盾構(gòu)法施工用鋼筋混凝土管片相關(guān)標準及其質(zhì)量管理要點

蔡亞寧，劉振豐

（1.北京城建集團有限責任公司工程總承包部，北京 100088；2.陜西凝遠新材料科技股份有限公司，陜西 西安 712034）

0 引 言

根據(jù)中國城市軌道交通協(xié)會第二屆理事會會議發(fā)布的《城市軌道交通 2018 年度統(tǒng)計和分析報告》：“截至 2018 年底，中國內(nèi)地共有 35 個城市開通城市軌道交通，運營線路總長度 5 761.4 km”。而在城市軌道交通建設過程中，盾構(gòu)法以其安全、高效和對環(huán)境影響小等優(yōu)點得到了廣泛應用。同時，越來越多的越江道路、電力、引水和綜合管廊等工程中也采用盾構(gòu)法施工。

在盾構(gòu)施工中，管環(huán)要承受盾構(gòu)機掘進時產(chǎn)生的巨大頂推力、壁后注漿壓力、結(jié)構(gòu)周圍土體或水壓等多重力的作用而不變形或破裂；在隧道成型后，管環(huán)還要承受周圍的水壓力、土壓力和相關(guān)結(jié)構(gòu)受力載荷而保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定［1］。

管環(huán)是由管片按照設計要求拼裝后形成，是管片進入隧道的形式。根據(jù)隧道直徑大小，管環(huán)可分為 5～9 片或更多片的管片。

管片按材質(zhì)分為：鋼筋混凝土管片、鋼纖維混凝土管片、鋼管片、鑄鐵管片和復合管片等。其中，鑄鐵管片一般作為負環(huán)管片使用，但由于其制造成本較高，現(xiàn)已很少采用。鋼管片一般在盾構(gòu)機整體過站或始發(fā)負環(huán)時使用；鋼纖維混凝土管片在國外已有使用，在北京地鐵十號線已完成試驗研究，并有 80 環(huán)的應用實例［2］。鋼筋混凝土管片是目前在隧道襯砌結(jié)構(gòu)中最常使用的類型。因此，本文的內(nèi)容僅針對鋼筋混凝土管片（以下簡稱“管片”）而言。

1 與管片有關(guān)的規(guī)范

管片是盾構(gòu)法施工的隧道的最小受力單元，其質(zhì)量直接關(guān)系隧道整體安全和壽命。這就要求管片不僅自身需要極高的強度和抗?jié)B要求，而且還要求其具有極高的尺寸精度和預埋件質(zhì)量，以保證拼裝后管環(huán)接縫嚴密、結(jié)構(gòu)受力及其它功能目標的實現(xiàn)，因此，隨著我國隧道建設事業(yè)的發(fā)展和盾構(gòu)法的不斷推廣，我國與管片相關(guān)的規(guī)范以及規(guī)范制訂工作不斷得到完善。

1.1 與管片直接有關(guān)的國家和行業(yè)規(guī)范

在我國涉及管片的規(guī)范十分廣泛，分別從盾構(gòu)法施工、地下防水、管片生產(chǎn)工藝、檢測和模具制造等有關(guān)方面對管片的要求和質(zhì)量進行了規(guī)范。較宏觀地規(guī)定管片質(zhì)量的規(guī)范有 GB 50157－2013《地鐵設計規(guī)范》［3］、GB 50108－2008《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》（2013 版）［4］和 GB/T 50299－2018《地下鐵道工程施工及驗收標準》［5］。GB 50446－2008《盾構(gòu)法隧道施工與驗收規(guī)范》［6］是我國首部真正對盾構(gòu)法施工和管片生產(chǎn)以及隧道驗收進行了全面和系統(tǒng)性要求的規(guī)范，曾獲得 2009 年度華夏二等獎；其中在第 6 章中從模具、鋼筋骨架、混凝土澆筑和養(yǎng)護、成品質(zhì)量和檢驗等對管片生產(chǎn)各關(guān)鍵工序系統(tǒng)地提出了要求，在第 16 章對管片的驗收做出了規(guī)定，很好地指導和規(guī)范了尚在發(fā)展中的盾構(gòu)法的施工。其后的 GB/T 22082－2017《預制混凝土襯砌管片》［7］和其他與管片相關(guān)的行業(yè)規(guī)范可以理解為是對 GB 50446－2017《盾構(gòu)法隧道施工與驗收規(guī)范》中與管片有關(guān)條款的進一步明確和細化。表1給出了目前與管片相關(guān)的國家和行業(yè)規(guī)范的大致情況。

在表1 的規(guī)范中，有的規(guī)范對于錯縫拼裝管片的寬度允許偏差僅為 0.5 mm，這在實際中幾乎是不能實現(xiàn)的；關(guān)于管片生產(chǎn)的內(nèi)容有關(guān)規(guī)范大體一致，但在有關(guān)成品檢驗還存在不一致的內(nèi)容，需管片企業(yè)在生產(chǎn)前一定與管片采購或使用方協(xié)商好規(guī)范，避免不必要的麻煩。

表1 與管片有關(guān)的國家和行業(yè)規(guī)范簡況

續(xù)表1

1.2 與管片直接有關(guān)的地方規(guī)范

在 GB 50446－2008《盾構(gòu)法隧道施工與驗收規(guī)范》（現(xiàn)已作廢）和 GB/T 22082－2008《預制混凝土襯砌管片》（現(xiàn)已作廢）實施之前，國內(nèi)沒有統(tǒng)一的盾構(gòu)法施工和管片產(chǎn)品規(guī)范以指導和規(guī)范生產(chǎn)企業(yè)，有些城市因此根據(jù)實際需要制定了自己的地方規(guī)范，也有的城市依據(jù)國標結(jié)合當?shù)厍闆r制定了自己的地方規(guī)范，目前能檢索到的與管片相關(guān)的地方規(guī)范如表2 所示。

表2 與管片有關(guān)的地方規(guī)范

1.3 與管片直接有關(guān)的企業(yè)規(guī)范

在我國進行地鐵建設的城市，多成立一個專門的地鐵建設公司，由其負責全市范圍內(nèi)的有關(guān)建設管理工作，所以企業(yè)規(guī)范分為兩類，一類是由地鐵建設管理公司組織編制，如北京和深圳；還有一類是由管片生產(chǎn)企業(yè)編制，如上海、沈陽、西安及其他地方。

2 管片質(zhì)量管理要點

管片生產(chǎn)工藝按其流水特點，一般可分為固定臺座法、機組流水法及流水傳送法 3 種方式，固定臺坐法是操作工人在動，機組流水法和流水傳送法都是模具在動，其不同點是傳送法的模具是在流水線上自動行走。在新建和改建管片廠時，建議企業(yè)最好綜合考慮投資規(guī)模、地區(qū)特色、市場特點、產(chǎn)能需求及現(xiàn)有設施的充分利用等因素，并結(jié)合各種生產(chǎn)工藝的特點，選用最適合自己的生產(chǎn)工藝。

在選定生產(chǎn)工藝后，管片生產(chǎn)就應按照上文有關(guān)的或在合同中約定的規(guī)范生產(chǎn)，以實現(xiàn)既能保證管片質(zhì)量又能提高生產(chǎn)效率、成本較低的目的。

2.1 工藝流程

實際生產(chǎn)中，不論采用哪種生產(chǎn)方式，管片生產(chǎn)工藝流程基本一致，其流程圖如圖1 所示。

圖1 管片工藝流程圖

2.2 工序質(zhì)量控制流程

在管片的生產(chǎn)過程當中，工序質(zhì)量控制是保證管片最終質(zhì)量的基礎，其主要包括模具的清理與組裝、混凝土原材料選擇和配合比設計、鋼筋原材加工和骨架成型、混凝土澆筑成型及養(yǎng)護、成品檢驗與一般缺陷修補等。模具的組裝質(zhì)量直接決定管片的尺寸和成品質(zhì)量，清理是否到位直接決定管片的外觀，需要按照有關(guān)規(guī)范要求加強模具的清理并確保模具組裝后的尺寸符合質(zhì)量要求。因管片用混凝土強度等級通常不低于 C50，以及使用不同減水劑或外加劑配制的混凝土成型后的浮漿厚度會有明顯不同，因此需要對外加劑以及砂石等原材進行優(yōu)選?；炷僚浜媳仍O計需要以設計的混凝土強度和抗?jié)B等級為依據(jù)，并要留有適當?shù)母挥喽?；一般需要通過試拌確定新拌混凝土的工作性，過于黏稠的混凝土不利于澆筑、振搗和成型；保水性不好的混凝土經(jīng)振搗會在表層產(chǎn)生太厚的浮漿，進而會導致成品管片澆筑面的開裂。鋼筋骨架的制作成型也是非常關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)，鋼筋加工前應保證表面無銹斑、灰塵、油脂及其他有害物質(zhì)；鋼筋骨架組裝要滿足成品精度控制的要求，特別是骨架入模后要適當調(diào)整墊塊的數(shù)量和位置以確保鋼筋保護層滿足設計或規(guī)范要求，并應避免接觸脫模劑；各種預留預埋要精確定位和固定。在混凝土澆筑成型工序中，在嚴格實施振搗程序的同時，需要觀察振搗效果，一旦發(fā)現(xiàn)振搗設備的振搗力不足時可通過采取比如延長振搗時間、減小混凝土澆筑厚度或插入式振搗等措施，要確?；炷良炔宦┱瘛⒁膊贿^振。無論何種原因?qū)е禄炷廖茨苓B續(xù)澆筑且澆筑上層混凝土時下層混凝土已經(jīng)初凝的情況，所澆搗的管片均應報廢，并需及時清理模具，以避免后期因清理混凝土給模具表面造成缺陷。混凝土養(yǎng)護需要嚴格按照養(yǎng)護制度及規(guī)范進行，過高的恒溫溫度、升降溫速率以及管片表面與環(huán)境的溫差都可能導致結(jié)構(gòu)性的裂縫。在完成養(yǎng)護及管片出模后，需要對每塊管片進行觀感和尺寸質(zhì)量檢驗。當管片出現(xiàn)的缺陷屬于規(guī)范規(guī)定的一般時，需要及時修飾并進行必要的養(yǎng)護，屬于嚴重缺陷的管片應進行標識并報廢。具體的管片生產(chǎn)工序質(zhì)量控制流程圖如圖2 所示 。

圖2 管片工序質(zhì)量控制流程圖

2.3 管片生產(chǎn)關(guān)鍵工序的質(zhì)量操作要點

關(guān)鍵工序是指關(guān)鍵部件的加工制造工序和關(guān)鍵部位的裝配調(diào)整工序。關(guān)鍵工序確定的原則為：①產(chǎn)品質(zhì)量特性為 A 級的項目或關(guān)鍵部位；②對工藝上有特殊要求或?qū)ο碌拦ば蛴休^大影響的工序、或工藝難度大、質(zhì)量較易波動或問題發(fā)生較多的工序。對于管片生產(chǎn)，作者總結(jié)的其關(guān)鍵工序和質(zhì)量操作要求如表3 所示［12-13］。

3 盾構(gòu)管片生產(chǎn)常見錯誤認識

在管片生產(chǎn)中，要按照上文所述某一部或某幾部規(guī)范生產(chǎn)并把控其生產(chǎn)關(guān)鍵工序的質(zhì)量操作。但在筆者與管片企業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)人員和現(xiàn)場駐廠監(jiān)理的溝通中，發(fā)現(xiàn)大家在有關(guān)管片生產(chǎn)中容易形成以下幾個錯誤認識，現(xiàn)將其列舉出來，以糾正不正確的認識和觀念，提升管片的內(nèi)在和表觀質(zhì)量。

表3 關(guān)鍵工序的質(zhì)量操作要點表

圖3 模具清理

圖4 涂刷隔離劑

圖5 鋼筋骨架檢查

圖6 鋼筋保護層檢查

圖7 鋼架骨架入模

圖8 混凝土澆筑

圖9 管片出模（吊架）

圖10 管片出模（吸盤）

3.1 生產(chǎn)管片的混凝土水泥用量越多越好

水泥用量是混凝土強度發(fā)展的保證，單方水泥用量越多，同等條件下混凝土強度發(fā)展越快，這對提高預制管片生產(chǎn)效率、縮短模具周轉(zhuǎn)時間有利。但是，由于水泥用量增多帶來的水泥水化熱增長加快將會增加混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)溫度裂縫的幾率，對管片結(jié)構(gòu)耐久性不利。

3.2 生產(chǎn)混凝土時的坍落度越大越好

縱然是保證混凝土和易性前提下混凝土坍落度增大對管片來說也不是好事，較大坍落度雖然能夠提高混凝土澆筑速度，但黏聚性會隨著坍落度增大而降低。由于管片模具振搗力一般較強，遇大坍落度混凝土振搗后容易出現(xiàn)分層現(xiàn)象，不利于均勻密實成型。另外，大坍落度意味著混凝土中絕對含水量增加，會相應增加混凝土干縮。當有可靠的技術(shù)做保證時，并不排除使用自密實等高性能的大坍落度混凝土的使用。

3.3 澆筑混凝土時振搗時間越長越好

振搗時間過長容易產(chǎn)生過振現(xiàn)象，雖然管片混凝土一般為低坍落度混凝土，過長時間的振搗即過振也會導致混凝土分層，故管片混凝土澆筑時應合理控制混凝土振搗時間。

3.4 管片試件的強度增長越快越好

為了提高生產(chǎn)進度，管片預制廠家可能會想盡辦法提高混凝土早期強度。如果采用過分依賴使用早強劑或提高蒸汽養(yǎng)護溫度的錯誤做法來提高早期強度，則會導致出現(xiàn)管片 14 d 強度＞28 d 強度、混凝土強度倒縮的不利現(xiàn)象。

3.5 管片試件的強度越高越好

混凝土強度達到設計要求即可，超出強度規(guī)范太多的混凝土至少會帶來兩點危害，高強度混凝土其膠凝材料特別是水泥用量相應也較多，一方面會造成材料浪費，另一方面如果對水化反應控制不力，會不利于混凝土的結(jié)構(gòu)耐久。特別是當混凝土試件強度的離散性較大時，意味著混凝土質(zhì)量的控制有待改進。

3.6 管片出模后立即水養(yǎng)好

采用蒸汽養(yǎng)護的管片，出模后其管片內(nèi)部混凝土溫度一般高達在 70 ℃ 以上。而采取水中養(yǎng)護方式因水溫大多在 20～30 ℃，如果出模后立即放入水中，相當于對管片內(nèi)部混凝土結(jié)構(gòu)進行一次淬冷，顯然不利于混凝土內(nèi)在結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

3.7 水養(yǎng)時加的石灰乳越多越好

管片后期水中養(yǎng)護時適量添加石灰乳使水成弱堿性，有利于促進水泥水化，使混凝土結(jié)構(gòu)更加致密。但如果水中石灰乳過量會使管片成品表面附著一層氫氧化鈣，當遇到北方常見的酸性雨水時，就會在管片表面生成一層疏松的鈣鹽類物質(zhì)，從而影響管片表觀質(zhì)量。

4 結(jié) 語

有關(guān)管片的規(guī)范目前已經(jīng)形成了國家、行業(yè)、地方和企業(yè)的系統(tǒng)體系，生產(chǎn)企業(yè)應基于文中的規(guī)范進行生產(chǎn)，通過對原材料的優(yōu)選、模具精度的保持、鋼筋籠骨架的加工和安裝以及混凝土施工等各個關(guān)鍵工序的質(zhì)量把控，并在生產(chǎn)實踐中避免文中所提到的常見錯誤觀念，以確保管片成品的質(zhì)量，切實為盾構(gòu)工程提供優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。