工質(zhì)量控制包括一下4個方面：

　　3.2.2.1控制原材料的質(zhì)量，選擇合適水泥并摻入粉煤灰，使用緩凝早強劑，合理調(diào)整混凝土的配合比，減小水化熱和提高強度;

　　本工程采用自建拌合站混凝土澆筑。對主要材料要求如下：

　?、偎啵嚎紤]普通水泥水化熱較高，特別是應(yīng)用到大體積混凝土中，大量水泥水化熱不易散發(fā)，在混凝土內(nèi)部溫度過高，與混凝土表面產(chǎn)生較大的溫度差，便混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力，表面產(chǎn)生拉應(yīng)力。當(dāng)表面拉應(yīng)力超過早期混凝土抗拉強度時就會產(chǎn)生溫度裂縫，因此確定大摻量F類Ⅰ級粉煤灰和P.O42.5水泥，通過摻加合適的外加劑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，粒徑5-31.5mm，含泥量不大于1%。選用粒徑較大、級配良好的石子配制的混凝土，和易性較好，抗壓強度較高，同時可以減少用水量及水泥用量，從而使水泥水化熱減少，降低混凝土溫升。

　?、奂毠橇希翰捎弥猩?，含泥量不大于2.0%。選用中砂拌制的混凝土比采用細砂拌制的混凝土可減少用水量10Kg左右，同時相應(yīng)減少水泥用量，使水泥水化熱減少，降低混凝土溫升，并可減少混凝土收縮。

　?、芊勖夯遥河捎诨炷恋臐仓绞綖楸盟?，為了改善混凝土的和易性便于泵送，考慮摻加大量的粉煤灰降低水化熱、改善混凝土和易性有利，即減少配合比中的水泥用量。按配合比要求計算出每立方米混凝土所摻加粉煤灰量。

　?、萃饧觿翰捎帽本┙üぞ埕人岣咝阅軠p水劑。

　　3.2.2.2利用夜間拌合混凝土，控制料溫和混凝土出倉溫度;

　　3.2.2.3分層澆筑，各層混凝土澆筑后12小時內(nèi)，于混凝土表面覆蓋一層塑料布，上覆棉氈并蓄水養(yǎng)生。

　　3.2.2.4在拱座內(nèi)安裝冷卻管，加強混凝土內(nèi)的溫度測量，通過調(diào)節(jié)水的流速，控制混凝土芯部溫度;

　　冷卻水管采用Φ40鋼管，冷卻水管管路采用回旋形布置，縱橋向間距1.2m，橫橋向間距1m，距離基礎(chǔ)邊緣0.5m。每兩排設(shè)一個進水口，一個出水口，進出水口高出基礎(chǔ)頂面0.2m，水管接頭采用絲扣套筒連接。在混凝土施工前，對冷卻水管進行通水試壓，仔細檢查每一個接頭，確保管路不漏水。在混凝土澆筑和鋼筋綁扎過程中，不得損壞管路，確保供水的連續(xù)性。拆除模板后，將冷卻水管用同標(biāo)號水泥漿封堵。

　　根據(jù)混凝土澆筑過程中的測溫情況，適時向管內(nèi)通水，通過水循環(huán)，帶走拱座混凝土內(nèi)部的部分熱量，使混凝土內(nèi)部的溫度降低到要求的限度。控制冷卻水進、出水的溫差不大于50℃。以保證降溫速率不大于2℃/d，根據(jù)測溫數(shù)據(jù)相應(yīng)調(diào)整水循環(huán)的速度，以充分利用混凝土的自身溫度，即中部溫度高、四周溫度低的特點，在循環(huán)過程中自動調(diào)節(jié)溫差。冷卻水管安裝時，用鋼筋骨架和剪刀撐固定牢靠。

　　拱座混凝土澆筑時預(yù)埋測溫導(dǎo)線，測溫點布置為十字交叉狀，測溫點間距為4m，每個測溫點分上中下三個高度埋設(shè)3條測溫線，測溫線在混凝土澆筑前綁扎于專用鋼筋上，鋼筋及測溫線均高出本次澆筑頂面20cm，上表面測溫頭埋入混凝土表面以下20cm處，中心測溫線埋于混凝土澆筑層厚度的1/2處，下表面測溫頭埋于距本次澆筑底面20cm處。并在測溫線外露部分按不同深度分別纏上不同顏色的彩色膠帶，以便測溫時區(qū)分。

　　利用建筑用電子測溫儀對混凝土進行測溫，在混凝土澆筑完畢后的升溫和峰值持續(xù)階段，即開始的3～4天，每隔2小時測溫1次;待測溫趨于平穩(wěn)后的降溫階段，每4小時測溫1次。當(dāng)測位的混凝土內(nèi)外溫差不大于200C并趨于穩(wěn)定時為止。測溫內(nèi)容包括環(huán)境溫度、混凝土表面(6個面)溫度、內(nèi)部溫度等。根據(jù)測點編號順序，記錄所測溫度數(shù)據(jù)，

　　現(xiàn)場測溫數(shù)據(jù)按規(guī)定表格如實記錄，并及時計算出混凝土實時內(nèi)外溫差、混凝土內(nèi)部升、降溫速度，并指向現(xiàn)場及時調(diào)整保溫及散熱措施。

　　4.結(jié)束語

　　通過對黃河橋超大超深拱座基礎(chǔ)施工技術(shù)與質(zhì)量控制的理論研究與實踐，確保了工程進度與質(zhì)量，為今后施工同類型基礎(chǔ)總結(jié)了經(jīng)驗。