小编语
伦敦泰晤士Tideway工程东部标段的Hammersmith连接隧道在衬砌的设计中采用了喷射砼初衬+现浇二衬的组合方式，并在混凝土中创新加入了结晶剂，降低了衬砌的渗透性与接缝之间的密封性，从而免去了两层衬砌之间的防水膜。同时，项目团队在施工中也进行多项技术创新，包括使用全液压PLC驱动模板系统进行二衬的浇筑等，大大提高施工效率。
小编将分上下两期为您介绍这一工程中衬砌设计与施工中的创新，本期就先来带您了解一下工程的概况，与这种全新防水衬砌的设计！
工程简介
伦敦的下水道系统最早于上世纪50年代建成，设计时可满足400万人的排污需求，但如今超过900万人仍在使用这套排水设施，使其不堪重负，平均每周发生一次污水溢流，导致每年有超过3900万吨污水流入泰晤士河。
为此，伦敦修建了全长25km的泰晤士Tideway工程，收集34个污水溢流排出的污水，并将其导向Beckton污水厂进行无害化处理后排放。由于项目规模庞大，因此分为了西部、中部和东部三个标段，其中东部标段（C405标）的建设内容包括：
■ 7个竖井，大部分使用喷射砼衬砌，目前已完成5个；
■ 主隧道，全长6.9km，内径7m，已使用TBM推进450环；
■ 4条连接隧道，采用挖机、顶管、喷射砼衬砌等手段进行施工。
Hammersmith连接隧道
Hammersmith连接隧道工程将把泵站的污水输送到主隧道，然后通过截流井、连接涵洞、跌水井和连接隧道进行截流。
Hammersmith泵站区的施工场地紧邻泵站，但该泵站需要保持运转，任何停摆都会导致西伦敦出现灾难性的城市内涝。
截流井紧邻进水口，目前建设顺利，正在进行内部建构的建造，竣工后将在内部安装压力泄洪闸，实时控制进入Tideway管道中的污水流量。连接隧道全长300m，与主隧道相连，沿线穿越许多重要资产，包括河堤和两座平均价值为140万英镑（182万美元）的豪华公寓；隧道位于伦敦粘土地层的中部，隧道上覆19m的兰贝斯层以及20m砾石层。
隧道与竖井的设计施工
甲方的设计要求中包含一个深35m、内径11m的竖井，其中设置内径3.5m的不锈钢旋流管。
污水通过旋流管从竖井顶部流至底部，以免直接坠落造成竖井结构的破坏。同时，试验显示旋流管底部会产生大量空气，为防止造成管道损坏，需要将这些空气排出，因此竖井内建造了排气室与排气管：
■ 排气室是长48.1m，内径5.1m的管道，排气管则是内径1.4m的通风管；
■ 排气室的末端设置了限流器，可以在一定时间内阻挡污水，使空气有时间逸散至顶部并通过排气管排出；
■ 排气室的末端有一条长250m、内径4m的隧道将污水引入主隧道内。
Hammersmith隧道设计始于2015年9月，竖井初衬于17年12月完成，隧道初衬与二衬于18年4月完成。竖井的二衬目前即将完工，内部结构仍在施工中。
衬砌的设计时按照两种荷载情况计算，一是隧道与竖井清空时的最大外压，另一是隧道与竖井灌满污水时的最小外压：
■ 竖井初衬采用钢纤维喷射砼，每环宽1.2m。
■ 竖井越深，其形状越接近椭圆形，包括竖井内的隧道开口，开口周围的加固部分采用了传统钢筋与喷射砼。
■ 竖井底板厚度2.2m，设计成拱形以抵抗长期隆起。
■ 竖井二衬最高厚度达到800mm，使用钢纤维与钢筋补强竖井内部结构与旋流管。
■ 隧道初衬厚350mm，使用钢纤维补强，每环宽1m。
■ 二衬厚250mm，选用高性能钢纤维补强。
初衬按顺序进行施工，单环宽1m至1.2m，用于抵御地层荷载与初始水压荷载，二衬在无应力环境下进行施工。随着时间推移，初衬会发生变形，使二衬进一步发挥作用，使两层衬砌“组合工作”。未来隧道运营时，初衬始终保持受压状态，而二衬则在隧道灌满水时进入张紧状态。
完整的隧道衬砌中还包括厚75mm的钢纤维补强初始层，用于即时地层支护，并提供额外保护，防止地下水中硫酸盐对隧道的侵蚀，而这层并不计入隧道结构厚度内。使用相同材质的初衬砌位于初始层后方，同样采用钢纤维增强；二衬浇筑于初衬表面，并使用Dramix纤维补强，将裂缝宽度控制在0.2mm以下。
防水喷射砼的设计与试验
按照原设计，竖井和隧道需要在初衬和二衬之间添加一层防水膜，但建设者在本工程中进行了创新，免除了这层防水膜：
为了形成防水喷射砼衬砌层，施工方采用了定制化的低渗透性喷射砼，并混合结晶剂后，作为整体的衬砌材料。该工艺的难点在于竖井与隧道的接缝处，施工时精确控制在45°，清洁无污染，并使钢纤维暴露在外。
为克服不良工艺，施工方制定了交错接缝，延长水渗入时的路径，减少渗漏水情况，在底板交界处等敏感位置还增加了补注浆管与挡水条等。
喷射砼的性能要求如下：
■ 从表中可以看出，防水SCL与传统SCL的主要区别在于抗渗设计与结晶剂的应用；
■ 标准SCL的渗透率通常在1x10-12m/s，而防水SCL的渗透性在接缝处仅为1x10-12m/s。
■ 加入的结晶剂可以与混凝土内的水分发生反应，形成难溶性晶体，进一步降低混凝土渗透性。
结晶剂的加入也影响了衬砌材料的早期强度曲线与塑性性能：
■ 设计所需强度遵循了J++曲线,与传统喷射砼标准J2曲线相比，该曲线具备更高强度等级。
■ 最初加入结晶剂的实验样本使用了7%的催化剂，无法达到所需早期强度，混凝土的可作业时间也从4小时减少到2小时以下。
■ 结晶剂干扰了超塑化剂，并延迟了混凝土的强度增长，通过改变超塑化剂和催化剂的配比，即使在低催化剂的剂量（5.5％至6.5％）下，混凝土的强度也可以达到并超过J++曲线，可作业时间也提高到至少两个小时。
2017年7月，项目团队在40根受弯梁与25个衬砌面上进行试验与采样。衬砌面上的试验主要集中于接缝处，试验在衬砌面中设置了45个特殊的接缝。衬砌面的其他部分喷射砼完成后，使用高压喷枪清洗并放置24小时。养护28天后，在接缝处取芯测试其抗压强度与渗透性。
团队对混凝土进行了两次渗透测试：第一次根据欧洲标准在5bar下测试了72小时，第二次则在10bar下测试了96个小时。第二次试验不仅测定了渗透率，还测定了样品中剩余的水量，以确定渗透系数。
经过六周的试验，承包商最终开发出了符合下表所示规格的最终混凝土产品。
加入结晶剂后，混凝土成本上涨至每立方米60英镑（人民币522元）。
未完待续
下期，小编将为您介绍该工艺的具体实施情况，以及实施过程中的全液压PLC驱动模板系统等其他技术革新举措，敬请期待！