大直径盾构隧道混凝土管片的预制技术研究.pdf

引用格式:程阳洋,罗斌,张焙智.大直径盾构隧道混凝土管片的预制技术研究J.隧道建设(中英文),2023,43(增刊 1):487.CHENG Yangyang,LUO Bin,ZHANG Beizhi.Research on prefabrication technology of major diameter concrete segmentJ.Tunnel Construction,2023,43(S1):487.收稿日期:2022-04-22;修回日期:2023-05-16第一作者简介:程阳洋(1974),男,湖南湘阴人,2007 年毕业于中南大学,交通土建专业,本科,工程师,现从事铁路建设项目管理工作。E-mail:369352626 。大直径盾构隧道混凝土管片的预制技术研究程阳洋1,罗 斌2,张焙智2(1.中国铁路广州局集团有限公司,广东 广州 511008;2.中铁隧道局集团有限公司工程测量试验分公司,广东 广州 511458)摘要:为解决厚大型管片容易出现裂纹、外观质量较差、强度不易控制等问题,从矿物掺合料及外加剂的选择、混凝土配比优化设计、振捣工艺、蒸养技术、螺栓孔及凹凸槽的细部处理等方面进行分析,并提出了一系列质量控制措施。研究应用表明:1)掺加大量矿物掺合料能提高管片耐久性并降低水化热;2)外加剂组分对外观影响较大;3)合理设定振捣方式及频率能有效保证混凝土浇筑质量;4)合理的蒸养方案能够有效避免混凝土裂缝产生。关键词:大直径盾构隧道;混凝土;厚大型管片;预制技术DOI:10.3973/j.issn.2096-4498.2023.S1.057中图分类号:U 416 文献标志码:A 文章编号:2096-4498(2023)S1-0487-06R Re es se ea ar rc ch h o on n P Pr re ef fa ab br ri ic ca at ti io on n T Te ec ch hn no ol lo og gy y o of f MMa aj jo or r D Di ia am me et te er r C Co on nc cr re et te e S Se eg gm me en nt tCHENG Yangyang1,LUO Bin2,ZHANG Beizhi2(1.China Railway Guangzhou Group Co.,Ltd.,Guangzhou 511008,Guangdong,China;2.Engineering Survey and Test Branch,China Railway Tunnel Group Co.,Ltd.,Guangzhou 511458,Guangdong,China)A Ab bs st tr ra ac ct t:In order to solve the problems that the thick and large segments are prone to cracks,the appearance quality is poor,and the strength is difficult to control,a series of quality control measures are put forward through the analysis in terms of the selection of mineral admixtures and additives,the optimal design of concrete proportions,the vibrating process,the steam curing technology,and the detailed treatment of bolt holes and concave-convex grooves.Research and application show that:(1)Adding a large amount of mineral admixtures can improve segment durability and reduce hydration heat;(2)The additive components have a great influence on the appearance;(3)Reasonable setting on the mode and frequency of vibration can effectively ensure the quality of concrete pouring;(4)Reasonable steam curing technology can effectively avoid concrete cracks.K Ke ey yw wo or rd ds s:large diameter shield tunnel;concrete;thick and large segment;precast technology0 引言随着管片直径的增大,管片厚度也随之增大。管片厚度除了考虑受力外,还要考虑隧道所处的环境,以及结构耐久性设计要求。预制管片的厚度一般为直径的 5%6%,大直径盾构的管片厚度一般在 550、600、650 mm 等,管片厚度的增大对预制技术提出了更高的要求,国内管片预制工厂在地铁管片的生产预制上积累了较多的经验,但对厚度较大的管片的预制技术经验较少,问题较多1-2。为与传统的薄型管片相区分,将直径在 12 m 以上,厚度 500 mm 以上的盾构管片,称之为厚大型管片。厚大型管片在模板的设计、振动器的选择与配置、配合比的优化、生产工艺流程、蒸养隧道建设(中英文)第 43 卷技术等方面都与传统的薄型管片有较大区别。如果模板、振动器的前期规划不当,将会带来一系列的质量问题,振实功不足,混凝土难以振捣密实,需要延长振动时间,或增加人工插捣,会大大降低生产效率,同时过多的使用人工不满足工厂化的生产需要3。同时生产工艺不当造成管片外观质量较差、混凝土不密实、抗裂性能较差、外表面浮浆过厚、钢筋保护层厚度不足、出现裂纹、管片尺寸偏差较大等问题,进而造成管片拼装困难、受力不均以及角部、螺栓孔开裂渗水等一系列问题4-5。因此,针对厚型管片,结合耐久性混凝土的设计要求,总结生产中出现的质量问题,形成一套新型的厚型管片预制技术。从模板的材质选择、模板设计、生产线的规划、混凝土配比优化设计、振捣工艺、蒸养技术、螺栓孔及凹凸槽的细部处理等方面,总结出一套完备的工艺技术,可提高预制生产速度、提升生产效率、满足施工需要。1 混凝土原材料的质量控制 佛莞城际铁路新狮子洋隧道穿越珠江,盾构管片直径 13.1 m,管片厚度 550 mm。针对此厚度的大型管片,宜选用大掺量的矿物掺合料,以提高混凝土的耐久性能。目前常用的矿物掺合料为粉煤灰和矿粉,根据混凝土结构所处的环境等级,矿物掺和料的用量有所不同6-7。在管片混凝土中掺入大量的矿物掺合料,主要用来改善混凝土的施工和易性和强度,一般情况掺量都在 20%以上;但当混凝土结果所处环境为氯盐侵蚀或化学侵蚀环境时,矿物掺合料要提高到 30%以上。研究表明,粉煤灰掺量只有在 25%以上才会发挥应有的作用。因此,必须将矿物掺合料作为混凝土的一种重要组分,而不仅仅是简单的替代水泥用量,矿物掺合料对于混凝土,具有形态效应、微集料效应、活性效应或火山灰效应。1.1 粉煤灰粉煤灰是目前混凝土生产中最常见的矿物掺和料,粉煤灰的活性主要来自活性 SiO2(玻璃体 SiO2)和活性 Al2O3(玻璃体 Al2O3)在一定碱性条件下的水化作用。通过对比试验发现,粉煤灰品种的变化对混凝土强度增长有明显影响,其次有明显影响的是粉煤灰的掺量。不同活性的粉煤灰最佳掺量是不同的,当粉煤灰存在质量问题时,需要降低矿物掺合料掺量,寻找最佳掺量点,以减少对混凝土的强度影响。目前,市场上的粉煤灰供不应求,问题粉煤灰层出不穷,如氨味粉煤灰、脱硫灰、喷油灰、非玻璃体灰等,这些粉煤灰往往在常规指标检测中合格,但会对混凝土强度尤其是长期性能产生不利影响8。例如:氨味粉煤灰、脱硫灰会造成混凝土强度降低 10%以上;喷油灰会造成外加剂适应性问题,使混凝土含气量变小、需水量增大、混凝土外观色差明显;非玻璃体灰仅起填充作用,对混凝土后期强度的增长几乎没有贡献9。管片生产应慎重选择粉煤灰厂家,将玻璃体含量检测作为判断粉煤灰品质的重要依据。劣、优质粉煤灰微观形貌及成分分析分别如图 1 和图 2 所示。(a)劣质粉煤灰微观形貌(b)成分分析图 1 劣质粉煤灰微观形貌及成分分析Fig.1 Micromorphology and composition analysis of inferior fly ash1.2 矿渣粉 粒化高炉矿渣简称矿渣粉,是管片混凝土生产中常用的掺和料,矿渣粉在水淬时形成大量的玻璃体,矿渣粉通常要磨细到比表面积 4 000 cm2/g 才能充分发挥其活性。李斯祺等10采用氯离子扩散系数、电通量、气体渗透性系数以及毛细管吸附 4 种渗透性测试方法研究粉煤灰和矿粉对高性能混凝土的渗透性能影响规律,证明矿粉对混凝土 7、28、56、90 d 的电通量、氯离子扩散系数、气体渗透性系数以及毛细管吸附率884增刊 1 程阳洋,等:大直径盾构隧道混凝土管片的预制技术研究的测试结果均表现出正效应,表明矿粉对混凝土抗渗性能改善作用在早期就开始展现出来。课题组采用等量替代法试验分析了 0%、10%、20%、30%、40%的矿粉掺量对混凝土强度的影响。试验结果表明,矿粉会使混凝土早期强度略有降低,随着矿粉掺量增加,1 d混凝土强度降低 410 MPa,但对后期混凝土强度有较大的促进作用,90 d 强度基本一致。因此在厚大管片配比设计时,宜选用矿粉和粉煤灰双掺,占胶凝材料总量的 30%左右,既使混凝土有较高的早期强度、利于脱模,又有良好的耐久性能。(a)优质粉煤灰微观形貌(b)成分分析图 2 优质粉煤灰微观形貌及成分分析Fig.2 Microscopic morphology and composition analysis of high-qualified fly ash1.3 外加剂 随着混凝土技术的发展,高性能外加剂对混凝土的影响至关重要,不仅影响混凝土强度、耐久性,还能改善混凝土施工性能、提升管片外观质量11-12。目前使用的外加剂多以聚羧酸系为主,通过调整外加剂配方改善与水泥、矿物掺和料的适应性。课题组通过调整减水剂中的各种添加料(增稠、引气、消泡、缓凝等组分),以及换用脱模剂(植物油、废机油、硅油),共试验 12 组,最终确定了一组减水剂配方,利用该配方生产的管片混凝土气泡较少,生产的管片外观色泽均匀。外加剂与水泥、矿物掺和料的适应性至关重要。适应性不好,混凝土外观质量较差,极易出现蜂窝麻面、色泽不均等情况13-14。因此管片生产前,一定测试外加剂与胶凝材料的适应性,尤其当水泥中混合材发生变化时,必须重新调整外加剂各组分配方,调整适应性,检测混凝土含气量,保证管片混凝土质量。2 管片配合比的设计 以 C50 管片混凝土配合比设计为研究对象,管片混凝土的坍落度一般要求较小,在 5090 mm,因此水胶比可设计较小,以保证强度。对于矿物掺和料的选择,一方面根据混凝土所处环境等级的情况,满足耐久性设计要求;另一方面,根据当地材料的供应质量进行调整,一共进行了 11 组配比试验。混凝土配合比设计数据及主要测试指标分别见表 1 和表 2。表 1 混凝土配合比设计数据表Table 1 Mix design data of concrete试验组别胶凝材料总量/(kg/m3)矿粉掺量/%粉煤灰掺量/%砂率/%水胶比引气剂/%7 d强度/MPa28 d强度/MPa1480265390.2857722480265380.280.2547134801615390.32586944801615380.310.259705450265340.2853656450265340.280.2546674501615340.32506384501615340.310.252649450020340.32536610450030340.325165114501010340.325364表 2 混凝土的主要测试指标Table 2 Main test indicators of concrete试验组别电通量/C氯离子扩散系数/(10-12 m2/s)含气量/%容重/(kg/m3)抗渗等级管片外观18702.62.62 430P14气泡较多29052.74.22 410P14气泡较多38912.52.72 420P14气泡较多48892.74.52 410P14气泡较多59222.62.32 440P14气泡较少68232.64.32 410P14气泡较少78802.92.22 430P14气泡较少88102.74.42 410P14气泡较少97992.32.22 430P14气泡较少107792.62.42 430P14气泡较少118282.52.42 440P14气泡较少984隧道建设(中英文)第 43 卷 通过上述试验可以看出,由于水胶比较小,管片混凝土的强度不难控制,而且耐久性也容易达到设计要求。因此,管片的配比控制和优化,主要反映在成品质量控制上,重点是通过优化选择合适的配合比,便于施工、减少气泡、提高外观质量、减少裂纹的出现。通过试验分析,管片混凝土的砂率根据细度模数调整,但应较普通混凝土小,以减少气泡,一般取 33%36%。矿物掺合料宜采用矿粉和粉煤灰双掺,总比例选 30%左右,以控制水化热、减少蒸汽养护下的水化绝热温升。同时,应平衡早期强度和耐久性之间的关系,使混凝土具有较好的体积稳定性。为满足耐久性或改善混凝土和易性,对混凝土含气量有要求时,宜采用减水剂和引气剂双掺技术。3 管片模板振动器的设置对管片生产质量的影响对于采用气振施工的混凝土管片,振动器的设置位置、频率对管片质量影响很大。经分析狮子洋隧道管片模板、汕头通道管片模板、春风隧道管片模板、广佛环城际盾构管片模板的振动器设置位置和功率表明,振动器的布置个数应随管片重量和管片厚度增多。不同类型厚大型管片模板振动器设置情况见表 3。表 3 不同类型厚大型管片模板振动器设置情况Table 3Settings of different types of thick and large segment formwork vibrators模板用于的项目振动器数量/个单个振捣器频率/Hz单片管片混凝土质量/t佛莞621712.5汕头621713.7春风路621715.1广佛环高新建5507.3佛山安德5507.3 人工插捣施工要注重插捣的时间和方式,应快插慢拔,避免过振,规范振捣顺序、振捣时间和振捣点位,对于螺栓孔位置必须振捣到位15-16。厚大型管片的振捣时间要明显长于一般地铁管片。以佛莞狮子洋盾构管片为例,标准块每片混凝土用量 5 m3,需要生产 3 盘料,仅混凝土质量达 12 t。通过大量室内试验发现,振动在 10 min 以上,气泡有减少和变小的趋势,不规则的大气泡数量明显减少、消失,管片混凝土的坍落度控制在 30 50 mm,振动20 min 没有出现过振现象,实际生产时也不必担心过振问题。通过现场试验,对现场提出了“2+4+8”的振动时间要求,即第 1 盘下料后强振 2 min,第 2 盘下料后强振 4 min,第 3 盘下料后强振 8 min,中间等料时间改为弱振,整个浇筑过程不关闭振动器气阀。通过上述措施,管片混凝土外观质量得到了较大改善,气泡明显减少、变小,尤其是不规则大气泡明显减少、消失。4 蒸养对管片生产的影响4.1 蒸养过程各环节的控制 为缩短管片脱模时间,提高模具周转率,厚大型管片生产通常会采取蒸养方式。养护工艺分为预养期、升温期、恒温期和降温期。加热养护工艺的 4 个阶段都很重要,直接影响混凝土构件的性能,宜采用变速曲线升温,即先慢速升温、后逐渐提高升温速率。加热养护制度宜采用长预养、缓升温、低恒温、慢冷却的和缓制度,尽量减弱使构件破坏的因素,以获得优异的混凝土构件性能。另外,管片进入静停区后,宜采用温水养护,以降低外界环境对正在进行水化反应的管片混凝土的影响。通过对养护用水的温度统计,在管片拆模后,采用 4045 的淋养水时,管片细小裂纹基本消失。图 3 所示为不同水温养护下管片表层与养护水温差的变化曲线。从图中可以看出,当采用 4045 温水喷淋养护时,管片的表面温度与养护水温差在 2 h 左右时可控制在20 以下,而采用 23 自然条件下水养护,8 h 的温差仍在 20 以上,此阶段温差过大是厚大型管片产生温度裂纹的主要原因。图 3 不同水温淋养下的温差变化曲线Fig.3Concrete temperature change curves under warm water drenching4.2 蒸养对混凝土裂缝的影响 蒸养过程控制不当、出窑的混凝土温度过高、与外界温差过大,极易产生温度裂纹。当管片出蒸养室后,不进行养护即入水,容易产生细微裂纹,尤其在螺栓孔位置,如图 4 所示。094增刊 1 程阳洋,等:大直径盾构隧道混凝土管片的预制技术研究图 4 螺栓孔位置在蒸养中出现的裂纹Fig.4 Cracks in position of bolt holes during steam curing 管片入池温度与养护用水温差不得大于 15,如超过 15 则易造成管片温度收缩裂纹。为此,课题组设计了管片喷淋系统,采用的是自动加水、自动行走的数控系统。而喷淋用水采用给空压机降温的水对管片进行喷淋养护,从空压机出来的水温基本都在 4347,刚好满足管片喷淋用水需要。为验证管片拆完模后,针对不同的养护条件管片的温度及裂纹情况,如表 4 所示,现场分别采取了养护罩、温水喷淋等养护方式,见图 5。表 4 不同养护方式下的裂纹情况Table 4 Cracks under different curing methods养护方法达到最高温度时间/h降温速率是否出现裂纹可操作性自然养护6 慢拆完模后 12 h 出现裂纹采用自来水进行养护5 快受温度影响出现裂纹采用临时养护罩养护 养护罩经常出现漏风现象,会出现裂纹 1)操作性差,增加人工投入和材料投入并且工作量较大,且人为影响较大;2)降温速率慢,现场场地无法满足每个管片采用薄膜养护6 降温速率慢,基本上需要 30 多个 h 才能达到入池条件未出现裂纹 1)操作性差,增加人工投入和材料投入并且工作量较大,且人为影响较大;2)降温速率慢,现场场地无法满足 采用喷淋温水(4347)养护5 降温速率快未出现裂纹操作性强(a)养护罩(b)温水喷淋养护图 5 养护罩与温水喷淋养护Fig.5 Maintenance cover and warm water spray maintenance 通过对比试验,采用喷淋温水(4347)养护,降温速率快,且未出现裂纹,可操作性强,适用于厚大型管片的养护。5 结论与讨论 1)矿渣粉比粉煤灰活性更高,且品质稳定,厚大型管片生产宜掺加大掺量的矿物掺和料,以提高耐久性能并降低水化热;2)外加剂中引气、增稠、消泡组分对管片外观质量影响很大,必须与胶凝材料做适应性分析,以确定最佳外加剂配方。3)厚大型管片宜采取分层振捣的方式,根据模具大小合理布置附着式振动器,合理设定振动频率,以保障混凝土浇筑质量。4)养护对厚大管片的质量控制至关重要,合理设定蒸养温度、严格控制升温降温速率,尤其要控制好混凝土与周围介质的温差,避免出现温度裂纹。在管片出蒸养窑后采用温水淋养的方式,不仅可以起到控制降温速率的作用,还能尽早水养,对掺加大量矿粉的混凝土强度增长起到重要作用。194隧道建设(中英文)第 43 卷参考文献(R Re ef fe er re en nc ce es s):1 黄式浩,狄宏规,王友文,等.管片厚度对大直径盾构隧道受力及变形的影响J.华东交通大学学报,2020,37(1):15.HUANG Shihao,DI Honggui,WANG Youwen,et al.Influence of segment thickness on the force and deformation of large-diameter shield tunnelJ.Journal of East China Jiaotong University,2020,37(1):15.2 周时强.超大直径盾构高性能管片混凝土的研制与应用J.上海建设科技,2018(1):12.ZHOU Shiqiang.Development and 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