高耐久性盾構(gòu)管片的復(fù)合制作技術(shù)分析

李 洋

(中鐵十八局集團(tuán)第四工程有限公司，天津 300350)

0 引言

盾構(gòu)管片是地鐵施工中的主要構(gòu)件，起支護(hù)和防水的作用。我國(guó)制作盾構(gòu)管片起步較晚，各項(xiàng)技術(shù)和工藝還不夠成熟。目前，我國(guó)制作的盾構(gòu)管片的抗?jié)B等級(jí)為P12，氯離子擴(kuò)散系數(shù)為3×10-12m/s，而美國(guó)、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家制作的盾構(gòu)管片的抗?jié)B等級(jí)早就超過(guò)了P20，氯離子擴(kuò)散系數(shù)為6×10-12m/s。相比之下，我國(guó)的盾構(gòu)管片制作還有很大的提升空間。目前，盾構(gòu)管片的生產(chǎn)技術(shù)有2種：一種是一次性澆筑成型技術(shù)，該技術(shù)所生產(chǎn)的盾構(gòu)管片存在表面細(xì)骨料多、水灰比高、水分散失較快等問(wèn)題；另一種是復(fù)合制作技術(shù)，即通過(guò)二次澆筑和二次噴涂工藝等先進(jìn)的復(fù)合技術(shù)，促使盾構(gòu)管片內(nèi)部結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)連續(xù)梯度變化，使管片具有高抗?jié)B、高抗蝕、高防水性能，以提升其應(yīng)用效果。基于此，本文結(jié)合天津地鐵10號(hào)線一期工程盾構(gòu)管片制作B包的實(shí)際情況，對(duì)高耐久性盾構(gòu)管片的復(fù)合制作技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用分析，以期對(duì)同類(lèi)工程施工提供一定的參考。

1 工程概述

天津地鐵10號(hào)線一期工程盾構(gòu)管片制作B包所涉范圍包含財(cái)經(jīng)大學(xué)—柳林路、增興窯—張貴莊—萬(wàn)山道3個(gè)二級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源區(qū)間和車(chē)輛段—梨園頭—瑤環(huán)路—昌凌路、江灣二支路—友誼路、梅林路—微山路、天鋼柳林—二號(hào)橋—金貿(mào)產(chǎn)業(yè)園、萬(wàn)山道—香山道—嶗山道、嶼東城—一期終點(diǎn)10個(gè)三級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源區(qū)間。管片共預(yù)制10 702環(huán)，其中1.2 m環(huán)寬管片1 054 環(huán)，1.5 m環(huán)寬管片9 648環(huán)。

2 高耐久性盾構(gòu)管片的復(fù)合制作原理

在盾構(gòu)管片制作過(guò)程中摻入適量的復(fù)合材料，可有效延長(zhǎng)裂縫的擴(kuò)展路徑。同時(shí)，摻合料還能和C-H發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，提高混合料中的C-S-H含量，促使水化產(chǎn)物的結(jié)晶顆粒尺寸進(jìn)一步降低，從而提高混凝土管片的抗裂性能[1]。以垂直方向?yàn)槔鄬佣軜?gòu)管片結(jié)構(gòu)分為三大類(lèi)，即高抗?jié)B保護(hù)層、結(jié)構(gòu)層、防火抗爆層。天津地鐵10號(hào)線一期工程盾構(gòu)管片厚度為350 mm，其中外保護(hù)層厚度為25 mm，內(nèi)部防爆層厚度為25 mm，結(jié)構(gòu)層厚度為300 mm。

“次第水化”是復(fù)合技術(shù)制作高耐久性盾構(gòu)管片的主要理論依據(jù)。通過(guò)不同礦物的反應(yīng)特點(diǎn)來(lái)設(shè)計(jì)復(fù)合水泥的組成，可實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，甚至產(chǎn)生超疊合效應(yīng)，可以有效減少盾構(gòu)管片的收縮變形量。此種設(shè)計(jì)方法賦予了盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)多樣性，使其功能逐漸呈現(xiàn)多元化，不但有效提升了各項(xiàng)材料的利用率，而且還能促使管片實(shí)現(xiàn)梯度變化，使管片界面的黏結(jié)強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等實(shí)現(xiàn)大幅度提升[2]。

3 高耐久性盾構(gòu)管片的復(fù)合制作技術(shù)

3.1 嚴(yán)格控制制作流程

基于復(fù)合技術(shù)的高耐久性盾構(gòu)管片的制作流程為：模具組裝→模具調(diào)?！摻罟羌苋肽＜邦A(yù)埋件安裝→混凝土結(jié)構(gòu)層澆筑成型→混凝土抗?jié)B層澆筑成型→蒸汽養(yǎng)護(hù)(自然養(yǎng)護(hù))→脫?！善窓z驗(yàn)、修補(bǔ)及標(biāo)識(shí)→運(yùn)至水池養(yǎng)護(hù)→噴涂外防水涂料→隧道安裝→噴涂?jī)?nèi)防火涂料。

盾構(gòu)管片生產(chǎn)工藝主要包含制作鋼筋骨架、攪拌混凝土、自動(dòng)化流水線生產(chǎn)管片、混凝土養(yǎng)護(hù)、管片存放與出廠等。

3.2 確保鋼筋骨架制作精度

在鋼筋骨架制作過(guò)程中，按照流水作業(yè)方式進(jìn)行布局。采用全自動(dòng)彎箍機(jī)對(duì)直徑為6～10 mm的鋼筋進(jìn)行一次加工；采用自動(dòng)傳送切斷機(jī)對(duì)直徑為16～28 mm的鋼筋進(jìn)行加工。采用鋼卷尺檢查受力鋼筋長(zhǎng)度、主筋彎折點(diǎn)位置、箍筋內(nèi)凈尺寸、分布鋼筋長(zhǎng)度，允許偏差為±5 mm。每班的同一設(shè)備生產(chǎn)15環(huán)同類(lèi)型鋼筋骨架，應(yīng)抽檢不少于5根。

采用鋼模形式加工鋼筋骨架胎模，與其他形式相比，該方法具有精度更高、穩(wěn)定性更強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，可以保證鋼筋骨架在實(shí)際生產(chǎn)加工中兩端都能處于良好的控制狀態(tài)，促使兩端時(shí)刻處于相同平面上，提升其入模之后保護(hù)層的均勻性[3]。

3.3 提升保護(hù)層混凝土的施工質(zhì)量

盾構(gòu)管片是地鐵工程施工中常用的材料。盾構(gòu)管片施工屬于隱蔽性工程，施工完成之后，從表面難以看到盾構(gòu)管片的樣式和結(jié)構(gòu)，難以對(duì)其進(jìn)行維護(hù)。對(duì)盾構(gòu)管片而言，其保護(hù)層混凝土常年和地下水接觸，若保護(hù)層混凝土存在質(zhì)量問(wèn)題，極易發(fā)生滲漏，從而影響地鐵工程的質(zhì)量和安全性。因此，為保證混凝土的質(zhì)量，需要專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)混凝土攪拌站。在本案例工程中，采用了具有良好攪拌性能和高度穩(wěn)定性的HZN-120型攪拌站。其攪拌能力計(jì)算公式為：

(1)

式(1)中，V為攪拌后產(chǎn)生的混凝土量(m3/min)；Q為攪拌機(jī)拌和的理論量(m3/h)，在本案例工程中取值為120 m3/h；T為每盤(pán)攪拌的時(shí)間(min)，取值為3 min；η為機(jī)械利用系數(shù)，取0.8；t為每天攪拌的時(shí)間(h)，本工程中取值為20 h[4]。將相關(guān)數(shù)值代入公式(1)中，可計(jì)算出該攪拌站攪拌能力V=640 m3/min。

3.4 提升結(jié)構(gòu)層的施工質(zhì)量

1)控制開(kāi)模與合模施工質(zhì)量。出模坑道端第1個(gè)工位是盾構(gòu)管片制作的開(kāi)模工位。通過(guò)專(zhuān)業(yè)的小車(chē)將模具送到流水生產(chǎn)線上，按照工藝順序?qū)⒛＞邆?cè)模、端模的固定螺栓拆開(kāi)。

2)管片起吊。通過(guò)真空吸盤(pán)把盾構(gòu)管片從模具上吊起，立放在翻轉(zhuǎn)架上。

3)涂脫模劑。在均勻涂抹脫模劑前，先用抹子或刷子將管片表面和接縫處的殘留物全部清除干凈，并用壓縮空氣吹凈。

4)鋼筋骨架入模。在入模操作中，鋼筋應(yīng)當(dāng)提前擺放在鋼模的中間位置，并按照骨架的要求合理布置塑料支架，嚴(yán)格控制支架的高度，避免影響盾構(gòu)管片成型的質(zhì)量。確認(rèn)支架達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，再安裝注漿管。注漿管需要和底模相互結(jié)合，并牢牢固定，避免在混凝土澆筑和振動(dòng)時(shí)發(fā)生位移[5]?，F(xiàn)場(chǎng)鋼筋骨架入模如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)鋼筋骨架入模

3.5 提升混凝土振搗效果

采用專(zhuān)業(yè)的振搗器進(jìn)行全方位的混凝土振搗，避免發(fā)生欠振和漏振等問(wèn)題。當(dāng)混凝土表面不再產(chǎn)生氣泡，且表面不再下沉?xí)r，可停止振搗。在整個(gè)振搗過(guò)程中，需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況和振搗質(zhì)量及時(shí)檢查彎芯棒的質(zhì)量，分析連接松動(dòng)問(wèn)題，及時(shí)緊固，避免發(fā)生脫離。振搗完成之后，立即用拉杠打磨混凝土，保證其平整性和光滑性，并去除多余的混凝土，然后用土工布及時(shí)覆蓋，避免水分快速散失，影響盾構(gòu)管片成型的質(zhì)量[6]。

3.6 控制升溫蒸養(yǎng)的溫度和時(shí)間

當(dāng)收水完成后，盾構(gòu)管片需要靜養(yǎng)一定時(shí)間才能進(jìn)行升溫蒸養(yǎng)。在進(jìn)行蒸汽養(yǎng)護(hù)時(shí)，靜停期時(shí)間和靜養(yǎng)溫度的關(guān)系見(jiàn)表1。盾構(gòu)管片進(jìn)行蒸汽養(yǎng)護(hù)時(shí)，必須嚴(yán)格控制升溫幅度,每隔1 h升溫15 ℃。當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度達(dá)到55 ℃時(shí)，停止加溫，進(jìn)行恒溫養(yǎng)護(hù)，恒溫養(yǎng)護(hù)時(shí)間控制在2 h左右。降溫速度不超過(guò)20 ℃/h，勻速降溫，直至與室溫的溫差不超過(guò)20 ℃[7]。

表1 靜停期時(shí)間和靜養(yǎng)溫度的關(guān)系

3.7 盾構(gòu)管片性能檢測(cè)

對(duì)復(fù)合技術(shù)制作的高耐久性盾構(gòu)管片進(jìn)行科學(xué)合理的養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間不能小于28 d。養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，對(duì)制作樣品進(jìn)行性能檢測(cè)，包括外觀檢測(cè)、力學(xué)性能檢測(cè)、抗?jié)B檢測(cè)等。采用超聲回彈法和綜合回彈法對(duì)復(fù)合技術(shù)生產(chǎn)的管片進(jìn)行抗壓強(qiáng)度檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果顯示，盾構(gòu)管片內(nèi)弧面(結(jié)構(gòu)層混凝土)的抗壓強(qiáng)度達(dá)到了75 MPa，外弧面(保護(hù)層摻和料砼)的抗壓強(qiáng)度超過(guò)65 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求[8]。

除坍落度之外，還需檢測(cè)混凝土管片的抗拔性能。考慮試驗(yàn)設(shè)備重量及管片自重，采用分級(jí)加載法進(jìn)行抗拔性能測(cè)試。初次加載荷重為30 kN，每級(jí)加載持荷時(shí)間不應(yīng)少于5 min，記錄每級(jí)荷載作用下螺栓的位移量。當(dāng)抗拔試驗(yàn)加載達(dá)到設(shè)計(jì)荷載時(shí)，持續(xù)荷載30 min，每5 min測(cè)量1次位移，記錄荷載和位移，并觀察混凝土管片裂縫開(kāi)展情況。抗拔性能檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。按照《盾構(gòu)隧道管片質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(CJJ/T 164-2011)的相關(guān)規(guī)定，本案例工程中制備的盾構(gòu)管片的抗拔性能滿足要求。此外，抗拔試驗(yàn)過(guò)程中，加載荷重至180 kN時(shí)，盾構(gòu)管片未出現(xiàn)裂縫，且其內(nèi)外弧面露筋、表面孔洞、疏松、夾渣、蜂窩、麻面、粘皮、缺棱掉角、飛邊、側(cè)表面裂縫等項(xiàng)目均未發(fā)現(xiàn)有缺陷。

表2 抗拔性能檢驗(yàn)結(jié)果

3.8 盾構(gòu)管片的存放

盾構(gòu)管片存放區(qū)場(chǎng)地已作硬化處理，四周有排水溝。管片堆場(chǎng)堅(jiān)實(shí)平整，管片堆放整齊?；炷恋孛嬉蜷L(zhǎng)期使用出現(xiàn)破碎或沉陷現(xiàn)象的，必須重新硬化。管片堆碼使用的墊木必須是硬木，底層墊木最小邊長(zhǎng)不小于150 mm，其余不小于100 mm，變形嚴(yán)重的墊木必須及時(shí)更換。

4 結(jié)論

高耐久性盾構(gòu)管片的復(fù)合制作技術(shù)是目前我國(guó)盾構(gòu)管片生產(chǎn)的主要技術(shù)，和傳統(tǒng)生產(chǎn)方法相比，其在生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)效率、產(chǎn)品性能質(zhì)量等方面有明顯優(yōu)勢(shì)。結(jié)合工程實(shí)例分析發(fā)現(xiàn)，科學(xué)合理地應(yīng)用復(fù)合技術(shù)可制作出高耐久性的盾構(gòu)管片，其具有極強(qiáng)的抗壓性和抗拔性，可有效滿足地鐵工程隧道施工的需求。質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果表明，應(yīng)用此種方法生產(chǎn)的盾構(gòu)管片的表面形貌及力學(xué)性能、抗?jié)B性能均滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，符合目前我國(guó)盾構(gòu)管片生產(chǎn)制造相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，可大范圍推廣應(yīng)用。