摘要：以菲律賓卡利瓦大壩項(xiàng)目的引水隧洞工程為背景，在引水隧洞施工中，采用了先進(jìn)的雙護(hù)盾隧洞掘進(jìn)機(jī)（Tunnel"Boring"Machine，"TBM）的掘進(jìn)施工技術(shù)，其中，混凝土預(yù)制管片生產(chǎn)是保障整體隧洞施工順利進(jìn)行的決定性因素之一。通過前期的優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)與一系列的試驗(yàn)，結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂驐l件，對(duì)TBM預(yù)制管片采用免蒸養(yǎng)工藝，對(duì)免蒸養(yǎng)工藝條件下的混凝土強(qiáng)度、耐久性等性能進(jìn)行試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析。對(duì)比蒸養(yǎng)工藝和免蒸養(yǎng)工藝的優(yōu)、缺點(diǎn)，從經(jīng)濟(jì)、強(qiáng)度、耐久行等方面進(jìn)行比選。

關(guān)鍵詞：管片混凝土""配合比"""基本參數(shù)"""外觀質(zhì)量"""免蒸汽養(yǎng)護(hù)

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(xiàng)目全稱為新百年水資源計(jì)劃——卡利瓦大壩項(xiàng)目，項(xiàng)目主要是在菲律賓呂宋島東南部Kaliwa河下游建設(shè)一座壩頂長(zhǎng)247.19"m、最大壩高73.3"m的混凝土重力壩，同時(shí)建設(shè)一條長(zhǎng)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(jìn)機(jī)（Tunnel"Boring"Machine，"TBM）的掘進(jìn)施工段長(zhǎng)17.51"km，開挖洞涇4.8"m，TBM段采用全段襯砌混凝土預(yù)制管片。項(xiàng)目建成后，供水能力為60萬(wàn)t/d，隧洞引水能力240萬(wàn)t/d。

本項(xiàng)目采用雙護(hù)盾TBM單向施工，管片混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)等級(jí)和國(guó)內(nèi)基本相同。在混凝土管片生產(chǎn)過程中，為了加快模具周轉(zhuǎn)速度，通常會(huì)采用蒸汽養(yǎng)護(hù)生產(chǎn)工藝。針對(duì)當(dāng)?shù)貧夂?，?duì)管片混凝土配合比進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)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(qiáng)度，同時(shí)利用混凝土水化熱產(chǎn)生熱量進(jìn)行管片的自然養(yǎng)護(hù)。本次分析記錄和統(tǒng)計(jì)了卡利瓦項(xiàng)目隧洞出口區(qū)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(jié)合當(dāng)?shù)貧夂蚝蜏囟?，最終確認(rèn)選擇自然養(yǎng)護(hù)，這樣更加有利于工程節(jié)約成本和改善混凝土的質(zhì)量，為規(guī)范隧洞項(xiàng)目管片廠進(jìn)行管片生產(chǎn)和養(yǎng)護(hù)提供質(zhì)量控制依據(jù)，為改善管片外觀質(zhì)量提供重要的試驗(yàn)參數(shù)。

1"管片混凝土配合比基本參數(shù)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，項(xiàng)目所使用的TBM管片混凝土應(yīng)符合下列要求：C40W8。因?yàn)楫?dāng)?shù)夭捎酶?00"mm、直徑150"mm圓柱體成型試塊，所以，C40混凝土相當(dāng)于國(guó)內(nèi)C50混凝土[1]，前期項(xiàng)目已通過TBM選型和TBM管片選型工作[2]。根據(jù)前期的大量混凝土配合比試驗(yàn)與混凝土配合比優(yōu)化工作，選用總膠凝材料400"kg進(jìn)行管片混凝土澆筑試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，設(shè)計(jì)坍落度控制在70～90"mm。結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂蚝凸ぷ魈攸c(diǎn)，對(duì)外加劑進(jìn)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(shí)改善了混凝土的管片混凝土配合比和易性。根據(jù)氣候特點(diǎn)，澆筑混凝土不需要進(jìn)行蒸養(yǎng)，16"h可以達(dá)到脫模強(qiáng)度。雙護(hù)盾TBM預(yù)制管片混凝土配合比設(shè)計(jì)[5]參數(shù)見表1。

2"管片混凝土養(yǎng)護(hù)工藝選擇

管片混凝土按照蒸汽養(yǎng)護(hù)和免蒸養(yǎng)護(hù)（自然養(yǎng)護(hù)）進(jìn)行比較分析。管片生產(chǎn)中過程中，對(duì)混凝土采用靜養(yǎng)、升溫、恒溫、降溫等各個(gè)時(shí)間段進(jìn)行研究分析，在達(dá)到13.8"MPa后進(jìn)行脫模，此處的13.8"MPa相當(dāng)于國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)試塊20"MPa。結(jié)合菲律賓當(dāng)?shù)貧夂驐l件與施工現(xiàn)場(chǎng)氣溫狀況，針對(duì)2—11月澆筑管片的溫度統(tǒng)計(jì)及12月至次年1月溫度統(tǒng)計(jì)，對(duì)實(shí)際施工過程中12"h抗壓強(qiáng)度進(jìn)行分析。2—11月，澆筑管片可以采用免蒸養(yǎng)工藝，既能改善管片的外觀質(zhì)量，同時(shí)還能節(jié)約養(yǎng)護(hù)成本。對(duì)管片廠的溫度進(jìn)行跟蹤統(tǒng)計(jì)和分析，統(tǒng)計(jì)管片廠中不同時(shí)間的溫度表。管片廠室內(nèi)各環(huán)境條件、各時(shí)間點(diǎn)的溫度見表2。

養(yǎng)護(hù)工藝的選擇采用管片廠對(duì)生產(chǎn)管片的時(shí)時(shí)跟蹤和記錄溫度進(jìn)行試驗(yàn)和分析。管片蒸養(yǎng)分為靜養(yǎng)、升溫、恒溫t"降溫4個(gè)階段，總時(shí)間控制在12"h內(nèi)。免蒸汽養(yǎng)護(hù)對(duì)12"h、13"h、14"h、15"h、16"h、17"h、18"h等時(shí)間進(jìn)行脫模強(qiáng)度對(duì)比分析，最終確認(rèn)脫模時(shí)間16"h以后。

2.1"蒸養(yǎng)工藝

2.1.1"靜養(yǎng)階段

靜養(yǎng)階段是指混凝土澆筑入模后在場(chǎng)內(nèi)的靜停時(shí)間，其溫度一般與廠內(nèi)溫度相同或略高于廠內(nèi)溫度。靜養(yǎng)是為了讓混凝土管片具有一定的初始強(qiáng)度，以防在升溫時(shí)混凝土管片產(chǎn)生裂縫和粘模等不良現(xiàn)象，影響管片外觀質(zhì)量，導(dǎo)致管片出廠后需進(jìn)行二次修復(fù)[6]。

根據(jù)本項(xiàng)目中預(yù)制管片的生產(chǎn)工藝特點(diǎn)，本項(xiàng)目中的預(yù)制管片采用固定管片模具。完成澆筑后1"h后，打開頂模進(jìn)行收面工作，并拉上蒸養(yǎng)棚，對(duì)管片進(jìn)行靜養(yǎng)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(yǎng)混凝土?xí)r間的長(zhǎng)短會(huì)影響管片混凝土的脫模強(qiáng)度?，F(xiàn)根據(jù)實(shí)際情況，成型4組混凝土試塊進(jìn)行不同靜養(yǎng)時(shí)間下同條件養(yǎng)護(hù)，蒸養(yǎng)時(shí)間均采用180"min，統(tǒng)計(jì)不同靜養(yǎng)時(shí)間下混凝土脫模強(qiáng)度和外觀質(zhì)量情況（見表3）。

表3""""不同靜養(yǎng)時(shí)間下混凝土脫模強(qiáng)度和外觀質(zhì)量情況

靜養(yǎng)時(shí)間/min

蒸養(yǎng)時(shí)間/min

混凝土試件脫模強(qiáng)度/MPa

混凝土管片表面質(zhì)量

180

180

13.8

14.1

14.0

14.5

14.2

粘?，F(xiàn)象比較嚴(yán)重，并有裂縫

210

14.5

14.8

14.9

15.1

15.3

有粘?，F(xiàn)象，產(chǎn)生微小裂縫

240

16.2

16.7

16.5

16.6

16.1

無(wú)粘?，F(xiàn)象，無(wú)裂縫，表面光滑

270

17.8

17.2

17.6

17.5

17.8

無(wú)粘模現(xiàn)象，無(wú)裂縫，表面光滑

從表3中試驗(yàn)結(jié)果可以看出，靜養(yǎng)時(shí)間越長(zhǎng)，混凝土的脫模強(qiáng)度越高，并且外觀質(zhì)量更好。

2.1.2"升溫階段

管片混凝土升溫階段是指從靜養(yǎng)溫度上升至蒸汽養(yǎng)護(hù)的最高溫度的時(shí)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(xiàng)目為例，管片生產(chǎn)車間采用的是直線升溫法，靜養(yǎng)時(shí)間為240"min，靜養(yǎng)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(jìn)行試驗(yàn)，升溫試驗(yàn)結(jié)果見表4。

從表4試驗(yàn)結(jié)果可以看出：升溫速度快，可以提搞管片混凝土的脫模強(qiáng)度，但是28"d混凝土強(qiáng)度有所降低，混凝土管片的外觀質(zhì)量會(huì)受到影響；升溫速度慢，雖然讓管片混凝土脫模強(qiáng)度降低，但是后期強(qiáng)度增長(zhǎng)，并且混凝土管片的外觀質(zhì)量較好。結(jié)合工藝與當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)，選擇蒸養(yǎng)速度15"℃/h，該升溫時(shí)間既不影響生產(chǎn)速率，又能很好地改善混凝土管片的外觀質(zhì)量。

2.1.3"恒溫階段

恒溫階段是混凝土預(yù)制管片蒸汽養(yǎng)護(hù)溫度最高階段，恒溫溫度和時(shí)間的選擇主要與水泥品種、水灰比、脫模強(qiáng)度要求有關(guān)。本項(xiàng)目采用波特蘭普通硅酸鹽水泥，水灰比控制在0.35，脫模強(qiáng)度滿足13.8"MPa吊運(yùn)要求。根據(jù)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(jìn)行研究，恒溫時(shí)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(yǎng)棚，采用廠房?jī)?nèi)的溫度差進(jìn)行降溫。根據(jù)規(guī)范要求，降溫速度不宜超過20"℃/h，即便在晚上9點(diǎn)左右，廠房?jī)?nèi)溫度同樣在30"℃左右，經(jīng)過對(duì)管片溫度的持續(xù)測(cè)定，拉開棚后，管片每小時(shí)降溫在10"℃左右。

2.2"免蒸汽養(yǎng)護(hù)工藝

本項(xiàng)目預(yù)制管片采用固定管片模具，一共有40套模具，每次澆筑TBM預(yù)制管片混凝土為40片，采用免蒸汽養(yǎng)護(hù)工藝，每天澆筑管片為40片，每月生產(chǎn)的管片數(shù)量基本能滿足每月需求量。免蒸養(yǎng)工藝同樣為完成預(yù)制管片混凝土澆筑后1"h后打開頂模進(jìn)行收面工作，并拉上蒸養(yǎng)棚，對(duì)管片進(jìn)行自然養(yǎng)護(hù)工作。在拌合站出機(jī)口進(jìn)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(duì)該7組試件在不同時(shí)間進(jìn)行脫模，進(jìn)行抗壓試驗(yàn)確定脫模強(qiáng)度，詳情見表5。

從表5中可以看中，混凝土在15"h時(shí)抗壓強(qiáng)度達(dá)到14.6"MPa，大于設(shè)計(jì)和方案要求的13.8"MPa，在16"h為16.5"MPa。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工情況，管片混凝土澆筑完成一般在下午的3點(diǎn)左右，因此，控制管片第二天脫模時(shí)間在早上7點(diǎn)后，滿足脫模強(qiáng)度13.8"MPa的最低要求。因此，采用自然養(yǎng)護(hù)工藝，TBM預(yù)制管片脫模時(shí)間控制在16"h以后。

3"免蒸養(yǎng)工藝與蒸養(yǎng)工藝的對(duì)比分析

3.1"強(qiáng)度和耐久性對(duì)比分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的工作情況，以及進(jìn)行的試驗(yàn)對(duì)比，總結(jié)出蒸汽養(yǎng)護(hù)試驗(yàn)溫度、時(shí)間控制如表6所示。同時(shí)，根據(jù)3種不同蒸養(yǎng)組合和免蒸養(yǎng)工藝的強(qiáng)度、耐久性的對(duì)比分析，獲取各種工藝的TBM預(yù)制管片混凝土強(qiáng)度值和耐久性[7]。

從表7中可以看出：采用第一種組合時(shí)，蒸養(yǎng)后不能達(dá)到管片混凝土的脫模強(qiáng)度13.8"MPa；第三組合中，蒸養(yǎng)后脫模強(qiáng)度偏高，這不僅不經(jīng)濟(jì)，還耗時(shí)較長(zhǎng)，影響管片生產(chǎn)速度；第二組合滿足脫模強(qiáng)度，并且耗時(shí)相對(duì)第三種組合更短。根據(jù)表中試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)采用免蒸養(yǎng)工藝進(jìn)行預(yù)制管片養(yǎng)護(hù)時(shí)，管片混凝土強(qiáng)度在16"h同樣能達(dá)到16.5"MPa，每天完成40片管片的澆筑任務(wù)，不會(huì)影響TBM的單月掘進(jìn)任務(wù)。

3.2"外觀質(zhì)量對(duì)比分析

在生產(chǎn)過程中，管片兩側(cè)有很多氣泡，為此，我們同樣對(duì)砂率進(jìn)行了調(diào)整。試驗(yàn)配合比砂率40%，根據(jù)骨料情況，將砂率調(diào)整為42%，但是，在試生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)效果不是很明顯。對(duì)蒸養(yǎng)工藝進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)靜養(yǎng)時(shí)間不足時(shí)，管片兩側(cè)氣泡出現(xiàn)較多，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致側(cè)面出現(xiàn)麻面現(xiàn)象，在脫模后會(huì)發(fā)現(xiàn)微小的溫度裂縫。于是增加了靜養(yǎng)的時(shí)間，氣泡數(shù)量和裂縫數(shù)量減少[8]。采用免蒸養(yǎng)工藝進(jìn)行TBM預(yù)制管片混凝土養(yǎng)護(hù)，管片的兩側(cè)出現(xiàn)氣泡數(shù)量很少，不會(huì)出現(xiàn)溫度裂縫，麻面的現(xiàn)象也沒有出現(xiàn)。免蒸養(yǎng)工藝對(duì)TBM預(yù)制管片外觀質(zhì)量的改善效果明顯。

3.3"澆筑管片的成本對(duì)比分析

成本分析采用的是人、材、機(jī)的一個(gè)對(duì)比分析。如果采用蒸汽養(yǎng)護(hù)工藝，那么2"d生產(chǎn)120片管片，但是需要工人和當(dāng)?shù)毓こ處熂影嗖拍芡瓿伞Ｈ绻捎妹庹麴B(yǎng)工藝，那么1"d生產(chǎn)40片，不需要額外的加班，在正常工作8"h內(nèi)既能完成相應(yīng)工作。材料方面，采用蒸養(yǎng)需要使用鍋爐生產(chǎn)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(yǎng)護(hù)不需額外消耗柴油，同樣生產(chǎn)的管片能滿足掘進(jìn)需求。從成本反面考慮，采用免蒸汽養(yǎng)護(hù)工藝有利于節(jié)約成本

4"結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過前期混凝土配合比確定的情況下，對(duì)采用蒸汽養(yǎng)護(hù)工藝生產(chǎn)管片與采用蒸汽養(yǎng)護(hù)工藝生產(chǎn)管片進(jìn)行對(duì)比分析，混凝土管片外觀質(zhì)量與管片靜養(yǎng)、升溫溫度與速度、降溫速度有很大關(guān)系。在這次項(xiàng)目實(shí)踐中，將理論與當(dāng)?shù)貧夂蛳嘟Y(jié)合，制定了免蒸汽養(yǎng)護(hù)工藝，減少了蒸汽養(yǎng)護(hù)對(duì)管片混凝土的負(fù)面影響，解決了實(shí)踐過程中出現(xiàn)的外觀質(zhì)量問題，有效節(jié)約了工程成本，生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的TBM預(yù)制混凝土管片，更是推動(dòng)了預(yù)制管片襯砌隧洞技術(shù)向前發(fā)展。

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