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与流程

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。

技术实现要素：

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。

本发明所述超大深水沉井基础水下混凝土施工用灌注装置，由数根混凝土灌注导管组成，所述混凝土灌注导管留有底部开口的同时，在底部开口一侧增设侧面开口，所述侧面开口的开口高度为导管直径的50～100％，开口宽度为导管直径的40～60％；或者所述底部水平开口为30～60°的斜向开口。

所述导管下插至其开口下缘位置与灌注部位底部距离≤5cm，任意相邻导管间最大距离≤10m，导管与井壁间最大距离≤5m。

本发明提出的超大深水沉井基础水下混凝土灌注导管开口及其布置的优化设计方式包括：①导管留有底部开口的同时，增设侧面开口或将底部水平开口改为45°的斜向开口；②将灌注导管下插至其开口下缘位置与灌注部位底部距离≤5cm，且任意相邻导管间最大距离≤10m，导管与井壁间最大距离≤5m。采用上述方式，一方面首灌混凝土在导管中流动距离增加，进入水中后被水洗的自由下落距离则缩短，另一方面有效降低了混凝土下落时的冲击力，连续灌注时，混凝土从导管出口处侧向挤出，有利于减轻水洗程度，在应用抗分散混凝土材料的基础上，可进一步提升超大深水沉井基础底部首灌施工质量。采用上述方式，控制任意相邻导管间最大距离不超过10m，导管与井壁间最大距离不超过5m，主要是考虑抗分散混凝土流动性能与流动效率情况下做出的限定，本发明提出的抗分散混凝土采用单根导管灌注时的最大流动半径通常为5-6m。

本发明所述水下混凝土灌注装置和施工方法，具体包括如下措施：

(1)水下混凝土灌注导管开口方式及布置方式；

(2)先采用抗分散混凝土进行沉井井壁与基底的水下首灌灌注，灌注过程完成后，设置静停时间5-10min；

(3)采用自密实混凝土进行沉井井壁与基底的水下后续灌注；沉井井壁与基底剩余部分的施工灌注持续至全部完成。

步骤(1)中，所述抗分散混凝土的灌注厚度为1.0-1.5m。

步骤(2)灌注抗分散混凝土时，保持导管埋深不变。

步骤(3)灌注自密实混凝土时，不断拔管，保持导管埋深为2-5m。

本发明提供的用于超大深水沉井基础水下首灌施工的抗分散混凝土，通过配合比的优化设计与絮凝剂的掺加，可使得混凝土自身具有在水下浇筑过程中直接与环境水接触而仍能保持良好拌合物粘聚性与硬化后力学、耐久性能的能力。

依据规范dl/t5117-2000测试，所述抗分散混凝土拌合物初始及2h后坍落扩展度为500-600mm，浆体流失率≤1.0％，溶液ph值≤12，28d水陆强度比≥85％。

本发明的所述水下抗分散混凝土，按重量份数计，42.5级以上硅酸盐或普通硅酸盐水泥300-400份，ⅱ级以上粉煤灰0-100份，s95级以上矿粉0-60份，细度模数2.3-3.0的河砂700-900份，最大粒径≤20mm的连续级配或二级配碎石800-1000份，饮用水180-220份，抗分散剂5-15份，减水率不低于25％的聚羧酸高性能减水剂8-15份。

所述抗分散剂的材料组成按重量份数计，包括平均分子量不低于800万的阴离子型聚丙烯酰胺类或1％水溶液黏度不低于20万mpa·s的纤维素醚类絮凝剂100-150份，瓜尔胶、定优胶、或黄原胶类增粘辅剂30-50份、有机硅类或聚醚改性有机硅类消泡剂20-50份，硅灰750-850份。

所述聚丙烯酰胺类或纤维素醚类絮凝剂为长链结构高分子化合物，自身携带的大量官能团可吸附水泥等胶凝材料微粒，在颗粒间建立纵横交错的“架桥”联系，此外，抗分散剂的长分子链之间也会相互吸引、缠结形成网状结构，将水泥等胶凝材料微粒和絮凝剂自身包裹，形成稳定的絮凝体，从而具有良好的抗水洗能力；所述生物胶类增粘辅剂进一步增强了上述絮凝作用；所述消泡剂可降低抗分散混凝土含气量，保障其密实性与力学性能；所述硅灰比表面积远大于水泥，掺入后能有效分散水泥颗粒，使其水化更充分，并填充混凝土内部孔隙，提高其密实性与力学性能。

本发明所述自密实混凝土，通过配合比的优化设计，可使得混凝土具有良好的流动性、间隙通过性等拌合物性能和硬化后力学、耐久性能。

依据规范jgj/t283-2012测试，本发明所述自密实混凝土拌合物初始及4h后坍落扩展度为580-680mm，t50扩展时间2-5s，j环扩展度差值≤25mm，浮浆百分比≤15％。

本发明所述自密实混凝土，按重量份数计，包括42.5级以上硅酸盐或普通硅酸盐水泥250-350份，ⅱ级以上粉煤灰0-150份，s95级以上矿粉0-60份，细度模数2.3-3.0的河砂700-900份，最大粒径≤20mm的连续级配或二级配碎石800-1000份，饮用水160-190份，减水率不低于25％的聚羧酸高性能减水剂4-10份。

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，

本发明提出的超大深水沉井基础水下混凝土灌注工艺主要是：首先灌注水下抗分散混凝土时，保持灌注导管埋深不变，且灌注结束后静停5-10min时间，后续灌注自密实混凝土时，不断向上拔管，保持灌注导管埋深为2-5m。采用上述工艺，主要是考虑到抗分散混凝土流动速度较慢，首灌结束后，静停5-10min时间可供其在沉井基础底部充分流动、填充，形成厚度均匀的抗分散混凝土保护层，为后续灌注的自密实混凝土创造一个与水隔绝的初始施工环境，这一过程中导管埋深保持不变。后续灌注自密实混凝土时，沉井井壁和基底的底部及导管出口附近已被不分散混凝土充满，可完全避免自密实混凝土灌注初期被水洗离析。自密实混凝土持续灌注，这一过程中每隔一段时间导管向上拔出一定长度，其埋深始终保持2-5m，一方面可使得持续灌注的自密实混凝土始终处于与水隔绝的工作环境中(只有顶部与水接触，硬化后凿除)，保障灌注质量；另一方面，考虑自密实混凝土生产、供应能力与灌注速度及其工作性能保持时间，导管埋深也不宜过大，否则容易因自密实混凝土工作性能显著损失而造成导管上拔与后续混凝土灌注困难，造成断桩风险。

本发明提出的超大深水沉井基础水下“抗分散混凝土首灌1.0-1.5m厚度+自密实混凝土后续灌注直至完成”的施工方法，具有如下显著的技术优势：

一方面，超大深水沉井基础水下混凝土施工时，因落差大、水流急且混凝土水平流动距离远，首先灌注的混凝土拌合物极易被水洗冲刷，留下大量砂石骨料在底部堆积，形成没有强度的疏松层，即所谓“烂根”现象，尤其是对于沉井井壁结构而言。采用具有良好粘聚性的抗分散混凝土可显著降低其拌合物被水洗离析的程度，且通过高性能聚羧酸减水剂的使用，拌合物仍能保持较好的流动性，可在阻碍物较少的沉井基础底部流动并充满，保障1.0-1.5m厚度的首灌施工质量且可为后续灌注的混凝土提供与水隔绝的初始施工环境。另一方面，超大深水沉井基础上部井壁内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以保障其承载能力，采用具有优异流动性和间隙通过性的自密实混凝土进行后续灌注施工可有效翻越、包裹这些结构，使得混凝土灌注、填充密实。

这两种不同性能混凝土的协同使用可有力保障超大深水沉井基础整体施工质量，且有利于控制工程造价。

附图说明

图1为试验用足尺模型侧视图；

其中1水平桁架、2拉杆。

图2为试验用足尺模型平面布置图；

其中3水平环板、4溢浆孔、5角钢板、6灌注导管。

图3为水下混凝土灌注导管开口方式；

其中(a)斜向开口、(b)增设侧面开口、(c)水平开口。

图4为水下混凝土施工过程示意图；

7混凝土罐车、8混凝土泵车、9汽车吊拔管、10灌注料斗、11灌注导管

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下列实例是对本发明的进一步举例说明，不应被认为是对本发明的任何形式的限制。

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

[实施例1]

如图1和图2所示，开展模拟实际工程的足尺模型试验，评估本发明提供的超大深水沉井基础水下混凝土施工方法实施效果。模型净尺寸为6m(长)×6m(高)×1.4m(宽)，内部设置由8mm厚、上设55mm@400mm溢浆孔的环板与∠75×6mm角钢板组成的水平桁架，并与侧模临时焊接形成整体结构。水平桁架在模型高度方向上共设置3道，间距1500mm，一侧环板与模板面板焊接，另一侧环板与模板面板不焊接。在模型一侧设置1根325mm的灌注导管，导管底部开口方式如图3(a)所示，为本发明提供的斜向开口方式，倾斜角为45°，且导管开口下缘位置与模型底部距离≤50mm。水下混凝土灌注前模型内注满水并检查水密性，确保不漏水。

按本发明提供的一种超大深水沉井基础水下混凝土施工方法，选用品质符合要求的水泥、粉煤灰、细骨料、粗骨料、减水剂和抗分散剂等水下抗分散和自密实混凝土原材料。其中抗分散剂组成为：1％水溶液黏度不低于20万mpa·s的羟丙基甲基纤维素醚120份，瓜尔胶40份、聚醚改性有机硅类消泡剂40份，硅灰800份。

按本发明提供的一种超大深水沉井基础水下混凝土施工方法，采用品质符合要求的水下抗分散和自密实混凝土原材料，优化设计其配合比，

其中水下抗分散混凝土配合比为：水泥360份，粉煤灰80份，河砂765份，碎石940份，饮用水190份，聚羧酸减水剂10份，抗分散剂10份；

自密实混凝土配合比为：水泥320份，粉煤灰130份，河砂800份，碎石920份，饮用水175份，聚羧酸减水剂6份。

按上述配合比制备水下抗分散和自密实混凝土各10m³和36m³，依据规范dl/t5117-2000取样测试新拌水下抗分散混凝土坍落扩展度、浆体流失率和溶液ph值，用于表征其流动性与抗分散性，测试结果记录在表1中，满足本发明提出的水下抗分散混凝土新拌性能要求；依据规范jgj/t283-2012取样测试新拌自密实混凝土坍落扩展度、t50扩展时间，j环扩展度差值和浮浆百分比，用于表征其流动性、间隙通过性与抗离析性，测试结果记录在表1中，满足本发明提出的自密实混凝土新拌性能要求。

按上述配合比制备水下抗分散和自密实混凝土各10m³和36m³，依据规范dl/t5117-2000取样分别成型陆上和水下抗分散混凝土150mm×150mm×150mm立方体试件并养护，依据规范gb/t50081-2019测试试件28d抗压强度，记录在表1中，可见抗分散混凝土28d水陆强度比达到87％；依据规范gb/t50081-2019成型、养护陆上自密实混凝土150mm×150mm×150mm立方体试件并测试28d抗压强度，记录在表1中。

按本发明提供的一种超大深水沉井基础水下混凝土施工方法，如图4所示，10m³水下抗分散混凝土生产完毕后通过混凝土罐车运输至试验场地，通过天泵泵送至灌注料斗，全部泵送完毕后料斗拔球并开始灌注，整个灌注过程持续约9min，在此过程中保持灌注导管埋深不变。水下抗分散混凝土灌注结束后静停8min，采用测坨测量导管口附近及模型远端处混凝土液面高度之差已小于5cm，水下抗分散混凝土灌注的平均高度约1.2m，随后开始后续36m³自密实混凝土的灌注。通过天泵不间断泵送向料斗中补料，自密实混凝土灌注过程持续约22min，水下抗分散和自密实混凝土的总灌注高度约5.5m。在此过程中，通过汽车吊拔管，使得灌注导管埋深保持2-5m。

将本发明提供的一种超大深水沉井基础水下混凝土施工方法应用于上述模型试验中，待混凝土灌注结束2d后完全硬化并具有一定强度，拆除全部模板进行检测。结果表明，水下混凝土模型除表面存在少量气泡外，整体外观良好，无明显缺陷；混凝土填充密实，模型根部、边角处、与水平桁架接触处均没有夹渣层和疏松物，与底模、侧模、水平桁架均贴合紧密；在模型底部、中部、上部和侧面分别进行取芯，芯样内部密实，骨料分布均匀，混凝土力学性能有保障。本发明提供的超大深水沉井基础水下混凝土施工方法取得了良好的实施效果。

[对比例1]

如图1和图2所示，开展模拟实际工程的足尺模型试验，评估本发明提供的超大深水沉井基础水下混凝土施工方法实施效果。模型净尺寸为6m(长)×6m(高)×1.4m(宽)，内部设置由8mm厚、上设55mm@400mm溢浆孔的环板与∠75×6mm角钢板组成的水平桁架，并与侧模临时焊接形成整体结构。水平桁架在模型高度方向上共设置3道，间距1500mm，一侧环板与模板面板焊接，另一侧环板与模板面板不焊接。在模型一侧设置1根325mm的灌注导管，导管底部开口方式如图3(c)所示，为一般情况下采用的水平开口方式，且导管开口与模型底部距离约300mm。水下混凝土灌注前模型内注满水并检查水密性，确保不漏水。

按本发明提供的一种超大深水沉井基础水下混凝土施工方法，选用品质符合要求的水泥、粉煤灰、细骨料、粗骨料和减水剂等自密实混凝土原材料。

按本发明提供的一种超大深水沉井基础水下混凝土施工方法，采用品质符合要求的自密实混凝土原材料，优化设计其配合比为：水泥320份，粉煤灰130份，河砂800份，碎石920份，饮用水175份，聚羧酸减水剂6份。

按上述配合比制备自密实混凝土46m³，依据规范dl/t5117-2000取样测试新拌自密实混凝土浆体流失率和溶液ph值，用于表征其抗分散性，测试结果记录在表1中，可见自密实混凝土的浆体流失率和溶液ph值分别达到1.44％和11.96，均显著高于水下抗分散混凝土，即自密实混凝土抗水洗分散性能显著劣化；依据规范jgj/t283-2012取样测试新拌自密实混凝土坍落扩展度、t50扩展时间，j环扩展度差值和浮浆百分比，用于表征其流动性、间隙通过性与抗离析性，测试结果记录在表1中，满足本发明提出的自密实混凝土新拌性能要求。

按上述配合比制备自密实混凝土46m³，依据规范dl/t5117-2000取样分别成型陆上和水下自密实混凝土150mm×150mm×150mm立方体试件并养护，依据规范gb/t50081-2019测试试件28d抗压强度，记录在表1中。可见自密实混凝土水陆强度比只有68％，大大低于实施例1中水下抗分散混凝土的87％，水洗作用显著降低了自密实混凝土力学性能。

如图4所示，46m³自密实混凝土生产完毕后通过混凝土罐车运输至试验场地，首先通过天泵泵送10m³至灌注料斗，随后拔球并开始灌注，当料斗中剩下1/3余料时，通过天泵不间断泵送向料斗中补料直至全部混凝土泵送完成。整个自密实混凝土灌注过程持续约28min，总灌注高度约5.5m。在此过程中，通过汽车吊拔管，使得灌注导管埋深保持2-5m。

待混凝土灌注结束2d后完全硬化并具有一定强度，拆除全部模板进行检测。结果表明，模型底部除导管周边50cm范围内混凝土较为完好外，其余底部范围内的混凝土均发生了严重的水洗现象，水洗部分平均高度超过50cm，混凝土分散、离析程度严重，基本呈松散状态，无法成型。模型上部混凝土则能顺利通过水平桁架，桁架部位混凝土密实性良好，无孔洞存在，与实施例1类似。

综合来看，对比例1采取的超大深水沉井基础水下混凝土施工方法实施效果不佳，无法满足工程质量要求。

[对比例2]

如图1和图2所示，开展模拟实际工程的足尺模型试验，评估本发明提供的超大深水沉井基础水下混凝土施工方法实施效果。模型净尺寸为6m(长)×6m(高)×1.4m(宽)，内部设置由8mm厚、上设55mm@400mm溢浆孔的环板与∠75×6mm角钢板组成的水平桁架，并与侧模临时焊接形成整体结构。水平桁架在模型高度方向上共设置3道，间距1500mm，一侧环板与模板面板焊接，另一侧环板与模板面板不焊接。在模型一侧设置1根325mm的灌注导管，导管底部开口方式如图3(c)所示，为一般情况下采用的水平开口方式，且导管开口与模型底部距离约300mm。水下混凝土灌注前模型内注满水并检查水密性，确保不漏水。

按本发明提供的一种超大深水沉井基础水下混凝土施工方法，选用品质符合要求的水泥、粉煤灰、细骨料、粗骨料、减水剂和抗分散剂等水下抗分散和自密实混凝土原材料。其中抗分散剂组成为：1％水溶液黏度不低于20万mpa·s的羟丙基甲基纤维素醚120份，瓜尔胶40份、聚醚改性有机硅类消泡剂40份，硅灰800份。

按本发明提供的一种超大深水沉井基础水下混凝土施工方法，采用品质符合要求的水下抗分散和自密实混凝土原材料，优化设计其配合比，其中水下抗分散混凝土配合比为：水泥360份，粉煤灰80份，河砂765份，碎石940份，饮用水190份，聚羧酸减水剂10份，抗分散剂10份；自密实混凝土配合比为：水泥320份，粉煤灰130份，河砂800份，碎石920份，饮用水175份，聚羧酸减水剂6份。

按上述配合比制备水下抗分散和自密实混凝土各10m³和36m³，依据规范dl/t5117-2000取样测试新拌水下抗分散混凝土坍落扩展度、浆体流失率和溶液ph值，用于表征其流动性与抗分散性，测试结果记录在表1中，满足本发明提出的水下抗分散混凝土新拌性能要求；依据规范jgj/t283-2012取样测试新拌自密实混凝土坍落扩展度、t50扩展时间，j环扩展度差值和浮浆百分比，用于表征其流动性、间隙通过性与抗离析性，测试结果记录在表1中，满足本发明提出的自密实混凝土新拌性能要求。

按上述配合比制备水下抗分散和自密实混凝土各10m³和36m³，依据规范dl/t5117-2000取样分别成型陆上和水下抗分散混凝土150mm×150mm×150mm立方体试件并养护，依据规范gb/t50081-2019测试试件28d抗压强度，记录在表1中，可见抗分散混凝土28d水陆强度比达到89％；依据规范gb/t50081-2019成型、养护陆上自密实混凝土150mm×150mm×150mm立方体试件并测试28d抗压强度，记录在表1中。

如图4所示，10m³水下抗分散混凝土生产完毕后通过混凝土罐车运输至试验场地，通过天泵泵送至灌注料斗，全部泵送完毕后料斗拔球并开始灌注，整个灌注过程持续约9min，在此过程中保持灌注导管埋深不变。水下抗分散混凝土灌注结束后静停8min，采用测坨测量导管口附近及模型远端处混凝土液面高度之差已小于5cm，水下抗分散混凝土灌注的平均高度约1.2m，随后开始后续36m³自密实混凝土的灌注。通过天泵不间断泵送向料斗中补料，自密实混凝土灌注过程持续约22min，水下抗分散和自密实混凝土的总灌注高度约5.5m。在此过程中，通过汽车吊拔管，使得灌注导管埋深保持2-5m。

待混凝土灌注结束2d后完全硬化并具有一定强度，拆除全部模板进行检测。结果表明，模型底部导管周边0.8m范围内混凝土表观较为完好，其余底部范围内的混凝土表层则存在一定遭到水洗后浆体流失、露石现象，水洗部分高度为5-20cm，但未出现对比例1中的混凝土严重分散、离析，砂石松散堆积，以致无法成型的状态。对模型底部缺陷处进行了取芯分析可见，缺陷主要位于模型表面，芯样内部则较为密实，骨料分布均匀，混凝土力学性能有保障。对模型上部情况观察结果表明，混凝土则能顺利通过水平桁架，桁架部位密实性良好，无孔洞存在，与实施例1类似。

综合来看，对比例2采取的超大深水沉井基础水下混凝土施工方法实施效果显著优于对比例1，但较实施例1仍有一定差距，应加以改进。

表1水下抗分散和自密实混凝土性能