TBM預制管片混凝土養護工藝對比試驗分析

摘要：以菲律賓卡利瓦大壩項目的引水隧洞工程為背景，在引水隧洞施工中，采用了先進的雙護盾隧洞掘進機（Tunnel"Boring"Machine，"TBM）的掘進施工技術，其中，混凝土預制管片生產是保障整體隧洞施工順利進行的決定性因素之一。通過前期的優化配合比設計與一系列的試驗，結合當地氣候條件，對TBM預制管片采用免蒸養工藝，對免蒸養工藝條件下的混凝土強度、耐久性等性能進行試驗統計分析。對比蒸養工藝和免蒸養工藝的優、缺點，從經濟、強度、耐久行等方面進行比選。

關鍵詞：管片混凝土""配合比"""基本參數"""外觀質量"""免蒸汽養護

Analysis"of"Comparative"Experiment"on"Concrete"Curing"Process"of"TBM"Precast"Segments

LIU"Haiwei

China"Energy"Engineering"Group"Guangxi"Hydroelectric"Construction"Bureau"Co.，"Ltd.，"Nanning，"Guangxi"Zhuang"Autonomous"Region，"530001"China

Abstract："This"paper"takes"the"diversion"tunnel"project"of"Kaliwa"Dam"project"in"Philippines"as"the"background."Advanced"double-shield"Tunnel"Boring"Machine"（TBM）"tunneling"technology"is"adopted"in"the"diversion"tunnel"construction，"among"which"the"production"of"precast"concrete"pipe"segment"is"one"of"the"decisive"factors"to"ensure"the"smooth"progress"of"the"overall"tunnel"construction."Through"the"preliminary"optimization"of"mix"ratio"design"and"a"series"of"experiments，"combined"with"the"local"climate"conditions，"the"TBM"precast"pipe"segment"adopts"the"steam"free"curing"process，"and"the"strength，"durability"and"other"properties"of"concrete"under"the"steam"free"curing"process"condition"are"analyzed"statistically."The"advantages"and"disadvantages"of"steam"curing"process"and"steam"free"curing"process"were"compared"from"the"aspects"of"economy，"strength"and"durability.

Key"Words："Segment"concrete;"Mix"ratio;"Basic"parameters;"Appearance"quality;"Steam"free"curing

菲律賓卡利瓦大壩項目全稱為新百年水資源計劃——卡利瓦大壩項目，項目主要是在菲律賓呂宋島東南部Kaliwa河下游建設一座壩頂長247.19"m、最大壩高73.3"m的混凝土重力壩，同時建設一條長21.902"km的引水隧洞，將Kaliwa河水引至位于Teresa的供水廠。其中"全段面隧洞掘進機（Tunnel"Boring"Machine，"TBM）的掘進施工段長17.51"km，開挖洞涇4.8"m，TBM段采用全段襯砌混凝土預制管片。項目建成后，供水能力為60萬t/d，隧洞引水能力240萬t/d。

本項目采用雙護盾TBM單向施工，管片混凝土強度設計等級和國內基本相同。在混凝土管片生產過程中，為了加快模具周轉速度，通常會采用蒸汽養護生產工藝。針對當地氣候，對管片混凝土配合比進行設計和優化，混凝土外加劑采用聚羧酸外加劑，能夠提高早期混凝土強度，同時利用混凝土水化熱產生熱量進行管片的自然養護。本次分析記錄和統計了卡利瓦項目隧洞出口區在常年高溫情況下管片廠白天平均溫度在35℃以上、晚上平均溫度為30℃。結合當地氣候和溫度，最終確認選擇自然養護，這樣更加有利于工程節約成本和改善混凝土的質量，為規范隧洞項目管片廠進行管片生產和養護提供質量控制依據，為改善管片外觀質量提供重要的試驗參數。

1"管片混凝土配合比基本參數

根據設計要求，項目所使用的TBM管片混凝土應符合下列要求：C40W8。因為當地采用高300"mm、直徑150"mm圓柱體成型試塊，所以，C40混凝土相當于國內C50混凝土[1]，前期項目已通過TBM選型和TBM管片選型工作[2]。根據前期的大量混凝土配合比試驗與混凝土配合比優化工作，選用總膠凝材料400"kg進行管片混凝土澆筑試驗統計，設計坍落度控制在70～90"mm。結合當地氣候和工作特點，對外加劑進行選型[3]，最終確定兩種外加劑搭配使用很好地解決了與水泥的相容性問題[4]，同時改善了混凝土的管片混凝土配合比和易性。根據氣候特點，澆筑混凝土不需要進行蒸養，16"h可以達到脫模強度。雙護盾TBM預制管片混凝土配合比設計[5]參數見表1。

2"管片混凝土養護工藝選擇

管片混凝土按照蒸汽養護和免蒸養護（自然養護）進行比較分析。管片生產中過程中，對混凝土采用靜養、升溫、恒溫、降溫等各個時間段進行研究分析，在達到13.8"MPa后進行脫模，此處的13.8"MPa相當于國內標準試塊20"MPa。結合菲律賓當地氣候條件與施工現場氣溫狀況，針對2—11月澆筑管片的溫度統計及12月至次年1月溫度統計，對實際施工過程中12"h抗壓強度進行分析。2—11月，澆筑管片可以采用免蒸養工藝，既能改善管片的外觀質量，同時還能節約養護成本。對管片廠的溫度進行跟蹤統計和分析，統計管片廠中不同時間的溫度表。管片廠室內各環境條件、各時間點的溫度見表2。

養護工藝的選擇采用管片廠對生產管片的時時跟蹤和記錄溫度進行試驗和分析。管片蒸養分為靜養、升溫、恒溫t"降溫4個階段，總時間控制在12"h內。免蒸汽養護對12"h、13"h、14"h、15"h、16"h、17"h、18"h等時間進行脫模強度對比分析，最終確認脫模時間16"h以后。

2.1"蒸養工藝

2.1.1"靜養階段

靜養階段是指混凝土澆筑入模后在場內的靜停時間，其溫度一般與廠內溫度相同或略高于廠內溫度。靜養是為了讓混凝土管片具有一定的初始強度，以防在升溫時混凝土管片產生裂縫和粘模等不良現象，影響管片外觀質量，導致管片出廠后需進行二次修復[6]。

根據本項目中預制管片的生產工藝特點，本項目中的預制管片采用固定管片模具。完成澆筑后1"h后，打開頂模進行收面工作，并拉上蒸養棚，對管片進行靜養工作。在混凝土管片升溫、恒溫和降溫條件都相同條件下，靜養混凝土時間的長短會影響管片混凝土的脫模強度。現根據實際情況，成型4組混凝土試塊進行不同靜養時間下同條件養護，蒸養時間均采用180"min，統計不同靜養時間下混凝土脫模強度和外觀質量情況（見表3）。

表3""""不同靜養時間下混凝土脫模強度和外觀質量情況

靜養時間/min

蒸養時間/min

混凝土試件脫模強度/MPa

混凝土管片表面質量

180

180

13.8

14.1

14.0

14.5

14.2

粘模現象比較嚴重，并有裂縫

210

14.5

14.8

14.9

15.1

15.3

有粘模現象，產生微小裂縫

240

16.2

16.7

16.5

16.6

16.1

無粘模現象，無裂縫，表面光滑

270

17.8

17.2

17.6

17.5

17.8

無粘模現象，無裂縫，表面光滑

從表3中試驗結果可以看出，靜養時間越長，混凝土的脫模強度越高，并且外觀質量更好。

2.1.2"升溫階段

管片混凝土升溫階段是指從靜養溫度上升至蒸汽養護的最高溫度的時間段。升溫方式有直線升溫、變速升溫、分階段升溫等多種方式。以本項目為例，管片生產車間采用的是直線升溫法，靜養時間為240"min，靜養溫度為35"℃，升溫最高溫度按60"℃，恒溫120"min，采用不同的升溫速度進行試驗，升溫試驗結果見表4。

從表4試驗結果可以看出：升溫速度快，可以提搞管片混凝土的脫模強度，但是28"d混凝土強度有所降低，混凝土管片的外觀質量會受到影響；升溫速度慢，雖然讓管片混凝土脫模強度降低，但是后期強度增長，并且混凝土管片的外觀質量較好。結合工藝與當地氣候特點，選擇蒸養速度15"℃/h，該升溫時間既不影響生產速率，又能很好地改善混凝土管片的外觀質量。

2.1.3"恒溫階段

恒溫階段是混凝土預制管片蒸汽養護溫度最高階段，恒溫溫度和時間的選擇主要與水泥品種、水灰比、脫模強度要求有關。本項目采用波特蘭普通硅酸鹽水泥，水灰比控制在0.35，脫模強度滿足13.8"MPa吊運要求。根據管片廠溫度條件，澆筑管片混凝土分別采用最高恒溫60"℃、65"℃、70"℃進行研究，恒溫時間均按120"min記，最終選取最佳恒溫溫度。

2.1.4"降溫階段

管片廠降溫主要采用的是拉開蒸養棚，采用廠房內的溫度差進行降溫。根據規范要求，降溫速度不宜超過20"℃/h，即便在晚上9點左右，廠房內溫度同樣在30"℃左右，經過對管片溫度的持續測定，拉開棚后，管片每小時降溫在10"℃左右。

2.2"免蒸汽養護工藝

本項目預制管片采用固定管片模具，一共有40套模具，每次澆筑TBM預制管片混凝土為40片，采用免蒸汽養護工藝，每天澆筑管片為40片，每月生產的管片數量基本能滿足每月需求量。免蒸養工藝同樣為完成預制管片混凝土澆筑后1"h后打開頂模進行收面工作，并拉上蒸養棚，對管片進行自然養護工作。在拌合站出機口進行了坍落度、混凝土溫度與試塊成型工作，一共成型7組試件，并對該7組試件在不同時間進行脫模，進行抗壓試驗確定脫模強度，詳情見表5。

從表5中可以看中，混凝土在15"h時抗壓強度達到14.6"MPa，大于設計和方案要求的13.8"MPa，在16"h為16.5"MPa。根據現場實際施工情況，管片混凝土澆筑完成一般在下午的3點左右，因此，控制管片第二天脫模時間在早上7點后，滿足脫模強度13.8"MPa的最低要求。因此，采用自然養護工藝，TBM預制管片脫模時間控制在16"h以后。

3"免蒸養工藝與蒸養工藝的對比分析

3.1"強度和耐久性對比分析

根據現場的工作情況，以及進行的試驗對比，總結出蒸汽養護試驗溫度、時間控制如表6所示。同時，根據3種不同蒸養組合和免蒸養工藝的強度、耐久性的對比分析，獲取各種工藝的TBM預制管片混凝土強度值和耐久性[7]。

從表7中可以看出：采用第一種組合時，蒸養后不能達到管片混凝土的脫模強度13.8"MPa；第三組合中，蒸養后脫模強度偏高，這不僅不經濟，還耗時較長，影響管片生產速度；第二組合滿足脫模強度，并且耗時相對第三種組合更短。根據表中試驗統計數據可知，當采用免蒸養工藝進行預制管片養護時，管片混凝土強度在16"h同樣能達到16.5"MPa，每天完成40片管片的澆筑任務，不會影響TBM的單月掘進任務。

3.2"外觀質量對比分析

在生產過程中，管片兩側有很多氣泡，為此，我們同樣對砂率進行了調整。試驗配合比砂率40%，根據骨料情況，將砂率調整為42%，但是，在試生產過程中發現效果不是很明顯。對蒸養工藝進行調整，當靜養時間不足時，管片兩側氣泡出現較多，同時還會導致側面出現麻面現象，在脫模后會發現微小的溫度裂縫。于是增加了靜養的時間，氣泡數量和裂縫數量減少[8]。采用免蒸養工藝進行TBM預制管片混凝土養護，管片的兩側出現氣泡數量很少，不會出現溫度裂縫，麻面的現象也沒有出現。免蒸養工藝對TBM預制管片外觀質量的改善效果明顯。

3.3"澆筑管片的成本對比分析

成本分析采用的是人、材、機的一個對比分析。如果采用蒸汽養護工藝，那么2"d生產120片管片，但是需要工人和當地工程師加班才能完成。如果采用免蒸養工藝，那么1"d生產40片，不需要額外的加班，在正常工作8"h內既能完成相應工作。材料方面，采用蒸養需要使用鍋爐生產蒸汽，需要耗用大量的柴油，增加材料使用量；而采用免蒸汽養護不需額外消耗柴油，同樣生產的管片能滿足掘進需求。從成本反面考慮，采用免蒸汽養護工藝有利于節約成本

4"結語

經過前期混凝土配合比確定的情況下，對采用蒸汽養護工藝生產管片與采用蒸汽養護工藝生產管片進行對比分析，混凝土管片外觀質量與管片靜養、升溫溫度與速度、降溫速度有很大關系。在這次項目實踐中，將理論與當地氣候相結合，制定了免蒸汽養護工藝，減少了蒸汽養護對管片混凝土的負面影響，解決了實踐過程中出現的外觀質量問題，有效節約了工程成本，生產出優質的TBM預制混凝土管片，更是推動了預制管片襯砌隧洞技術向前發展。

參考文獻

[1]"宋澤霞.預制盾構管片高性能混凝土的應用研究[J].工程建設與設計，2023（1）：207-209.

[2]"陶林.菲律賓卡利瓦大壩項目ＴＢＭ選型研究[J].紅水河，2023（1）：27-31.

[3]"黃亞雄.卡利瓦大壩項目輸水隧洞ＴＢＭ施工管片選型分析[J].紅水河，2024（2）：50-53.

[4]"中國國家標準化管理委員會.混凝土外加劑：GB"8076-2008［S］.北京：中國標準出版社，2009.

[5]"中國電力企業聯合會.水工混凝土外加劑技術規程：DL/T"5100-2014［S］.北京：中國電力出版社，2014.

[6]"水工混凝土配合比設計規程.水工混凝土配合比設計規程：DL/T"5330-2015［S］.北京：中國電力出版社，2015.

[7]"梁玉強，王義盛.蒸養參數對輕質管片混凝土力學性能的影響[J].武漢工程大學學報，2022（4）：468-472.

[8]"黃志剛.高速公路預應力混凝土T梁工廠化預制關鍵技術研究[D].天津：河北工業大學，2022.