蘭州地鐵鋼筋混凝土管片生產(chǎn)中出現(xiàn)裂紋的分析與控制

羅波

中鐵株洲橋梁有限公司技術(shù)開發(fā)部 湖南株洲 412000

隧道盾構(gòu)的掘進(jìn)施工方法現(xiàn)階段被地鐵工程施工廣泛運(yùn)用，因?yàn)檫@種方法有施工速度快、勞動(dòng)強(qiáng)度低、施工占地面積少的特點(diǎn)，可以節(jié)省大量的勞動(dòng)、施工成本和土地資源。在地鐵工程施工中鋼筋混凝土管片是非常重要的組成部分，地鐵防暑結(jié)構(gòu)的安全性和嚴(yán)密性能都是管片質(zhì)量的好壞在影響。預(yù)制管片是盾構(gòu)機(jī)在挖掘過程中施工工藝流程所決定的步驟，預(yù)制好的管片就是地鐵隧道的主體結(jié)構(gòu)。在隧道主體結(jié)構(gòu)施工時(shí)常常存在很大的水壓，蘭州屬于西北地帶，在西北地帶水資源都少帶有腐蝕性，對(duì)混凝土中的鋼筋有腐蝕作用，因此蘭州地鐵1號(hào)線盾構(gòu)法施工的區(qū)間，除對(duì)管片的強(qiáng)度、抗?jié)B及尺寸等指標(biāo)有嚴(yán)格規(guī)定外，對(duì)混凝土表面的缺棱、掉角、氣泡、裂紋等也作了嚴(yán)格限制。在管片的幾個(gè)質(zhì)量控制點(diǎn)中，裂紋對(duì)地鐵隧道的影響非常大，當(dāng)涂在該段外表面上的防水防腐保護(hù)層破裂時(shí)，該段表面的混凝土裂縫將導(dǎo)致該結(jié)構(gòu)的防水和防腐性能大大降低，這將影響結(jié)構(gòu)的耐久性。因此，對(duì)減少或消除段生產(chǎn)中的可見裂縫具有重要意義。

1 生產(chǎn)情況

蘭州地鐵1號(hào)線一期工程西起西固，東至東崗，全長(zhǎng)約34公里，設(shè)計(jì)共需混凝土管片27900余環(huán)。每環(huán)管片共由六個(gè)瓦片式的型塊組成，拼裝起來的外徑為6200mm，內(nèi)徑為5500mm，厚度為350mm?；炷猎O(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C50，抗?jié)B等級(jí)為P12。管片由中國(guó)鐵建重工集團(tuán)蘭州隧道裝備有限公司組織生產(chǎn)，生產(chǎn)使用的模具由秦皇島天業(yè)通聯(lián)重工集團(tuán)制作，模具自身配有附著式氣動(dòng)振動(dòng)器對(duì)澆筑的混凝土進(jìn)行振搗。混凝土生產(chǎn)采用2-HZS120L2攪拌機(jī)自動(dòng)配料拌合，混凝土設(shè)計(jì)坍落度50-70mm，生產(chǎn)用混凝土配合比見表1。由于工期原因。每套模具每日必須生產(chǎn)兩環(huán)以上，因此管片在混凝土初凝后均采用蒸汽加熱養(yǎng)護(hù)。管片采用天車吊具夾具脫模，管片的脫模強(qiáng)度不小于20MPa，管片達(dá)到強(qiáng)度脫模后，立即吊至修補(bǔ)區(qū)進(jìn)行編號(hào)、檢查、修補(bǔ)，完成后移入水養(yǎng)池內(nèi)浸水養(yǎng)護(hù)14天，然后吊出至28d齡期進(jìn)行尺寸檢驗(yàn)、同條件混凝土試件試驗(yàn)。管片預(yù)制廠試生產(chǎn)一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)，管片的強(qiáng)度、抗?jié)B及尺寸均滿足設(shè)計(jì)要求，但表面常出現(xiàn)深淺不一的裂紋。出現(xiàn)裂紋主要有兩種類型，一種為不規(guī)則的表面龜裂，一般出現(xiàn)在管片外弧表面頂部區(qū)域，發(fā)現(xiàn)時(shí)間往往在浸水養(yǎng)護(hù)后，深度不超過1mm；另一類裂紋較為規(guī)則，一般出現(xiàn)在管片側(cè)面以及兩端，側(cè)面裂紋比較有規(guī)則出現(xiàn)，出現(xiàn)時(shí)間往往在脫模后不久，裂紋長(zhǎng)度一般10-40mm。

表1 管片試生產(chǎn)階段用混凝土配合比

2 管片類型

主要有球墨鑄鐵管片、鋼管片、復(fù)合管片和鋼筋混凝土管片等，每環(huán)由數(shù)塊管片組合而成。目前應(yīng)用最廣泛的是鋼筋混凝土管片。各類管片的主要優(yōu)缺點(diǎn)如下。

2.1 球墨鑄鐵管片

球磨鑄鐵本身就具有強(qiáng)度好、延展性高、易成型、鍛造性能好的特點(diǎn)，生產(chǎn)成的管片管壁比較薄，重量輕，對(duì)于工人來說搬運(yùn)方便，而且管片的精度準(zhǔn)確，外形也很美觀，防水性能良好。缺點(diǎn)是對(duì)加工的設(shè)備性能要求高、加工成本高，在成型后必須采用大型的金屬切削設(shè)備進(jìn)行加工。

2.2 鋼管片

主要用型鋼或鋼板焊接加工而成，其強(qiáng)度高，延性好，運(yùn)輸安裝方便，精度稍低于球墨鑄鐵管片，但施工時(shí)在施工應(yīng)力作用下易變形，在地層內(nèi)也易銹蝕。

2.3 鋼筋混凝土管片

鋼筋混凝土材質(zhì)的管片有一定的強(qiáng)度，加工制作容易，耐腐蝕性強(qiáng)、造價(jià)低，也是最常用的管片制作材質(zhì)。但是重量大，運(yùn)輸、安裝不方便。

蘭州地鐵1號(hào)線一期工程采用鋼筋混凝土襯砌管片，本文針對(duì)鋼筋混凝土管片生產(chǎn)過程出現(xiàn)裂紋進(jìn)行分析。

3 主要原因分析

混凝土膨脹或收縮引起的過大應(yīng)力是鋼筋混凝土構(gòu)件中混凝土開裂的主要原因。其次，脫模溫度差太大，失水過快，會(huì)導(dǎo)致裂縫。從斷面的表面開裂特征和發(fā)生時(shí)間來看，應(yīng)該是由收縮引起的裂縫。經(jīng)過對(duì)混凝土原料，配合比，混合質(zhì)量，進(jìn)料，振動(dòng)，擦拭，蒸汽，脫模等的綜合分析或測(cè)試，可能導(dǎo)致段開裂，產(chǎn)生表面裂紋的主要原因。細(xì)分如下。

3.1 混凝土性能需要提高

混凝土混合后，沒有出現(xiàn)泌水現(xiàn)象，可加工性良好。然而，在生產(chǎn)過程中，強(qiáng)烈振動(dòng)后混凝土表面嚴(yán)重振動(dòng)，管口附近的砂漿太厚。當(dāng)水分散到混凝土混合物表面時(shí)，表面混凝土的水灰比增加，抗拉強(qiáng)度降低，收縮增加，使混凝土更容易出現(xiàn)表面裂縫。砂漿的表面富集也會(huì)導(dǎo)致表面混凝土過度收縮并增加混凝土開裂的可能性。根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，需要進(jìn)一步縮短混凝土凝結(jié)時(shí)間。延長(zhǎng)混凝土凝結(jié)時(shí)間將延長(zhǎng)對(duì)管片的蒸汽養(yǎng)護(hù)，縮短蒸汽時(shí)間，并迫使蒸汽溫度增加，使混凝土溫差變形進(jìn)一步增加。

3.2 投料方式不合理

生產(chǎn)初期基本采用一次投料方式，不僅不利于止水帶附近氣泡的排出，同時(shí)也易使管片在振搗后表面的砂漿更多。

3.3 振動(dòng)過程不正確

模具本身配備了附加的氣動(dòng)振動(dòng)器，能量很大。為了節(jié)省振動(dòng)時(shí)間和排氣，工人經(jīng)常長(zhǎng)時(shí)間打開能量振動(dòng)，使混凝土表面分泌水，同時(shí)靠近進(jìn)料口。聚集了大量的砂漿，其深度通常超過5厘米。從實(shí)際生產(chǎn)情況來看，一小部分裂縫出現(xiàn)在進(jìn)料口附近。

3.4 清潔蓋模時(shí)，對(duì)混凝土表面的保護(hù)不當(dāng)

當(dāng)揭開管子兩端的蓋模時(shí)，拖把應(yīng)直接使用，管子混凝土表面沒有任何保護(hù)，因此大量的洗滌水濺到混凝土表面，表面往往是直接擦拭和放大。混凝土開裂，特別是表面開裂的可能性。

3.5 固化和脫模時(shí)溫度較高，脫模區(qū)濕度較低

由于在混凝土初始凝固之前混凝土的蒸汽將導(dǎo)致管表面的表面被堵塞，因此在初始凝固后必須對(duì)管件進(jìn)行蒸汽處理，并且初始蒸汽養(yǎng)護(hù)時(shí)間和成型時(shí)間為取下，管件的實(shí)際蒸汽養(yǎng)護(hù)時(shí)間通常小于5小時(shí)。為了確保脫模所需的強(qiáng)度，固化溫度必須提高到60℃以上，并且由于冷卻時(shí)間，脫模時(shí)的溫度通常也低于40℃，因此管板脫模后迅速冷卻。脫模溫度越高，溫差越大，失水越快。管蒸汽的溫度升高越大，后期由于溫度引起的收縮越大。

3.6 在封口處編號(hào)、檢查工作期間，把工作盡量安排在南門的風(fēng)口處進(jìn)行檢查和檢修

這不僅能進(jìn)加快混凝土的冷卻速度，而且加強(qiáng)了混凝土表面的失水現(xiàn)象，混凝土管片表面就會(huì)很容易出現(xiàn)裂紋。從實(shí)際的生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)的裂縫都是在蒸汽養(yǎng)護(hù)未完成時(shí)產(chǎn)生的。

4 采取措施

4.1 加強(qiáng)對(duì)原材料的控制

在施工前期對(duì)混凝土中水泥和添加的摻合料進(jìn)行檢測(cè)，也就是對(duì)粉煤灰和水泥的性能質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，主要是對(duì)摻合料的細(xì)度和需水量進(jìn)行控制，適當(dāng)?shù)膶?duì)其他指標(biāo)也進(jìn)行采取控制措施。每一批混凝土中摻加你的砂子和礫石都必須進(jìn)行清潔，目的就是保證泥漿的含量能達(dá)到施工標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 控制好混凝土的攪拌時(shí)間

混凝土攪拌時(shí)間每延長(zhǎng)1分鐘，可以增加混凝土的均勻性，減小混凝土初凝時(shí)的泌水現(xiàn)象。同時(shí)，在減小泌水率的同時(shí)要保證混凝土拌和時(shí)的坍落度能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4.3 合理確定進(jìn)給方式和振動(dòng)過程

在進(jìn)給時(shí)，采用側(cè)進(jìn)給振動(dòng)的方法，通過第一次強(qiáng)烈振動(dòng)減弱振動(dòng)。當(dāng)混凝土流動(dòng)性較高時(shí)，弱振動(dòng)時(shí)間比強(qiáng)振動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，當(dāng)混凝土流動(dòng)性小時(shí)，強(qiáng)振動(dòng)時(shí)間比弱振動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)。具體的振動(dòng)時(shí)間根據(jù)混凝土混合物的性能確定，總振動(dòng)時(shí)間應(yīng)在4分鐘內(nèi)控制。

4.4 在抹灰過程中，在段的混凝土表面上放置一層塑料薄膜，以防止在用拖把取下蓋子之前水濺到混凝土表面上

在涂抹段混凝土表面之前，用木質(zhì)擦拭布或其他工具擦拭。如果發(fā)現(xiàn)太多砂漿，可以將其移除，然后用相應(yīng)的混凝土壓實(shí)抹子填充。在整個(gè)過程中嚴(yán)格禁止原水。

4.5 保棚設(shè)置在相對(duì)安靜的地方

我們采取提前提高溫度的措施，能縮短溫度提升之間和溫度恒定的時(shí)間，對(duì)蒸汽的溫度嚴(yán)格的把控，尤其是最高溫度。如果超過55度，就要延長(zhǎng)冷卻的時(shí)間，把混凝土的溫度完全釋放。環(huán)境溫度一般不能超過15度。蒸汽養(yǎng)護(hù)的過程中加熱的速度控制在15度/小時(shí)以內(nèi)，冷卻的速度在20度/小時(shí)以內(nèi)。

4.6 蘭州位于西北地區(qū)，氣候比較干燥

在施工期間，為了能保證施工場(chǎng)地的濕度，施工區(qū)域要采取措施對(duì)地面進(jìn)行濕潤(rùn)。施工期間，要定時(shí)檢查施工區(qū)域的溫度和濕度。如果脫模板上有覆蓋土工織物，對(duì)土工織物及時(shí)灑水濕潤(rùn)，水分才能不流失保證施工區(qū)域的濕度。進(jìn)出口安裝擋風(fēng)玻璃，人員進(jìn)出是及時(shí)關(guān)門窗，以免區(qū)域內(nèi)的濕度被破壞。

5 結(jié)語

綜上所述，在管片預(yù)制場(chǎng)采取一系列改進(jìn)措施后，管片的表面質(zhì)量得到了改善。在改善后生產(chǎn)的27000個(gè)環(huán)段中只有少量的幾十個(gè)環(huán)出現(xiàn)輕微的裂紋現(xiàn)象，并且此段沒有出現(xiàn)損壞裂縫的出現(xiàn)。裂紋情況改善后，蘭州地鐵1號(hào)線某區(qū)間工程的施工質(zhì)量也得到了業(yè)主的肯定，質(zhì)量監(jiān)督管理部門也很贊成這種有效的改進(jìn)措施，這也有效的促進(jìn)了地鐵行業(yè)發(fā)展，提高了社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。