热带海洋地区侵蚀环境雅万高铁水下桩混凝土施工技术

刘晓钰，袁文韬，兰聪，张远

（中建西部建设西南有限公司，四川 成都 610052）

0 引言

雅加达至万隆高速铁路（雅万高铁）是连接印尼首都雅加达和西爪哇省省会万隆的新建高速铁路[1]。雅万高铁是中国高铁真正意义上的海外第一单，因为其将全面采用中国技术、装备和标准，但中国缺乏相应的海外建设运营高铁经验，处理突变因素经验存在部分不足[2]；同时由于雅万高铁地处印尼热带海洋地区，其气候环境影响因素与国内大不相同，对混凝土性能提出了新的挑战。该项目全线段桥梁颇多，其大部分混凝土为水下混凝土[3]，桥梁单桩混凝土用量最高为 120m3，全线水下桩数量巨大，为该工程建设的重中之重。通过对项目考察调研，结合印度尼西亚当地交通运输状况、地理环境特点和原材料特点，本项目水下桩混凝土施工主要存在以下技术难点：

（1）受整个行业落后的生产工艺影响，碎石技术指标较难达到要求，保质保量组织碎石难度较大。

（2）印尼地区白天日照强烈，罐车运输过程中混凝土坍落度损失较快且温升明显，为保证混凝土入模温度低于 30℃，应严格控制混凝土出机温度。

（3）由于该地区对混凝土抗硫酸盐渗透性能有极大要求，对混凝土含气量[4,5]控制有明确要求，混凝土最高含气量达 4.0% 以上，而混凝土在运输过程中含气量易发生变化。

（4）印尼雅万高铁地处雅芝高速沿线，高速为混凝土运输主要路线，且经常堵车，同时备用路线较窄，罐车通行缓慢，因此混凝土应具有较小的坍落度损失。

总而言之，混凝土水化温升控制[6]和坍落度经时损失控制是该项目的重点和难点，过程中应严格控制混凝土配合比中的水化反应放热，同时保障生产运输过程中的降温保坍和稳泡。

1 施工准备

1.1 原材料选择及技术指标

为保障水下桩混凝土良好的施工和质量，结合印尼当地原材料特点，经过长期调研及筛选，选择优质原材料进行配合比设计；为延缓水泥水化放热速率[7]，控制混凝土凝结时间，外加剂选择缓凝型高性能聚羧酸减水剂，从而保证混凝土低坍损的性能要求。各原材料主要性能指标如下：

（1）水泥：选用 Garuda OPC 水泥，表观密度为3.1g/cm3，标稠用水量 28.0%，比表面积 340m2/kg，初凝时间 158min，终凝时间 250min，28d 抗压强度55.3MPa，安定性合格。

（2）粉煤灰：采用 Suralaya 电厂Ⅱ级 F 类粉煤灰，细度 12.6%，需水比 93%，烧失量 1.4%，游离CaO 含量 0.2%。

（3）砂：采用天然 Kalimantan 河砂，质地均匀坚固、细度适中、非活性的中粗河砂。细度模数 2.4，含泥量 0.1%，表观密度 2680kg/m3。

（4）碎石：选用 Jonggol 5～16mm、16～31.5mm两级配岩碎石，含泥量 0.1%，压碎值 4.0%，针片状含量 1%，吸水率 1.0%。

（5）减水剂：采用 ZJ-1 缓凝型高性能聚羧酸减水剂，减水率 28%，收缩率比 99%，7d 抗压强度比155%，28d 抗压强度比 163%。

（6）水：当地自来水，氯化物含量 113mg/L，碱含量 145mg/L，硫酸盐含量 178mg/L。

（7）引气剂：采用 ZJ-2 稳泡型引气剂。

1.2 技术要求

项目混凝土设计使用寿命 100 年，强度等级 C40 水下，强度抽样合格率 100%，龄期强度按 56d 设计。混凝土 3h 扩展度 500～600mm，坍落度 180～220mm，无离析泌水现象。各项性能指标要求见表 1。

表 1 水下桩混凝土性能要求

1.3 配合比设计

根据 TBT 3275—2011《铁路混凝土》和 JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》进行配合比设计，要求胶凝材料用量大于 350kg/m3，配制强度 fcu.o≥1.15fcu.k+1.645σ，标准差取 5.0MPa；选用优质Ⅱ级粉煤灰，掺量不低于 30%，有效改善混凝土的工作性能，降低混凝土水化热，并保障混凝土在不同环境类别的耐久性。

具体配合比设计流程见图 1。

通过正交试验，对比研究混凝土工作性能和抗压强度，在满足工作性能和强度的基础上，对不同配合比混凝土进行抗氯离子渗透、抗硫酸盐侵蚀以及气泡间距系数检测等相关耐久性试验，经过大量试配验证，最终确C40 水下桩混凝土配比见表 2。

表 2 C40 水下桩混凝土配合比 kg/m3

通过对上述两种配合比工作性能、力学性能和耐久性能进行测试，其各项指标均符合水下桩混凝土性能要求，其具体性能指标如表 3、表 4 所示。

图 1 配合比设计流程图

表 3 C40 水下桩混凝土工作性能和力学性能

表 4 C40 水下桩混凝土耐久性能指标

为保证生产混凝土工作性能满足施工要求，必须确保上表配合比中试混凝土 3h 坍落度损失在 20mm 以内，生产过程中必须严格按照实验室配合比材料要求一一对应上料生产。且若该配合比生产间断 3 天以上，则必须中试合格后方可进行生产应用。

2 水下桩混凝土生产

2.1 生产前组织工作

2.1.1 原材料的组织

混凝土预拌厂虽紧靠高速路入口，但由于原材料运距远，且道路交通压力大，经常堵车，而印尼原材料单车运能较小（30m3/车），大方量混凝土生产下原材料保供压力非常大。其中河砂全部来自外岛，每船到厂周期约半个月，若逢雨季，海运受到很大影响，河砂无法按时到位；碎石运距 60～80km，单趟运时 10～14h，连续供应能力差。为保证混凝土及时供应，预拌厂应做好以下几点：

（1）平时做好原材料储备，规范堆码原材料，并对材料使用进行交底，保证料仓仓满度达 90% 以上。

（2）与材料商进行协商，保证材料供应，旱季时，材料及时运进，自寻堆场储存为雨季备料。

（3）Kalimantan 砂除料仓储备外，堆场储备量必须保证雅万高铁项目半个月以上的生产量。

（4）及时了解项目施工进度，并根据项目施工计划提前做好材料进货。

（5）寻找材料合格的备用供应商，从而解决突发的原材料空缺问题。

2.1.2 原材料进场检验流程及过程控制

原材料进场检测流程见图 2。

每批次原材料进场时进行初检，初检合格后存放于预拌厂待检仓，待所有指标检测合格后转至已检仓用于生产。初检不合格的原材料立即组织退货。针对雅万高铁水下桩混凝土原材料质量要求，预拌厂根据标准制定本项目专用材料验收质量控制标准，以确保本项目原材料质量符合工程指标要求。

2.1.2.1 水泥

（1）全检：任何新选货源或使用同厂家、同规格水泥达 6 个月的水泥需要对 15 项检验项目进行全面检验。

（2）水泥全检的取样方法按照 GB/T 12573—2008执行，取样量不少于 12kg。

（3）常检：使用同厂家、同编号、同生产日期且连续进场的散装水泥不大于 500t、袋装水泥不大于 200t作为一个检验批次。水泥出厂日期达 3 个月要进行取样检验。取样量不少于 12kg。

（4）水泥进场后立即进行检验，当常规检验指标和 3 天抗折强度、抗压强度达到要求后方准使用。

2.1.2.2 粉煤灰

（1）全检：对任何新选货源或使用同厂家、同规格产品达 6 个月时进行全检，取样量不少于 12kg。

（2）常检：不大于 200t 的同厂家、同批号、同出厂日期的粉煤灰作为一个批次进行常验，取样量不少于12kg。

2.1.2.3 细集料

（1）全检：任何新选货源或连续使用同料源、同品种、同规格产品达 1 年时进行全面检验，取样量不少于 40kg。

（2）常检：连续进场的同料源、同品种、同规格不大于 600t 或 400m3作为一个验收批进行抽检，取样量不少于 20kg。

2.1.2.4 粗集料

图 2 原材料进场检测流程

（1）全检：任何新选货源或连续使用同料源、同品种、同规格产品达 1 年时进行全面检验，取样量不少于 60kg。

（2）常检：连续进场的同料源、同品种、同规格不大于 600t 或 400m3作为一个验收批进行抽检，取样量不少于 40kg。

2.1.2.5 减水剂

（1）全检：对任何新选货源或使用同厂家、同品种的减水剂达 6 个月或出厂日期达 6 个月，进行全检，取样量不少于 2.5kg。

（2）常检：不大于 50t，同厂家、同品种、同批号的减水剂作为一个批次进行常检，取样量不少于2.5kg。

2.1.2.6 机械设备运输罐车准备

确保可动用搅拌车数量和搅拌机实际产能，保证产能和运能满足项目浇筑需求。为保障施工顺利进行，除正常的设备保养外，应在生产前对设备进行全面、彻底的检查、维护和保养，确保设备投入使用时正常运转。

生产任务下达后，核定运输路线，根据桩基需求量、运距以及交通状况以单根桩一次性浇筑为前提，确定运输车辆，运输车辆一经确定，不得临时抽调，运输车辆必须确认全部排除积水后方可进入搅拌楼运输水下混凝土。在运输的全过程中强调信息化施工，准确、实时地与施工现场取得联系，随时做好桩基补方准备。

2.2 混凝土的生产

混凝土生产系统采用自动计量控制，原材料计量允许偏差须符合 TBT 3275—2011《铁路混凝土》规定，混凝土生产过程中的质量控制严格按下述要求执行：

（1）开盘前 2h，组织质检员明确当次混凝土浇筑控制要点，并同材料员巡视料仓，检查骨料中是否有杂物，过程中交底铲车上料要求，及时安排试验员检测骨料含水率，并检查骨料隔网是否破损，计量设备是否正常以及检查运输罐车积水是否排尽等。

（2）开盘时，由技术负责人或试验室主任组织开盘鉴定，并复核配合比信息，每根桩至少留置 2 组强度检测试件，每组检测 7d、28d、56d 强度，每 20000m3留置耐久性检测试件。前 3 车混凝土，每车检测混凝土坍落度以及损失，生产稳定后要求对每车混凝土进行取样观测。

（3）C40 水下混凝土搅拌时间不少于 120s。

（4）每班次至少抽检砂、石含水率 3 次以上。明确原材料库存情况，完成设备计量校核，做好混凝土开盘准备；生产配合比一经确定，未经技术负责人或试验室主任同意不得进行调整。

2.3 混凝土的运输

（1）专门抽调混凝土质量意识较强的驾驶员，根据生产需求安排车辆，要求现场车不到齐不浇筑。

（2）装载混凝土前将车内残留的其他品种混凝土清洗干净，并将罐内积水排尽。所有运输车辆驾驶员必须正确悬挂混凝土标识牌，混凝土运输过程中，严格控制转速，保持罐车转速在 3～5r/min。混凝土浇筑前先快转 1min 再放料。卸料完毕后，不得在卸料口清洗放料斗。

（3）搅拌罐车应做好防雨措施，防止下雨天雨水流入罐车内造成混凝土坍落度过大或离析。

2.4 混凝土的浇筑

2.4.1 新拌混凝土的验收

混凝土到现场后，预拌厂技术员与项目人员逐车取样检测坍落度、扩展度、温度和含气量，并记录。现场混凝土应具有良好的匀质性，入导管前将罐车快转20s，混凝土坍落度应控制在 180～220mm，质量不合格且不满足现场调整条件的，不得强行浇筑，如需退回预拌厂，立即通知预拌厂安排备用车辆运输，在最短时间内抵达现场，确保顺利浇注。现场混凝土由项目人员随机抽 2 车取样留置 2 组试块检测强度，预拌厂技术人员配合成型，成型时确保各试模内粗骨料充足，防止试块成型不均造成强度波动。

2.4.2 新拌混凝土的浇筑

（1）混凝土浇筑前应确认现场具备灌注条件，灌注前检查料斗是否合规、隔水栓是否放置、隔网（间距50×50mm）是否放置、吊机是否正常。

（2）水下混凝土施工时先灌入首批封底混凝土，首批混凝土数量要经过计算（按导管距孔底 30cm，一次性将导管埋入 100cm 深计算，1m 直径灌注桩的首批混凝土数量按不小于 1m3控制），使其有一定的冲击能量，能把泥浆从导管中排出，并能把导管下口埋入混凝土不小于 1m 深。

（3）在整个灌注过程中，导管在混凝土中埋深以1.5～4m 为宜，既不能小于 1m，也不能大于 6m。施工中指派专人负责测量导管埋置深度及管内外混凝土面的高度差，并及时填写水下混凝土灌注记录。利用导管内混凝土的超压力使混凝土的灌注面逐渐上升，上升速度不得低于 2m/min，混凝土灌注距桩顶约 5m 处时，坍落度控制在 190～200mm，以确保桩顶浮浆不过高，灌注高度应高于设计标高 0.5～1m 左右。

（4）在灌注过程中，当导管内混凝土含有空气时，后续混凝土宜通过溜槽慢慢地注入漏斗和导管，不得将混凝土整斗从上面倾入漏斗内，以免导管内形成高压气囊，冲出管节间的橡胶垫而使导管漏水。

（5）若发生水下桩导管堵塞，应抓紧时间把导管内的混凝土清除，以最快的速度将导管处理好，及时插入已灌注的水下混凝土内，然后将导管中的水和沉淀物用吸泥和抽水的方法吸出。若为重下的新管，必须通过潜水泵将管内的水抽干，方可继续灌注混凝土。为了防止抽水后导管外的泥水穿透原灌混凝土从导管底口翻入，导管插入混凝土内应有足够的深度，一般要求大于200cm，由于潜水泵不可能将导管内的水全部抽干，需灌注的混凝土配合比应增加水泥量，提高稠度后灌入导管内，灌入前将导管进行小幅度的抖动或挂振捣器予以振捣片刻，使原混凝土损失的流动性得以弥补，后续灌注的混凝土可恢复正常配合比。

（6）混凝土宜在到达现场 30min 内完成浇筑，混凝土从出站到浇注完毕不宜超过 4h。现场技术及前台人员应对灌注过程中的一切故障等情况均要如实记录在案。

3 混凝土质量检验

3.1 检验方法

采用标准养护和同条件养护试块的强度代表值来判断实体强度，即在混凝土浇筑地点制备通过标准养护和与结构实体混凝土养护条件相同的试块，通过确定试块的强度代表值来评定结构实体的强度。

3.2 试块留置原则

对水下桩混凝土各强度等级，均应留置标准养护试件、同条件养护试件，留置试件频次为每根桩至少 1组，每 100 方混凝土至少 1 组。

56d 电通量、56d 氯离子扩散系数（氯盐环境）、56d 抗硫酸盐结晶破坏等级（盐类结晶破坏环境）检测项，同标段、同施工工艺、同配合比混凝土至少取样检验一次，每 20000m3混凝土至少取样检验一次。

3.3 留置方式

同条件养护试件与标准养护试件制作时，需经监理单位现场见证取样制作，设专职人员进行日温度的登记，日平均温度统一现场实测为依据，参照当地气象部门公布的气温。待同条件养护试件达到等效养护龄期时进行强度试验。留置方式如图 3 所示。

图 3 同条件养护试件留置箱示意图

3.4 结构实体强度确定

依据 TB 10424—2003《铁路混凝土与砌体工程施工质量验收规范》、TB 10426—2004《铁路工程混凝土强度检测规范》的规定。

（1）标准养护检查试件强度应按现行行业标准 TB 10425—2019《铁路混凝土强度检验评定标准》的规定检验评定，结果必须符合设计强度等级的 1.15 倍。

（2）当设计要求钻芯取样时，钻芯取样试件的平均强度不应低于设计强度标准值。

4 结语

该项目水下桩混凝土施工成功地克服了当地水泥水化放热快、气温高、交通不畅等不利环境因素和原材料特点，通过优化混凝土配合比，使用大掺量粉煤灰和缓凝型高性能聚羧酸减水剂，实时监控混凝土各项性能指标控制措施，保证了水下桩混凝土质量。过程中主要控制手段如下：

（1）深入了解该项目施工过程中气温高、交通不顺畅、水下桩基连续施工等技术难点，明确对混凝土生产、运输、浇筑及性能的要求。

（2）根据混凝土要求优选合适的原材料，并加强原材料保供→进场快检→暂存→全检→合格→储存过程控制，同时加大原材料检测频次，减少因原材料变化造成的混凝土质量波动。

（3）根据原材料各项指标以及相关标准进行配合比设计，并对配合比进行反复验证和调整，中试合格后方可进行生产，整个过程中均由项目监理参与监督；同时缩短生产配合比的验证周期，验证不合格时及时进行调整，避免材料、气温、计量设备等其他因素对混凝土质量造成影响。

（4）混凝土生产前对料仓进行巡视，检查料仓材料质量情况，并对铲车司机进行交底上料情况，合理安排罐车数量，交底罐车司机反转罐车进行排水，并提前安排前台和技术人员前往现场，反馈现场准备情况。

（5）生产开始后，安排技术人员对前几车取样进行坍落度、倒坍测试，若与设计值相差较大时应及时调整，调整后继续取样测试，待混凝土稳定后每车进行取样观察，按批次留置强度及耐久性检测试块，并将信息及时反馈给试验室主任和技术总工。

（6）现场技术人员应及时观察到场混凝土状态，配合项目人员对混凝土进行性能检测及留样措施，对于不满足浇筑条件的混凝土进行及时调整或退回站内调整，并及时通知站内人员补发混凝土，以保证浇筑过程的连续性；当浇筑过程发生突发情况时应在最短时间内解决，尽快恢复浇筑。

（7）该项目通过对成型试块采用同条件养护与标准养护来判断实体强度，并加强混凝土耐久性方面检测。

经过半年多施工，该项目 C40 水下桩混凝土浇筑顺利，施工监测过程中，并未发现坍落度小、含气量不合格、混凝土入模温度较高、抗压强度不合格以及耐久性能不满足要求等现象，为后期大批量水下桩浇筑提供了宝贵的经验。