露天生產大直徑盾構管片工藝及質量控制要點

羅啟正

重慶單軌交通工程有限責任公司 重慶 400054

具不完全統計中國已有超過40個城市開通地鐵，總里程超過4500km，未來5年計劃再新建3000km城市軌道交通[1]。隨著城市發展城市面積不斷擴張，越來越多的城市采用盾構法施工建設市域鐵路、過江隧道、過海隧道等項目。采用盾構法施工盾構管片是隧道主體結構，管片質量直接影響到隧道質量[2]。由于市域鐵路、過江隧道、過海隧道等項目普遍存在線路分散，線與線之間距離較遠，使用的盾構管片直徑和重量較大，導致運輸成本較高。目前，國內一些學者針對大直徑盾構管片生產工藝、質量控制進行了一些研究，采用固定臺座法露天生產大直徑管片的企業很少，筆者結合工作實踐經驗，談一談采用固定臺座法露天生產大直徑盾構管片的質量控制的相關經驗。

管片生產過程主要涉及到鋼筋、模板和混凝土三大版塊，露天采用固定臺座法生產大直徑盾構管片與國內其他學者總結的管片生產技術控制措施的區別在于露天環境變化多樣性，本文主要介紹露天生產與車間生產的質量控制差異。

管片混凝土設計強度等級≥C50，抗滲等級≥P10，結構設計的工作年限為100年，管片作為隧道襯砌的主要結構，管片在隧道中需承受土和水壓力的壓力，甚至還要承受來自于上部結構的壓力影響。同時管片對寬度、厚度和弧長控制精度高，管片作為防水結構，生產過程中不得出現貫穿裂紋或寬度大于0.2mm的裂縫，對控制的難度較大[3]。因此，采用固定臺座法露天生產大直徑盾構管片對材料、混凝土和養護控制提出了很高的要求。

1 主要生產工藝

1.1 生產工藝介紹

鋼筋車間生產的鋼筋籠按批量進行檢驗后，由專用軌道運送至鋼筋籠待存區，通過行吊入模，混凝土攪拌站生產的合格混凝土通過叉車轉運至現場進行澆筑。采用附著式振搗，完成澆筑后用篷布遮蓋進行集中蒸養，混凝土管片達到脫模強度后通過行吊將管片運輸檢驗編號區由監造工程師集中批量驗收，合格后轉運到室外養護池養護。水養7天后的管片通過行吊和平移小車將管片轉移到堆碼場地進行儲存。

1.2 主要生產工藝流程

圖1 管片生產工藝流程圖

2 原材料質量控制

管片混凝土設計強度等級≥C50，抗滲等級≥P10，結構設計的工作年限為100年，管片作為隧道襯砌的主體結構，管片在隧道中需承受土和水壓力的壓力，甚至還要承受來自于上部結構的壓力影響。同時管片對寬度、厚度和弧長控制精度高，管片作為防水結構，生產過程中不得出現貫穿裂紋或寬度大于0.2mm的裂縫，對控制的難度較大[4]。因此，采用固定臺座法露天生產大直徑盾構管片對材料質量、混凝土性能和養護控制提出了很高的要求，具體質量要求詳見表1。

表1 盾構管片材料質量及操作要點（表格來源：作者自繪）

2.1 水泥質量控制

水泥作為混凝土主要的膠凝材料，其質量嚴重影響混凝土的強度、抗滲性和外觀質量等，在生產前應選用質量穩定、產量富裕、水化熱低的生產廠家，水泥在使用前應進行一系列的適應性試驗，并與其他材料進行配合比設計，經過驗證合格后方可使用。在選擇水泥廠家時，應選擇需水量較低的水泥，需水量高的水泥會增加外加劑的使用量，一方面增加成本，另一方面會導致混凝土粘度增加，影響管片的外觀質量。

水泥進場應查驗水泥的進場質量證明文件、測量水泥的進場溫度，水泥進場時溫度不應超過70℃，使用時不得超過60℃。水泥溫度高會導致混凝土的需水量增加，一方面影響強度，另一方面會縮短水化時間，容易導致管片開裂。在保證水灰比不變的情況下增加外加劑用量容易降低管片的外觀質量。水泥進場后應對每個批次的水泥進行進場檢測，合格后方可用于管片生產中。

2.2 人工砂、碎石質量控制

砂、石作為管片的主要結構材料和填充材料，其質量直接影響混凝土和管片成品的質量，砂、石生產應在固定的工廠家加工。在露天條件下生產大直徑盾構管片，混凝土的失水開裂的風險更高。對此，砂、石的含粉量、亞甲藍MB值、級配不良、空隙率大更容易造成混凝土收縮開裂。同時，含粉量高、亞甲藍MB值大、級配不良、空隙率大，會增加混凝土的需水量，在保證水灰比不變的情況下會增加外加劑的使用量，增加混凝土成本和影響外觀質量。

2.3 粉煤灰質量控制

粉煤灰作為混凝土重要的摻和材，其性能對混凝土的質量影響大，除滿足規范及上述指標要求外，還應考慮粉煤灰中的氨含量，使用氨含量高粉煤灰會影響管片的外觀質量，同時還存在管片體積膨脹導致開裂的風險。粉煤灰進場時應檢驗合格證及質保書是否齊全，并按批次取樣檢測。

2.4 外加劑質量控制

在冬季露天環境下生產大直徑管片，外加劑的性能直接關乎到管片生產模具的周轉頻率，由于外界溫度低，外加劑的的性能也對管片的裂縫控制、外觀質量控制有較大的影響。采用固定臺座法生產大直徑管片時，應采用聚羧酸高性能或高效減水劑，調整凝結時間的早強成分不得使用早強劑代替。外加劑進場后查驗質量證明文件，并進行取樣檢測，合格后方可使用。

2.5 拌合用水質量控制

拌合用水應采用自來水拌合，其質量應滿足標準要求，生產過程中每半年應對拌合用水的質量進行檢驗。

3 混凝土質量控制

3.1 混凝土配合比設計

大直徑管片與普通盾構管片相比，混凝土方量和尺寸大，管片內部的水化熱也更大。管片在露天生產保溫困難，當外部環境溫度低，容易造成管片內外的溫差大產生的拉應力造成管片開裂。在混凝土配合比設計時，應根據生產進度、管片強度等參數計算混凝土配合比，配合比中的膠凝材料不宜大于450kg/m3，宜摻入不少于10%的粉煤灰、礦粉等摻合料。

另外管片混凝土配合比除滿足強度、抗滲、氯離子擴散系數等指標外，同時混凝土還應具有較好的和易性，混凝土的凝結時間應滿足生產需要。

3.2 混凝土攪拌及澆筑

混凝土攪拌應采用強制式混凝土攪拌站，攪拌時間不宜小于120s，攪拌站控制誤差應滿足《混凝土質量控制標準》（GB50164-2011）中的規定，混凝土澆筑時坍落度不宜大于120mm，振動時采用附著式振動器氣壓不宜低于0.6MPa。澆筑時應分層布料，分層振動停留時間宜不低于30s，放料完成后混凝土表面不再有石子沉落、不再有大量氣泡排出、模具蓋板邊沿出現3-5cm寬浮漿后停止振動。

3.3 混凝土收面及養護

由于是露天環境生產，容易造成混凝土表面失水導致的表面開裂，混凝土每次收面完成后都應用塑料薄膜覆蓋，最后一次收面完成后待混凝土表面不粘手時用塑料薄膜覆蓋后進行養護。在環境溫度低于20℃時，宜進行蒸汽養護，養護溫度不超過50℃。養護時應在收面完成后1小時開始養護，養護按照升溫、恒溫和降溫控制，升溫速度按照≯10℃/h控制，降溫速度按照≯20℃/h控制。

為防止管片脫模后與外界溫差大，脫模前2小時應將蒸養設施打開，脫模前半小時應將模具四周側模打開，將薄膜覆蓋與管片表面，待管片與外界溫差≯20℃時方可吊裝。在冬季雨天生產時，脫模后要防止雨水直接淋在管片表面，造成管片內外溫差大形成拉應力造成管片開裂[5]。

4 大直徑管片裂紋類型及主要成因分析

4.1 外弧面裂紋

管片外弧面裂紋主要有龜裂和收縮裂紋。

龜裂紋在管片生產或其他混凝土制品生產中是比較常見的裂紋類型，同時也是管片最容易產生的裂紋，通常在管片濕潤狀態下容易見到。龜裂紋大多在管片生產以后一定時間后出現，屬于一中淺表性裂紋，對混凝土結構無影響。龜裂紋的產生與混凝土配合比、材料的含泥量以及養護時間等方面均有影響。

收縮裂紋主要是在管片收面過程或脫模前后產生的，主要是混凝土表面失水產生的。裂紋寬度普遍＞0.2mm，主要在管片外弧面以及管片外弧面與側面轉角處位置易出現。

圖2 砼表面龜裂

圖3 收縮裂紋

4.2 側面裂紋

側面裂紋主要是內外溫差大產生的拉應力造成混凝土表面開裂的一種收縮裂紋。側面裂紋在冬季生產時出現的可能性較大，管片脫模時內部溫度可能會超過60℃，而冬季施工時外界氣溫普遍低于10℃，內外溫差可能超過50℃，在這種情況下側面容易出現收縮裂紋。

圖4 側面裂紋

圖5 手孔裂紋

4.3 手孔及止水槽裂紋

管片手孔預埋件位置在溫差較大的季節下長時間存儲，以及在未覆蓋的狀態下容易產生細微裂紋。管片止水槽位置的裂紋主要有橫向和縱向裂紋，橫向裂紋主要原因與內外溫差有關，縱向裂紋與混凝土收縮以及內外溫差有較大關系，容易在管片脫模前產生，生產過程中應注意養護時間和養護溫度。

5 結語

采用固定臺座法生產大直徑管片，需對水泥的需水量、水化熱、水泥進場溫度等指標進行控制。砂、石的含粉量、顆粒級配、空隙率、亞甲藍MB值對管片的外觀質量影響較大，同時還容易造成混凝土表面開裂。

粉煤灰中的氨含量影響管片的外觀質量，嚴重時會造成管片開裂。外加劑中不得加入早強劑，不僅會影響混凝土的后期強度同時容易造成管片早期開裂。

混凝土配合比設計應嚴格控制膠凝材料總量，摻合料用量不宜低于10%。混凝土收面時應及時保濕，當環境溫度低于20℃時宜采用蒸汽養護，管片脫模前應有足夠的降溫時間，管片吊裝時與環境溫差不宜大于20℃。