劉成虎

中國水利水電第七工程局有限公司

1 引言

盾構(gòu)法是隧道重要的施工方法，優(yōu)勢是掘進速度快、安全性高，適應(yīng)性好，幾乎可以滿足任何土質(zhì)的施工要求。管片主要有普通環(huán)與通用環(huán)兩種類型，一環(huán)由6 片或者9 片管片組成，管片之間可以用彎螺栓連接也可以用直螺栓連接。盡管不同的常見生產(chǎn)管片的工藝有所區(qū)別，但生產(chǎn)流程基本一致，主要采用兩種模式，一種是固定模生產(chǎn)，另一種是流水線模生產(chǎn)。鋼筋在定位胎具焊接成型鋼骨架，由振動臺震動成型，通過自動溫度控制系統(tǒng)進行蒸汽養(yǎng)護。在管片的生產(chǎn)過程中，多種因素都能影響生產(chǎn)質(zhì)量，比如生產(chǎn)技術(shù)、管理水平、員工的技能水平、生產(chǎn)設(shè)備可靠程度等。如何提高管片質(zhì)量，減少氣泡與裂縫，是目前困擾廠家的主要問題。

2 盾構(gòu)管片氣泡與裂縫的形成原因分析

2.1 氣泡的形成原因

（1）在攪拌混凝土過程中會自然而然地形成氣泡，在振搗棒的擠壓下，氣泡逐漸聚集、變大，其中一部分氣泡會經(jīng)混凝土的表面排出，而還有一部分氣泡沒有隨著振搗而排出，主要存在于混凝土的切割端面或者構(gòu)件靠模的側(cè)面。

（2）混凝土的配合比與坍落度密切相關(guān)，坍落度大，說明混凝土的含水量較多；坍落度小，則說明混凝土中的水分較少。氣溫、生產(chǎn)工藝等因素均會對混凝土的坍落度產(chǎn)生影響，原則上，除了結(jié)合水之外，混凝土中的水分越少越好。但常溫下，混凝土管片有著比較嚴格地坍落度要求，最好保持3cm～5cm的坍落度。如果坍落度太小，混凝土?xí)驗榭焖倌潭鵁o法充分有效地振搗，最終會形成空洞與蜂窩。

（3）制作盾構(gòu)管片的鋼模必須有較高的精準度與良好的密封性，誤差不超過0.4mm。大部分的模具側(cè)模都有凹凸榫，凝固過程中，混凝土?xí)a(chǎn)生熱量，在振搗棒的擠壓作用下，混凝土中的水分與氣泡會排出來，而排出的水分、氣泡通常會集中在模具與管片側(cè)面的凹凸榫位置。原本混凝土所在的位置被氣泡占據(jù)，脫模后，凹凸榫處的氣泡數(shù)量最多。模具側(cè)模沒有凹凸榫的管片上，氣泡的數(shù)量很少，而且氣泡的分布比較均勻，管片內(nèi)部的氣泡同樣少而均勻。

2.2 裂縫的形成原因

（1）混凝土因干燥收縮會形成裂縫。

（2）管片的升溫、降溫幅度太大而形成裂縫。

（3）混凝土具有碳化作用，會銹蝕鋼筋，破壞鋼筋表面的氧化膜，周圍的混凝土在膨脹應(yīng)力的作用下，保護層會開裂并剝落，沿著鋼筋形成縱向裂縫，而且銹跡還會滲透到混凝土的表面。

（4）如果盾構(gòu)管片的存放時間太久，長時間處于不合理的受力狀態(tài)下，也會產(chǎn)生裂縫。

（5）制作管片所用的原材料不合格也是形成裂縫的重要原因，如果水泥的安定性不達標，或者砂石的含泥量太大，會在早期產(chǎn)生不規(guī)則的網(wǎng)狀裂縫。如果骨料中含有酸性的硅化物質(zhì)，一旦和粉灰、水泥中的堿性物質(zhì)結(jié)合，就會形成水硅反應(yīng)，從而產(chǎn)生膨脹的膠質(zhì)物質(zhì)。吸取水分之后，局部會產(chǎn)生拉應(yīng)力，導(dǎo)致構(gòu)件形成爆裂狀的裂縫。如果外加劑或者拌和水中含有太多的氯化物，也會銹蝕鋼筋，產(chǎn)生裂縫。

（6）管片裂縫的產(chǎn)生和施工工藝也有很大關(guān)系，比如振搗混凝土的密實度不足，會形成麻面、空洞以及蜂窩，這是形成荷載裂縫的根本原因。由于芯棒的阻擋，局部的混凝土振搗不夠密實，管片的手孔位置就很容易形成裂紋。振搗之前，混凝土放置的時間太久，其中的水分大量蒸發(fā)，混凝土在損是坍落度的情況下，表面會形成不規(guī)則的收縮裂縫，一旦坍落度太大，還會導(dǎo)致水泥浮漿而形成龜裂。

3 防治盾構(gòu)管片出現(xiàn)氣泡與裂縫的有效措施

3.1 空洞和蜂窩的防治措施

混凝土配合比以及振搗不合理是管片產(chǎn)生空洞、蜂窩的重要原因。在配合比方面，主要表現(xiàn)為混凝土的濕度不夠，過于干硬，摻砂率太低。盾構(gòu)管片混凝土采用的不是擠壓工藝，而是振搗密實工藝。干硬性的混凝土由于流動性欠佳，所以很難振搗密實，因此更容易形成空洞、蜂窩。管片模具的中間是混凝土布料口，要想通過不了口均勻的分層混凝土，要求混凝土要有良好的流動性。因此干硬性混凝土并不適合管片生產(chǎn)，成型時管片多為弧形拱狀，入模時混凝土的坍落度如果太大就無法成型。表1為10環(huán)管片的試生產(chǎn)情況。

有表1可知，如果布料和振搗工藝合理，可以通過控制混凝土坍落度，調(diào)整砂率來解決管片生產(chǎn)過程中形成的空洞和蜂窩現(xiàn)象。

3.2 氣泡的防治措施

3.2.1 外加劑調(diào)整

生產(chǎn)過程中通過對外加劑的調(diào)整提高管片施工性能及改善管片外觀氣泡，過程中采用外加劑調(diào)節(jié)劑2 種，有機硅消泡劑2種，有機醚消泡劑2種，進行組合生產(chǎn)。目前已經(jīng)確定了外加劑中調(diào)節(jié)劑及消泡劑的組合比例，對管片外觀氣泡有一定的改善

表1 10環(huán)管片的試生產(chǎn)情況

3.2.2 調(diào)整混凝土生產(chǎn)溫度

施工過程中混凝土溫度在22℃～36℃時管片的外觀氣泡比較利于排出，當(dāng)混凝土溫度過高或過低時，混凝土氣泡易在模具表面產(chǎn)生聚集。故在生產(chǎn)過程中通過調(diào)節(jié)水溫進行混凝土生產(chǎn)溫度控制生產(chǎn)，冬天加熱水夏天加冰水來保證混凝土溫度，讓氣泡比較利于排出。

3.2.3 分層填筑混凝土，進一步明確輔助振搗的位置及振搗時間

生產(chǎn)過程中分層填筑混凝土，分三層填筑，每層間隔30s，振搗30s后再填筑混凝土。明確振動棒的插入位置及插入深度，通過試驗確定了輔助振搗插入點在距離模具邊緣20cm的位置，插入深度為110cm，輔助振搗時間為120s，嚴格執(zhí)行快插慢拔的振搗工藝，對管片止水槽位置聚集的氣泡排出較有利。

3.2.4 脫模劑的使用

脫模劑分水性脫模劑油性脫模劑。管片生產(chǎn)過程中對比實驗發(fā)現(xiàn)，油性脫模劑對氣泡具有極強的吸附性，混凝土內(nèi)存在的氣泡一經(jīng)與之接觸，便會吸附在模具上形成型于混凝土結(jié)構(gòu)的表面，影響外觀質(zhì)量。水性脫模劑能夠克服這些不足，施工過程中脫模劑的均勻圖抹也有利氣泡的排出。

3.2.5 保證原材料質(zhì)量

①水泥：水泥的助磨劑不同，會對氣泡聚積產(chǎn)生一定影響，選擇水泥時要充分考慮是否摻加了助磨劑，推薦早強型P·II52.5水泥。標注稠度用水量應(yīng)保持27%～30%。②摻合料：一方面要增強管片的耐久度，另一方面還不會對管片的早期強度產(chǎn)生影響。摻合料的數(shù)量、種類不宜過多，但要保證高品質(zhì)。比如使用細度7%～10%、需水量比≤95%的I級粉煤灰。③集料：集料的級配、粒型均與氣泡的形成密切相關(guān)?；炷林械暮瑲饬恳欢ǔ潭群蜕笆嘘P(guān)，砂石帶有的氣泡越多，混凝土的含氣量就越多。級配和顆粒型號優(yōu)良的砂石可以很好地控制混凝土中的氣泡，比如贛江沙的細度模數(shù)為2.6～3.0，含泥量只有0.1%。優(yōu)良的砂石粒型完整，針片狀的和顆粒較少，可以選擇單級配，也可以選擇連續(xù)級配，最大的粒徑應(yīng)不超過25mm。比如巖質(zhì)是石灰石類的砂石，最大粒徑應(yīng)≤20mm。集料的粒徑較小，一方面可以提高混凝土的強度，另一方面還能保證混凝土良好的抗?jié)B性能。

3.2.6 合理設(shè)計配合比

①基準配合比：圖紙混凝土的設(shè)計等級是C50P10，坍落度為70mm。水膠比≤0.36、凝膠材料360～480。28 天的標養(yǎng)強度≥59.9MPa，拆模強度≥18MPa，抗?jié)B等級≥P12。②設(shè)計配合比：盡量采用高水膠比、砂率適中的配合比，如果每方混凝土內(nèi)凝膠材料的使用量＞430kg，就會提高混凝土的黏稠度，氣泡很難排出。無論砂石率太高還是太低，都會影響混凝土各種材料之間的空隙填充，導(dǎo)致氣泡不易排出。《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》（JGJ55—2011）中明確規(guī)定了水膠比的三個配合比，分別是0.39、0.34與0.29，對于盾構(gòu)管片混凝土的生產(chǎn)而言，最適合的配合比是0.34。③生產(chǎn)配合比：從坍落度與砂率兩方面進行調(diào)整，坍落度低于30mm，比較容易控制氣泡數(shù)量，如果超過50mm，則氣泡較多，10mm以下，氣泡更少，但蜂窩空洞較多?；炷恋奶涠瓤刂圃?0mm～30mm，砂澆筑的管片外觀好，有害氣泡的數(shù)量較少。

3.3 裂縫的防治措施

（1）合理控制坍落度。通過加入適量的添加劑將坍落度控制在合理范圍內(nèi)，振搗時保持坍落度的均勻，讓各部位的混凝土均勻地分布、均勻的凝固，可有效減少裂縫。

（2）合理控制溫度。從以下三方面著手減少溫度給混凝土造成的影響。①用冰塊來降低混凝土的溫度，減少坍落度的損失。②選擇溫度較低的時間段澆筑混凝土，比如上午10點前，下午4 點后。③做好管片的早期養(yǎng)護，澆筑結(jié)束到脫模之前的階段，混凝土?xí)谀踢^程中釋放大量熱量，要降低混凝土水分過快丟失，讓混凝土均勻凝固，減少裂縫。

（3）合理養(yǎng)護。蒸汽養(yǎng)護后再脫模，可以讓混凝土更快的硬化，保證水泥可以水化充分，讓管片強度滿足脫模要求，以避免收縮裂縫的形成?；炷琳駬v成型2小時之后，在模具上套上蒸汽養(yǎng)護帆布套，和地面接觸的帆布套要用方木壓實，然后在帆布套預(yù)留的小孔內(nèi)置入溫度計用來通入蒸汽。由于大量小孔分布在模具底部的蒸汽管路上，蒸汽會從各小孔內(nèi)噴出，保證模具的溫度均勻提升，溫度每小時大約升高15℃～20℃，最高的養(yǎng)護溫度為50℃～60℃，恒溫養(yǎng)護3h～4h。脫模后等待管片冷卻至常溫后，進行七天浸泡水養(yǎng)，水養(yǎng)后再進行七天噴淋自然養(yǎng)護后，能有效地控制裂紋和裂縫的發(fā)生。

4 結(jié)束語

綜上所述，地鐵盾構(gòu)管片的生產(chǎn)質(zhì)量與隧道工程質(zhì)量密切相關(guān)，采取有效措施控制氣泡數(shù)量、減少裂縫，能夠提升隧道工程的穩(wěn)定性與安全性。