高耐久性、超大直徑盾構(gòu)管片混凝土在錢(qián)江隧道中的應(yīng)用

季 斌

(上海隧道工程股份有限公司混凝土分公司，上海 200124)

0 引言

隨著地下工程的高速發(fā)展，盾構(gòu)法因其先進(jìn)的施工工藝、較高的施工效率和安全性，日益成為我國(guó)地下工程和隧道施工的主要方法。管片作為盾構(gòu)隧道最主要和最關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，其性能的優(yōu)劣對(duì)工程質(zhì)量和服役壽命具有決定性的影響［1－4］。

以往人們普遍認(rèn)為，鋼筋混凝土襯砌不會(huì)自然損壞和失效，能夠滿足較長(zhǎng)年限的使用要求。但近年來(lái)，各類(lèi)隧道結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的耐久性問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，隧道襯砌的裂損、腐蝕和滲漏現(xiàn)象非常普遍，嚴(yán)重影響使用安全，縮短了隧道工程的使用壽命。由于越江隧道深埋于江底土層中，往往要受到多種破壞因素的交互作用。因此，隧道工程超大直徑盾構(gòu)管片襯砌所使用的混凝土質(zhì)量(尤其是耐久性)是影響整個(gè)工程質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)之一，而混凝土耐久性等質(zhì)量指標(biāo)不僅與配合比各項(xiàng)參數(shù)息息相關(guān)，還受到原材料的規(guī)格和品質(zhì)的影響［5－8］。

在借鑒以往類(lèi)似工程的混凝土配合比設(shè)計(jì)和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合杭州地區(qū)氣候情況和市場(chǎng)上的原材料情況，通過(guò)各項(xiàng)試驗(yàn)，對(duì)當(dāng)?shù)囟喾N原材料進(jìn)行比較優(yōu)選，得出最佳原材料的配合比，并進(jìn)行各項(xiàng)性能測(cè)試，使該管片混凝土生產(chǎn)時(shí)具有良好的工作性能和各項(xiàng)耐久性指標(biāo)。

1 工程概況

錢(qián)江通道及接線工程是浙江省公路水路交通建設(shè)規(guī)劃中“兩縱兩橫十八連三繞三通道”高速公路主骨架的“一通道”，是長(zhǎng)三角都市圈高速公路網(wǎng)規(guī)劃中“七縱之一”江蘇鹽城至紹興高速公路的組成部分，在區(qū)域公路網(wǎng)中有著極其重要的作用。錢(qián)江隧道是錢(qián)江通道及接線工程項(xiàng)目的關(guān)鍵工程，錢(qián)江隧道的建成對(duì)加強(qiáng)錢(qián)塘江南北兩岸各城市的相互聯(lián)系和經(jīng)濟(jì)往來(lái)具有十分重要的意義。

錢(qián)江隧道位于海寧市與杭州蕭山區(qū)之間的錢(qián)塘江流域，采用外徑15.43 m的盾構(gòu)法技術(shù)施工，雙管6車(chē)道，為世界最大直徑的盾構(gòu)法隧道之一。由于錢(qián)江隧道所處的地質(zhì)情況以及盾構(gòu)機(jī)型式與上海長(zhǎng)江隧道類(lèi)似，因此錢(qián)江隧道可以稱(chēng)為上海長(zhǎng)江隧道的姐妹隧道，其襯砌同樣為預(yù)制高精度鋼筋混凝土管片，外徑為1 500cm，內(nèi)徑為1 370cm，寬為200cm，厚為65cm，每環(huán)由10塊管片拼裝而成，需澆筑的混凝土量為58.6 m3?；炷翉?qiáng)度等級(jí)為C60，抗?jié)B等級(jí)為P12，氯離子擴(kuò)散系數(shù)為2.0 ×10－12m2/s。

2 配合比設(shè)計(jì)

錢(qián)江隧道管片的設(shè)計(jì)要求與上海長(zhǎng)江隧道管片大致相同。因此，在借鑒長(zhǎng)江隧道管片混凝土配合比的基礎(chǔ)上，結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)［9］，進(jìn)行相關(guān)調(diào)整，確定配合比主要參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 配合比主要參數(shù)Table 1 Mixing proportions

3 原材料的初選

杭州地區(qū)的原材料品種和規(guī)格總體接近上海地區(qū)，但市面上供應(yīng)的原材料魚(yú)龍混雜，品質(zhì)不一，優(yōu)質(zhì)原材料尤其是高品質(zhì)的礦物摻合料的供應(yīng)緊張。因此，在綜合考慮設(shè)計(jì)和供應(yīng)保障要求的條件下，選擇以下原材料作為試驗(yàn)用料。

3.1 細(xì)骨料

采用符合標(biāo)準(zhǔn)［10］的天然中砂，細(xì)度模數(shù)為2.5～2.8。由于杭州本地市場(chǎng)上的天然中砂多為湖砂，其顆粒級(jí)配和含泥量雖然滿足設(shè)計(jì)要求，但是顆粒級(jí)配的連續(xù)性不佳，630 μm的粒徑偏少，含泥量多偏于上限。出于混凝土工作性能的考慮，對(duì)質(zhì)量較好的長(zhǎng)江流域贛江砂和杭州本地曹娥砂進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比。2種砂的主要指標(biāo)見(jiàn)表2。

3.2 碎石

采用符合標(biāo)準(zhǔn)的杭州本地優(yōu)質(zhì)碎石，使用2檔碎石(5～10 mm和16～31.5 mm)按2∶8的比例對(duì)摻，得到顆粒級(jí)配符合5～31.5 mm連續(xù)級(jí)配要求的碎石。而實(shí)際生產(chǎn)則可根據(jù)每批進(jìn)庫(kù)碎石的具體顆粒級(jí)配情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋壤{(diào)整。

表2 曹娥砂和贛江砂物理性能指標(biāo)Table 2 Physical parameters of Cao’e sand and Ganjiang sand

3.3 水泥

針對(duì)高強(qiáng)度和耐久性管片混凝土的設(shè)計(jì)要求，采用符合標(biāo)準(zhǔn)的寧國(guó)海螺水泥52.5P·II型硅酸鹽水泥。

3.4 粉煤灰

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，粉煤灰使用低鈣I級(jí)灰效果較好，但是杭州市場(chǎng)上I級(jí)灰的供應(yīng)數(shù)量較少，且質(zhì)量不穩(wěn)定;而低鈣II級(jí)粉煤灰的生產(chǎn)量較大，且質(zhì)量相對(duì)穩(wěn)定。經(jīng)比較多個(gè)粉煤灰廠家的質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)杭州市場(chǎng)的粉煤灰質(zhì)量指標(biāo)雖然符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，但其細(xì)度、需水量比和氧化鈣含量等指標(biāo)相對(duì)偏高，對(duì)混凝土性能會(huì)有所影響。如使用周邊較好的低鈣I級(jí)灰，質(zhì)量雖能保證，但運(yùn)輸距離較遠(yuǎn)，供應(yīng)連續(xù)性不能保證，且經(jīng)濟(jì)成本也相對(duì)較高。綜合分析，選用品質(zhì)和供應(yīng)均有保證的寧波鎮(zhèn)海FII粉煤灰。

3.5 礦粉

采用符合標(biāo)準(zhǔn)的S95型礦渣粉，考慮質(zhì)量存在差異，廠家在杭州京杭礦渣粉和上海沙鋼礦渣粉中選擇。

3.6 外加劑

參考上海長(zhǎng)江隧道高性能管片混凝土的配合比，采用高效脂肪族外加劑進(jìn)行生產(chǎn)，能夠滿足高強(qiáng)度的減水率要求和干硬性預(yù)制構(gòu)件混凝土的預(yù)制成型要求，而杭州地區(qū)的預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)一般采用聚羧酸外加劑。根據(jù)上海長(zhǎng)江隧道管片配合比的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)［1］，聚羧酸外加劑在一定程度上不利于管片外弧面的成型;但考慮到當(dāng)?shù)夭牧吓c外加劑適應(yīng)性的問(wèn)題，同時(shí)采用脂肪族外加劑AD1和聚羧酸外加劑AD2進(jìn)行試驗(yàn)，具體指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3 脂肪族外加劑AD1和聚羧酸外加劑AD2性能指標(biāo)Table 3 Properties of aliphatic admixture AD1 and polycarboxylic admixture AD2

4 原材料優(yōu)選及混凝土性能研究

4.1 礦粉與砂的品種對(duì)混凝土性能的影響

采用基礎(chǔ)配合比進(jìn)行試配，首先，從混凝土工作性能方面進(jìn)行選擇。管片混凝土坍落度設(shè)計(jì)要求為(30±10)mm，但根據(jù)長(zhǎng)江隧道管片生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，在夏季生產(chǎn)時(shí)考慮氣溫因素，在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)坍落度需適當(dāng)調(diào)整為(40±20)mm以滿足施工性能。其次，運(yùn)輸方式采用吊瓶方式，即混凝土從攪拌機(jī)卸至吊瓶?jī)?nèi)，再由吊瓶卸入鋼模后進(jìn)行混凝土振搗、抹面收水和養(yǎng)護(hù)。在運(yùn)輸澆搗過(guò)程中，坍落度大小直接影響混凝土卸料和澆搗效率，尤其在夏季，過(guò)小的坍落度易堵塞吊瓶下料口，且澆搗時(shí)造成工人較大的勞動(dòng)強(qiáng)度。最后，收水階段和翻模階段取決于混凝土凝結(jié)時(shí)間。綜合以上考慮，對(duì)已確定和尚要選擇的原材料進(jìn)行混凝土性能試驗(yàn)，針對(duì)同一配合比，首先通過(guò)小樣試驗(yàn)進(jìn)行比對(duì)。

1)試驗(yàn)環(huán)境。室溫為18℃，外部氣溫為35℃。

2)試驗(yàn)材料。

A組:寧國(guó)海螺52.5P·II型硅酸鹽水泥、寧波鎮(zhèn)海F II粉煤灰、杭州京杭S95礦渣粉、碎石、曹娥砂、脂肪族外加劑(AD1);

B組:寧國(guó)海螺52.5P·II型硅酸鹽水泥、寧波鎮(zhèn)海F II粉煤灰、杭州京杭S95礦渣粉、碎石、贛江砂、脂肪族外加劑(AD1);

C組:寧國(guó)海螺52.5P·II型硅酸鹽水泥、寧波鎮(zhèn)海F II粉煤灰、上海沙鋼S95礦渣粉、碎石、曹娥砂、脂肪族外加劑(AD1);

D組:寧國(guó)海螺52.5P·II型硅酸鹽水泥、寧波鎮(zhèn)海F II粉煤灰、上海沙鋼S95礦渣粉、碎石、贛江砂、脂肪族外加劑(AD1)。

試驗(yàn)1。對(duì)4組材料確定外加劑用量，比較混凝土性能，見(jiàn)表4。

表4 試驗(yàn)1數(shù)據(jù)Table 4 Testing data 1

試驗(yàn)2。對(duì)4組材料達(dá)到同一坍落度要求，比較混凝土性能，見(jiàn)表5。

表5 試驗(yàn)2數(shù)據(jù)Table 5 Testing data 2

由表4和表5可知:

1)A組和C組使用曹娥砂(湖砂)所配置的混凝土，這2組材料在2種不同試驗(yàn)?zāi)康那闆r下，即長(zhǎng)江隧道配合比中的外加劑用量確定所能達(dá)到的坍落度和要求達(dá)到某一坍落度時(shí)相應(yīng)的外加劑用量，均表現(xiàn)出坍落度過(guò)小，外加劑用量偏多且混凝土有板結(jié)現(xiàn)象。28 d蒸養(yǎng)和標(biāo)養(yǎng)的混凝土抗壓強(qiáng)度雖滿足設(shè)計(jì)要求，但富余量不足，如原材料發(fā)生質(zhì)量波動(dòng)，混凝土強(qiáng)度易發(fā)生不合格情況。B組和D組使用了顆粒連續(xù)性較好的贛江砂，混凝土和易性、工作性能都能滿足生產(chǎn)要求，且起吊強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的29%以上，28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到120%以上，能規(guī)避原材料質(zhì)量波動(dòng)而引起的混凝土強(qiáng)度波動(dòng)。因此，雖然使用贛江砂在經(jīng)濟(jì)成本上有所增加，和曹娥砂相比，每t相差18元，折算到混凝中相差6元/m3，綜合考慮，決定使用贛江砂。

2)通過(guò)4組材料試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)杭州京杭礦渣粉和上海沙鋼礦渣粉對(duì)混凝土工作性能和抗壓強(qiáng)度無(wú)明顯的差別，故決定選用杭州本地礦粉材料。

3)在試驗(yàn)2中，可以看出要達(dá)到80mm左右坍落度時(shí)，4組脂肪族外加劑用量均偏多，從而導(dǎo)致混凝土表現(xiàn)出明顯的黏度，易使運(yùn)輸卸料過(guò)程中的吊瓶發(fā)生堵塞情況，這需要進(jìn)行管片試制試驗(yàn)得以證實(shí)。

4.2 外加劑種類(lèi)對(duì)混凝土性能的影響

試驗(yàn)確定細(xì)骨料產(chǎn)地和礦渣粉廠家后，為進(jìn)一步了解不同外加劑種類(lèi)對(duì)管片混凝土工作性能和抗壓強(qiáng)度的影響進(jìn)行了2組對(duì)比試驗(yàn)。

1)試驗(yàn)環(huán)境。室溫為19℃，廠房氣溫為33℃。

2)試驗(yàn)材料。

B組(同上);

E組:寧國(guó)海螺52.5P·II型硅酸鹽水泥、寧波鎮(zhèn)海F II粉煤灰、杭州京杭S95礦渣粉、碎石、贛江砂、聚羧酸外加劑(AD2)。

試驗(yàn)3。2組材料為2種不同類(lèi)型的外加劑，確定混凝土達(dá)到工作性能要求的最小坍落度時(shí)的外加劑用量，見(jiàn)表6。

表6 試驗(yàn)3數(shù)據(jù)Table 6 Testing data 3

試驗(yàn)4。2組材料達(dá)到同一坍落度要求，比較混凝土性能，見(jiàn)表7。

表7 試驗(yàn)4數(shù)據(jù)Table 7 Testing data 4

由表6和表7可知:

B，E 2組材料都能達(dá)到施工坍落度要求，混凝土工作性能能滿足澆搗要求，且起吊強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的28%以上，28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求的116%以上。

由于2組材料中的外加劑類(lèi)型不同，減水率性能大大不同，使得外加劑用量有明顯的差距?，F(xiàn)通過(guò)管片試制試驗(yàn)，從運(yùn)輸卸料過(guò)程和澆搗收水過(guò)程等方面綜合考慮，以確定合適的外加劑。

4.3 管片的試制試驗(yàn)

試驗(yàn)5:對(duì)2組材料各進(jìn)行2塊管片的試制試驗(yàn)，每組材料攪拌約10 m3左右的混凝土，見(jiàn)表8。

試驗(yàn)環(huán)境:廠房氣溫為34℃。

試驗(yàn)材料:B組和E組。

表8 試驗(yàn)5數(shù)據(jù)Table 8 Testing data 5

由表8可知:

1)脂肪族外加劑在整塊管片試制中，要滿足一定的工作性能，其用量要比較大，摻量達(dá)到1.7%以上。雖然能夠?qū)崿F(xiàn)澆搗，但抹面收水完全不能滿足要求，在廠房溫度為30℃以上時(shí)，整個(gè)收水時(shí)間仍要達(dá)到6 h，嚴(yán)重影響余后的起吊和翻模階段;并且在收水過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)混凝土表面水分蒸發(fā)很快出現(xiàn)硬化，而內(nèi)部混凝土仍然很軟，即所謂的彈簧土現(xiàn)象，不易于將管片表面抹平，從而導(dǎo)致成型后的管片表面出現(xiàn)不平整且許多裂縫的現(xiàn)象。

2)聚羧酸外加劑在管片試制中，混凝土工作性能、抹面收水情況和成品管片外觀情況都比較理想，完全滿足生產(chǎn)工藝要求。

綜上試驗(yàn)結(jié)果表明，確定將E組材料作為錢(qián)江隧道管片配合比所使用的原材料。

5 混凝土耐久性研究

5.1 抗?jié)B試驗(yàn)

錢(qián)江隧道管片抗?jié)B等級(jí)的設(shè)計(jì)要求為P12。對(duì)E組原材料制作了1組抗?jié)B試件，標(biāo)養(yǎng)28 d后進(jìn)行抗?jié)B試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果為:抗?jié)B壓力達(dá)到1.5 MPa時(shí)，6塊抗?jié)B試件無(wú)一塊有表面滲水現(xiàn)象，后將試件劈開(kāi)后，發(fā)現(xiàn)最大滲水高度為60 mm，表明E組抗?jié)B性能良好。

5.2 氯離子擴(kuò)散系數(shù)試驗(yàn)

錢(qián)江隧道管片氯離子擴(kuò)散系數(shù)設(shè)計(jì)要求為2.0×10－12m2/s。對(duì)E組原材料制作了1組150 mm×150 mm×150 mm標(biāo)準(zhǔn)試件，標(biāo)養(yǎng)28 d后，送浙江建科院進(jìn)行氯離子擴(kuò)散系數(shù)檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果為0.8×10－12m2/s，表明E組材料所配置的混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)良好。

6 工程應(yīng)用

錢(qián)江隧道管片于2009年9月9日正式投入生產(chǎn)，至今共生產(chǎn)管片709環(huán)，總計(jì)混凝土41 500多m3。整個(gè)管片混凝土生產(chǎn)和性能要求，已能滿足管片生產(chǎn)工藝要求，實(shí)現(xiàn)1d內(nèi)翻2模的生產(chǎn)進(jìn)度。表面外觀光滑平整、色澤均勻、無(wú)明顯裂縫、側(cè)面氣孔較少。管片混凝土生產(chǎn)共制500多組抗壓試件，最小值為64.3MPa，平均值為68MPa，標(biāo)準(zhǔn)差為3.42MPa;抗?jié)B試件140多組，均達(dá)到P12的抗?jié)B等級(jí);氯離子擴(kuò)散系數(shù)等各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。

7 結(jié)論與討論

由于混凝土原材料在品質(zhì)上存在地域性的差異，因此，根據(jù)杭州錢(qián)江隧道管片耐久性設(shè)計(jì)要求，同時(shí)借鑒了上海長(zhǎng)江隧道管片混凝土的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。在采用了杭州當(dāng)?shù)卦牧系那闆r下，通過(guò)對(duì)混凝土工作性能、抗壓強(qiáng)度、抗?jié)B等級(jí)和氯離子擴(kuò)散系數(shù)等進(jìn)行各項(xiàng)試驗(yàn)表明:采用質(zhì)量較好的細(xì)骨料，調(diào)整使用聚羧酸外加劑以達(dá)到與當(dāng)?shù)夭牧舷噙m應(yīng)的目的。最終確定了最佳粗細(xì)骨料、52.5 P·II型水泥、F II粉煤灰、S95型礦渣粉和聚羧酸外加劑等原材料及混凝土配合比，并且在工程應(yīng)用中管片混凝土的各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，具有較高的耐久性，完成了預(yù)期目標(biāo)。但在管片表面細(xì)小裂縫和氣孔的控制上，還需通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)混凝土坍落度試驗(yàn)、生產(chǎn)工藝流程控制等方面以得到更好的效果。

［1］ 談?dòng)廊?，楊鼎宜，俞峰，?我國(guó)預(yù)制混凝土襯砌管片生產(chǎn)技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀［J］.混凝土與水泥制品，2011(2):30－35，39.(TAN Yongquan，YANG Dingyi，YU Feng，et al.Production technology and quality standard status of precast concrete lining segments in China［J］.China Concrete and Cement Products，2011(2):30 －35，39.(in Chinese))

［2］ 高英力，馬保國(guó)，王信剛，等.盾構(gòu)隧道功能梯度混凝土管片的研發(fā)及性能研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007(11):185 － 191.(GAO Yingli，MA Baoguo，WANG Xin’gang，et al.Development and properties study on functionally graded concrete segment used in shield tunneling［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2007(11):185 －191.(in Chinese))

［3］ D Heinz，U Ludwig.Mechanisms of secondary ettringite formation in mortars and concretes subjected to heat treatment［J］.Coner.Durab.Dig.AelSP，1999(100):2059 －2065.

［4］ 李小紅，卯戰(zhàn)革.預(yù)制盾構(gòu)高性能混凝土的研究和應(yīng)用［J］.混凝土，2009(9):116 －118.(LI Xiaohong，MAO Zhan’ge.Research and application of prefabricated shield high performance conerete［J］.Concrete，2009(9):116 －118.(in Chinese))

［5］ 馬亞麗，張愛(ài)林.基于規(guī)定可靠指標(biāo)的混凝土結(jié)構(gòu)氯離子侵蝕耐久壽命預(yù)測(cè)［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2006，39(2):36－41.(MA Yali，ZHANG Ailin.Durability life prediction of concrete structure based on the regulated reliability index under chloride environment［J］.China Civil Engineering Journal，2006，39(2):36 －41.(in Chinese))

［6］ 王信剛，盛明強(qiáng)，王睿，等.跨江海隧道功能梯度混凝土管片的收縮開(kāi)裂研究［J］.長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2010，27(2):54－59.

［7］ 張勇，周華新，崔鞏，等.地鐵隧道管片蒸養(yǎng)混凝土耐久性試驗(yàn)研究［J］.混凝土，2010，249(7):119－121.(ZHANG Yong，ZHOU Huaxin，CUI Gong，et al.Study on the durability properties of steam-cured concrete for subway tunnel segment［J］.Concrete，2010，249(7):119 － 121.(in Chinese))

［8］ 談?dòng)廊?，楊鼎?我國(guó)預(yù)制棍凝土襯砌管片生產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.混凝土與水泥制品，2008(4):25－29.

［9］ 胡青蓮，李歡歡，林政，等.超大直徑高性能盾構(gòu)管片混凝土的研究［C］//中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)隧道與地下工程分會(huì)防排水專(zhuān)業(yè)委員會(huì)第十三屆學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集.廈門(mén):上海隧道工程股份公司混凝土分公司，2007(69):23－26.

［10］ 中華人民共和國(guó)建設(shè)部.JGJ 52—2006普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007:5－8.(Ministry of Construction of P.R.C..JGJ 52—2006 Standard for technical requirements and test method of sand and crushed stone(or gravel)for ordinary concrete［S］.Beijing:China Architecture ＆ Building Press，2007:5 －8.(in Chinese))