盾構法施工用鋼筋混凝土管片相關標準及其質量管理要點

蔡亞寧，劉振豐

（1.北京城建集團有限責任公司工程總承包部，北京 100088；2.陜西凝遠新材料科技股份有限公司，陜西 西安 712034）

0 引 言

根據中國城市軌道交通協會第二屆理事會會議發布的《城市軌道交通 2018 年度統計和分析報告》：“截至 2018 年底，中國內地共有 35 個城市開通城市軌道交通，運營線路總長度 5 761.4 km”。而在城市軌道交通建設過程中，盾構法以其安全、高效和對環境影響小等優點得到了廣泛應用。同時，越來越多的越江道路、電力、引水和綜合管廊等工程中也采用盾構法施工。

在盾構施工中，管環要承受盾構機掘進時產生的巨大頂推力、壁后注漿壓力、結構周圍土體或水壓等多重力的作用而不變形或破裂；在隧道成型后，管環還要承受周圍的水壓力、土壓力和相關結構受力載荷而保持結構穩定［1］。

管環是由管片按照設計要求拼裝后形成，是管片進入隧道的形式。根據隧道直徑大小，管環可分為 5～9 片或更多片的管片。

管片按材質分為：鋼筋混凝土管片、鋼纖維混凝土管片、鋼管片、鑄鐵管片和復合管片等。其中，鑄鐵管片一般作為負環管片使用，但由于其制造成本較高，現已很少采用。鋼管片一般在盾構機整體過站或始發負環時使用；鋼纖維混凝土管片在國外已有使用，在北京地鐵十號線已完成試驗研究，并有 80 環的應用實例［2］。鋼筋混凝土管片是目前在隧道襯砌結構中最常使用的類型。因此，本文的內容僅針對鋼筋混凝土管片（以下簡稱“管片”）而言。

1 與管片有關的規范

管片是盾構法施工的隧道的最小受力單元，其質量直接關系隧道整體安全和壽命。這就要求管片不僅自身需要極高的強度和抗滲要求，而且還要求其具有極高的尺寸精度和預埋件質量，以保證拼裝后管環接縫嚴密、結構受力及其它功能目標的實現，因此，隨著我國隧道建設事業的發展和盾構法的不斷推廣，我國與管片相關的規范以及規范制訂工作不斷得到完善。

1.1 與管片直接有關的國家和行業規范

在我國涉及管片的規范十分廣泛，分別從盾構法施工、地下防水、管片生產工藝、檢測和模具制造等有關方面對管片的要求和質量進行了規范。較宏觀地規定管片質量的規范有 GB 50157－2013《地鐵設計規范》［3］、GB 50108－2008《地下工程防水技術規范》（2013 版）［4］和 GB/T 50299－2018《地下鐵道工程施工及驗收標準》［5］。GB 50446－2008《盾構法隧道施工與驗收規范》［6］是我國首部真正對盾構法施工和管片生產以及隧道驗收進行了全面和系統性要求的規范，曾獲得 2009 年度華夏二等獎；其中在第 6 章中從模具、鋼筋骨架、混凝土澆筑和養護、成品質量和檢驗等對管片生產各關鍵工序系統地提出了要求，在第 16 章對管片的驗收做出了規定，很好地指導和規范了尚在發展中的盾構法的施工。其后的 GB/T 22082－2017《預制混凝土襯砌管片》［7］和其他與管片相關的行業規范可以理解為是對 GB 50446－2017《盾構法隧道施工與驗收規范》中與管片有關條款的進一步明確和細化。表1給出了目前與管片相關的國家和行業規范的大致情況。

在表1 的規范中，有的規范對于錯縫拼裝管片的寬度允許偏差僅為 0.5 mm，這在實際中幾乎是不能實現的；關于管片生產的內容有關規范大體一致，但在有關成品檢驗還存在不一致的內容，需管片企業在生產前一定與管片采購或使用方協商好規范，避免不必要的麻煩。

表1 與管片有關的國家和行業規范簡況

續表1

1.2 與管片直接有關的地方規范

在 GB 50446－2008《盾構法隧道施工與驗收規范》（現已作廢）和 GB/T 22082－2008《預制混凝土襯砌管片》（現已作廢）實施之前，國內沒有統一的盾構法施工和管片產品規范以指導和規范生產企業，有些城市因此根據實際需要制定了自己的地方規范，也有的城市依據國標結合當地情況制定了自己的地方規范，目前能檢索到的與管片相關的地方規范如表2 所示。

表2 與管片有關的地方規范

1.3 與管片直接有關的企業規范

在我國進行地鐵建設的城市，多成立一個專門的地鐵建設公司，由其負責全市范圍內的有關建設管理工作，所以企業規范分為兩類，一類是由地鐵建設管理公司組織編制，如北京和深圳；還有一類是由管片生產企業編制，如上海、沈陽、西安及其他地方。

2 管片質量管理要點

管片生產工藝按其流水特點，一般可分為固定臺座法、機組流水法及流水傳送法 3 種方式，固定臺坐法是操作工人在動，機組流水法和流水傳送法都是模具在動，其不同點是傳送法的模具是在流水線上自動行走。在新建和改建管片廠時，建議企業最好綜合考慮投資規模、地區特色、市場特點、產能需求及現有設施的充分利用等因素，并結合各種生產工藝的特點，選用最適合自己的生產工藝。

在選定生產工藝后，管片生產就應按照上文有關的或在合同中約定的規范生產，以實現既能保證管片質量又能提高生產效率、成本較低的目的。

2.1 工藝流程

實際生產中，不論采用哪種生產方式，管片生產工藝流程基本一致，其流程圖如圖1 所示。

圖1 管片工藝流程圖

2.2 工序質量控制流程

在管片的生產過程當中，工序質量控制是保證管片最終質量的基礎，其主要包括模具的清理與組裝、混凝土原材料選擇和配合比設計、鋼筋原材加工和骨架成型、混凝土澆筑成型及養護、成品檢驗與一般缺陷修補等。模具的組裝質量直接決定管片的尺寸和成品質量，清理是否到位直接決定管片的外觀，需要按照有關規范要求加強模具的清理并確保模具組裝后的尺寸符合質量要求。因管片用混凝土強度等級通常不低于 C50，以及使用不同減水劑或外加劑配制的混凝土成型后的浮漿厚度會有明顯不同，因此需要對外加劑以及砂石等原材進行優選。混凝土配合比設計需要以設計的混凝土強度和抗滲等級為依據，并要留有適當的富余度；一般需要通過試拌確定新拌混凝土的工作性，過于黏稠的混凝土不利于澆筑、振搗和成型；保水性不好的混凝土經振搗會在表層產生太厚的浮漿，進而會導致成品管片澆筑面的開裂。鋼筋骨架的制作成型也是非常關鍵的一個環節，鋼筋加工前應保證表面無銹斑、灰塵、油脂及其他有害物質；鋼筋骨架組裝要滿足成品精度控制的要求，特別是骨架入模后要適當調整墊塊的數量和位置以確保鋼筋保護層滿足設計或規范要求，并應避免接觸脫模劑；各種預留預埋要精確定位和固定。在混凝土澆筑成型工序中，在嚴格實施振搗程序的同時，需要觀察振搗效果，一旦發現振搗設備的振搗力不足時可通過采取比如延長振搗時間、減小混凝土澆筑厚度或插入式振搗等措施，要確保混凝土既不漏振、也不過振。無論何種原因導致混凝土未能連續澆筑且澆筑上層混凝土時下層混凝土已經初凝的情況，所澆搗的管片均應報廢，并需及時清理模具，以避免后期因清理混凝土給模具表面造成缺陷。混凝土養護需要嚴格按照養護制度及規范進行，過高的恒溫溫度、升降溫速率以及管片表面與環境的溫差都可能導致結構性的裂縫。在完成養護及管片出模后，需要對每塊管片進行觀感和尺寸質量檢驗。當管片出現的缺陷屬于規范規定的一般時，需要及時修飾并進行必要的養護，屬于嚴重缺陷的管片應進行標識并報廢。具體的管片生產工序質量控制流程圖如圖2 所示 。

圖2 管片工序質量控制流程圖

2.3 管片生產關鍵工序的質量操作要點

關鍵工序是指關鍵部件的加工制造工序和關鍵部位的裝配調整工序。關鍵工序確定的原則為：①產品質量特性為 A 級的項目或關鍵部位；②對工藝上有特殊要求或對下道工序有較大影響的工序、或工藝難度大、質量較易波動或問題發生較多的工序。對于管片生產，作者總結的其關鍵工序和質量操作要求如表3 所示［12-13］。

3 盾構管片生產常見錯誤認識

在管片生產中，要按照上文所述某一部或某幾部規范生產并把控其生產關鍵工序的質量操作。但在筆者與管片企業的生產技術人員和現場駐廠監理的溝通中，發現大家在有關管片生產中容易形成以下幾個錯誤認識，現將其列舉出來，以糾正不正確的認識和觀念，提升管片的內在和表觀質量。

表3 關鍵工序的質量操作要點表

圖3 模具清理

圖4 涂刷隔離劑

圖5 鋼筋骨架檢查

圖6 鋼筋保護層檢查

圖7 鋼架骨架入模

圖8 混凝土澆筑

圖9 管片出模（吊架）

圖10 管片出模（吸盤）

3.1 生產管片的混凝土水泥用量越多越好

水泥用量是混凝土強度發展的保證，單方水泥用量越多，同等條件下混凝土強度發展越快，這對提高預制管片生產效率、縮短模具周轉時間有利。但是，由于水泥用量增多帶來的水泥水化熱增長加快將會增加混凝土結構出現溫度裂縫的幾率，對管片結構耐久性不利。

3.2 生產混凝土時的坍落度越大越好

縱然是保證混凝土和易性前提下混凝土坍落度增大對管片來說也不是好事，較大坍落度雖然能夠提高混凝土澆筑速度，但黏聚性會隨著坍落度增大而降低。由于管片模具振搗力一般較強，遇大坍落度混凝土振搗后容易出現分層現象，不利于均勻密實成型。另外，大坍落度意味著混凝土中絕對含水量增加，會相應增加混凝土干縮。當有可靠的技術做保證時，并不排除使用自密實等高性能的大坍落度混凝土的使用。

3.3 澆筑混凝土時振搗時間越長越好

振搗時間過長容易產生過振現象，雖然管片混凝土一般為低坍落度混凝土，過長時間的振搗即過振也會導致混凝土分層，故管片混凝土澆筑時應合理控制混凝土振搗時間。

3.4 管片試件的強度增長越快越好

為了提高生產進度，管片預制廠家可能會想盡辦法提高混凝土早期強度。如果采用過分依賴使用早強劑或提高蒸汽養護溫度的錯誤做法來提高早期強度，則會導致出現管片 14 d 強度＞28 d 強度、混凝土強度倒縮的不利現象。

3.5 管片試件的強度越高越好

混凝土強度達到設計要求即可，超出強度規范太多的混凝土至少會帶來兩點危害，高強度混凝土其膠凝材料特別是水泥用量相應也較多，一方面會造成材料浪費，另一方面如果對水化反應控制不力，會不利于混凝土的結構耐久。特別是當混凝土試件強度的離散性較大時，意味著混凝土質量的控制有待改進。

3.6 管片出模后立即水養好

采用蒸汽養護的管片，出模后其管片內部混凝土溫度一般高達在 70 ℃ 以上。而采取水中養護方式因水溫大多在 20～30 ℃，如果出模后立即放入水中，相當于對管片內部混凝土結構進行一次淬冷，顯然不利于混凝土內在結構質量。

3.7 水養時加的石灰乳越多越好

管片后期水中養護時適量添加石灰乳使水成弱堿性，有利于促進水泥水化，使混凝土結構更加致密。但如果水中石灰乳過量會使管片成品表面附著一層氫氧化鈣，當遇到北方常見的酸性雨水時，就會在管片表面生成一層疏松的鈣鹽類物質，從而影響管片表觀質量。

4 結 語

有關管片的規范目前已經形成了國家、行業、地方和企業的系統體系，生產企業應基于文中的規范進行生產，通過對原材料的優選、模具精度的保持、鋼筋籠骨架的加工和安裝以及混凝土施工等各個關鍵工序的質量把控，并在生產實踐中避免文中所提到的常見錯誤觀念，以確保管片成品的質量，切實為盾構工程提供優質產品。