盾构管片的生产工艺

摘　要：盾构法目前在国内已经日趋成熟。管片生产是盾构中必不可少的一部分。在此作者以长株潭城际铁路一标的管片生产为例，介绍管片的生产工艺和控制要点。

关键词：管片、原材料、配合比、生产、养护、拼装、检漏
盾构是有钢构保护的、在掘进中可提供平衡水土压力并能完成管片拼装作业的隧道掘进机。盾构法目前在国内已经日趋成熟，由于盾构施工在工期、质量、安全等诸多方面的优势，一些城市的其它地下工程(过江隧道、输水管道等)也越来越多的采用盾构施工。但是由于盾构在隧道内拼装的钢筋混凝土管片需要提前预制，而且需要很高的抗压、抗渗、耐久性等要求，一旦管片本身出现致命的缺陷，可能就会产生灾难性的后果。因此，管片生产是盾构工艺的重要一环。了解管片的生产工艺不仅仅是生产技术人员的责任，也是试验人员的任务。
一、生产管片的原材料：
　　管片生产的原材料主要是水泥、砂子、碎石、粉煤灰、矿渣粉、减水剂、纤维、水和钢筋。原材料质量的好坏直接影响到管片预制的质量，依据《高速铁路混凝土工程施工质量验收标准》TB10424-2010对管片的生产原材料进行过程控制，所有原材料均符合国家标准要求。
二、管片配合比：
　　管片配合比符合设计要求：隧道管片每环的体积较大、坍落度较小。浇筑后的管片凝固、硬化过程中会产生大量的水化热，分片浇筑时，如果外部环境温度较低，管片内外便会产生较大温差，管片的表面抗拉强度一旦达到极限，就会出现龟裂。所以，管片配合比在试配阶段应该考虑在满足设计强度及抗渗要求的前提下，尽量掺加粉煤灰或矿粉等掺和料，以减少水泥的用量，降低水化热量的产生。下表是长株潭城际铁路综合一标的盾构C50管片混凝土配合比（kg）：

　　混凝土配合比抗裂试件
　　确定施工配比：管片的施工配合比不仅关系到成品的强度、抗渗等设计指标，同时对表观质量也起很大的决定作用，因此必须每次开盘前进行砂、石含水率测定，在管片基准配合比的基础上通过理论计算，折合成管片施工配合比的用水量，并由试验室提供管片施工配合比通知单。另外，天气突变或降雨时，也应随时测定，并即时更新管片施工配合比。
三、管片预制的生产设备：
　　管片生产都是预制生产工艺，采用的生产设备主要是搅拌机、模具、附着式振动器、吊装机等。下面是长株潭城际铁路综合一标的盾构管片生产的部分设备。

　　模具

　　盛料斗                                                蒸养窑
四、管片的生产过程
1.混凝土筑、收光
　　(1) 混凝土浇筑：由于管片为C50混凝土，水泥用量较普通混凝土用量大，在管片内部会产生大量水化热，因此必须尽量缩小浇注时间，使得整片管片混凝土终凝前内外温差缩小到最小，减少温度应力造成的表面裂纹。另外大体积管片需要混凝土的方量较多，尽量保持同片管片混凝土塌落度的一致，也是裂纹减少的有力措施之一。
　　(2) 混凝土收光：混凝土在浇注完毕到终凝开始蒸养存在较长的时间，除了可能因为内外温差产生温度收缩裂纹以外，混凝土表面水分的流失也会造成千缩裂纹的出现，因此收光工艺按第一、二次抹压、第三、四次收水操作程序进行抹面收水，在每次抹压收水后用厚塑料膜覆盖以利混凝土保温保湿，可以最大程度的避免裂纹的出现。

　　抹面
　　蒸养：
　　蒸养是提高管片混凝土早期强度，加速管片脱模和管片模具周转的重要措施；同时，由于蒸养措施的使用，大大缩短了管片的生产工期，提高了工作的效率，是管片生产过程中最重要的一环。然而，蒸养也是裂纹出现几率最大的时段，过程控制的好坏直接关系到管片的最终质量。
　　一般情况下，蒸养温度越高，早期强度提升的便越快，但是后期强度损失的就越多。应尽量降低蒸养温度，减少与混凝土水化热的叠加，降低温差裂纹的出现几率，这一点在大体积管片上体现的愈加明显。经对两环管片采取不同的蒸养温度进行对比实验，结果发现温度较低的一环出现裂纹的几率大大低于另一环。另外，在升降温阶段管片更加容易出现裂纹，必须制定严格的升降温制度，并严格执行。对体积越大的管片，蒸养的最高温度应越低，升降温的速率应越慢。管片蒸汽养护温度控制如下：① 管片静停时间：2—6 h(根据季节温度定)；② 升温梯度：10～15℃/h；③ 蒸养最高温度：≯40℃；④ 恒温时间：1．5 h(根据季节温度定)；⑤ 降温梯度：≯10℃/h；⑥ 脱模时与外界的温差：≯20℃。
　　作者认为，蒸养只是工程界盲目追求短期效益的一种短视行为，应该本着对工程负责的态度，抛弃对进度的盲目追求，尽量降低蒸养温度和延长静停时间，从而有效地杜绝裂纹的出现。
　　3.脱模：当混凝土的强度达到脱模要求时应及时脱模，以提高模具的使用效率。脱模时应小心、仔细，避免对混凝土结构造成大的震动，使早期的混凝土产生内伤和外损，影响使用和观展。

脱模
　　4.管片修补：对在管片生产施工、养护静停以及管片脱模过程中，由于种种原因而导致管片表观出现的瑕疵诸如：气泡、蜂窝、狗洞、麻面等应及时采取措施，进行修补。修补措施：

　
　　修补
　　①可依据管片颜色，将水泥、白水泥按不同的比例加水调和成水泥净浆，用水泥净浆涂抹刚脱模的管片缺陷处，刮平，待凝固后放入养护水池水养。出池后，用水泥净浆掺入108胶进行二次修补。由于生产管片的水泥等原材每批颜色不一致，故修补配合比不固定。
　　② 用302混凝土界面处理剂配制成胶液，再拌合水泥进行修补。② 胶液配比：302混凝土界面处理剂甲组分：乙组分=1：3(体积比)。③ 修补材料配比：胶液：水泥=1：(1～2)(质量比)。
　　③也可以将配合比中的砂石骨料去掉，直接用配合比中的浆体修补。这种方法能够有效地保证与机体结构颜色的一致性，避免出现色差。
5.成品水养护和堆放：
　　水养是管片完成的最后一关，也是裂纹出现的最后机会，水养时间（一般不少于7d）、水养的水温和水质都会造成管片表面龟裂。管片必须严格降温或对养护水进行加温，使管片的温度和养护水的温度差不大于10℃才能保证避免温度收缩裂纹的出现。
　　由于混凝土表面的碳化[Ca(OH)2的碳化]并不需要很长的时间，在几个小时之内就可能发生，所以养护水的水质也需要严格要求，保持石灰饱和溶液是杜绝裂纹的最好措施。
　　各地的施工条件不同，但是保证7 d的水养后进行淋水养护也是避免裂纹出现的

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必要措施.

　　成品水养                                        成品堆放
6.缺陷：在生产、运输和养护过程中，由于种种原因，会使管片产品出现人们不愿看到的管片表观缺陷。依据相关标准将管片外观质量缺陷分为以下等级：
7.混凝土管片外观质量缺陷等级

8.三环管片拼装：三环拼装是检验管片尺寸误差、相互连接成整体组装质量的重要环节。

　　管片水平拼装检验允许偏差及检验方法：（100环/次）

9.管片检漏：管片检漏是检验管片混凝土抗渗质量的关键。管片检漏的试验方案：

　　试验设备装置：支撑架及其他附件，包括压力泵及密封橡胶条；压力表（经计量检定合格在使用有效期内）。管片规格：采用标准块进行试验，外弧长度为3855.6mm，内弧长为4470mm，管片宽度为1800mm，混凝土设计强度等级为C50，抗渗等级：P12。
　　试验方法：将管片试件沿环均匀分成左中右三个试验区。每个区的面积约0.5m2，每次试验时取中间试验区进行试验。首先加压试验检查密封情况，在确保实验装置不漏水后，对检定区域加水进行检漏试验。水压从0开始，分级加压：第一级0～0.2MPa；第二级0.2～0.4MPa；第三级0.4～0.6MPa；第四级0.6～0.8MPa；第五级0.8～1.0MPa；期间各持压10min；第六级1.0～1.2MPa持压2h,直至试验完成。在此程中，仔细观察构件的各端面的渗水情况，并做好记录。安排专人负责观察水压变化情况，在每级加压后的持续时间内，要保证水压的稳定，发现水压回落，及时补足，保证水压能保持在规定的压力值。
　　试验结果：加压完成并持续2h后，渗水厚度不超过管片厚度的五分之一为合格。每50环抽查1块管片做检漏测试连续3次达到检测标准，改为每100环抽查1块管片做检漏测试连续3次达到检测标准，改为每200环抽查1块管片做检漏测试。若不合格恢复为每50环抽查1块管片做检漏。
10.管片抗折试验：

五、常见裂纹的预防和处理
　　1.混凝土表面裂纹预防措施
1.1 防止塑性开裂措施
　　①混凝土人模后尽快用塑料膜覆盖，工作面保持最小，预防外露表面失水，是防止混凝土表面与大气产生湿度差的有效措施之一。
　　②降低混凝土的人模温度，浇筑温度最好规定不高于25℃。热天施工时如需适当放宽限制，也不宜高于32℃，并应同时调整混凝土的配合比，降低水泥用量以减少水化热。
　　混凝土浇筑温度愈高，水化反应愈快，释放热量愈多，升温愈高，又进一步加速水化反应。同样配比混凝土当入模温度为10℃时，24 h后升到30℃，当入模温度为20℃时，20h后升到55℃，即人模温度相差10℃可使最高温升差到25℃。实验结果表明混凝土浇筑温度从25℃减少到12℃，开裂温度降低15～19℃。
　　③混凝土浇注收光完毕，适当的喷雾，湿润上方空气可有效的降低混凝土表面与大气的湿度差，防止混凝土裂纹的出现。
　　④设置遮蔽棚，防止阳光直射。夏季施工时阳光比较强烈，如果是露天施工，阳光直射会使混凝土表面迅速失水，造成与大气之间的较大湿度差和温度差，这些差别一旦超过混凝土的承受极限，即会产生开裂。
　　⑤浇筑前润湿模板和底板。模板和底板与混凝土本体之间产生的湿度差跟混凝土与大气环境产生的湿度差造成的危害是一样的，尤其管片在蒸养过程中，钢板的导热性好，反而比混凝土与大气环境产生的湿度差造成的危害更大，因此浇筑前润湿模板和底板是必需的工序之一。
　　⑥降低混凝土粉料总量。水胶比宜控制在0．45～0.30之间(有的工程低于0.35)，或胶凝材料总量控制在300～450 kg/m3之间为宜。
　　⑦降低用水量。尽量选择减水效果较好的减水剂，一般要求减水率在25％以上为宜。
　　⑧外加引气剂。掺加引气剂有利于防裂，使温度下降4～5℃。
　　⑨通过抹面、压光消除早期的塑性裂缝。
1.2 防止干缩裂缝措施
　　①配制低收缩混凝土。减少拌和水量，减少浆体体积，加大粗骨量的最大粒径和骨料含量，降低拌料入模温度，选择低含碱量水泥，控制骨料含泥量。
　　②降低混凝土干燥速率，延缓表层水分损失。采取有效措施对混凝土表面进行保湿，同时尽量缩小混凝土表面与外部环境之间的湿度差。
　　③设置构造钢筋。对管片的一些突变部位应设置构造钢筋，增加突变部位混凝土的抗拉强度，防止这些敏感部位因突变过大造成混凝土的表面抗拉强度较低而出现开裂。
　　④采用补偿收缩混凝土，或外掺减缩剂。
　　⑤提高混凝土抗裂能力。掺加钢纤维、尼龙纤维或聚丙烯纤维等可有效的提高混凝土抗裂能力。尤其是聚丙烯纤维可以提高水工混凝土的抗渗、防裂、耐磨、抗冲击、韧性、耐久性等综合性能，能有效防止或减少混凝土收缩裂缝的产生。
1.3 防止温度收缩裂缝措施
　　收缩是以混凝土最初变硬时的长度作为基准，这时的混凝土因水化热而具有高温或较高的温度。
　　①减少因水化热和环境温度引起的温升。通过掺加粉煤灰、矿渣粉等掺合料，降低水泥的用量，控制水化热的过多产生，同时尽量选用低水化热的水泥。
　　②减少混凝土内外温差。混凝土内部和表面的温差一般不应超过20℃。混凝土表面无复盖层时，表面温度与大气温度的差别也不应超过20℃，混凝土表面与养护水温度不超过15℃。
　　③控制降温速度，防止温度骤然变化。根据其它大体积混凝土降温施工经验(建筑工程3.0～3.5℃/h，水坝1.5℃/h)以及小体积管片降温经验(15℃/h)，大体积管片大气中混凝土表面温度的升降变化应小于3℃/h，非大气环境≯10℃/h。
　　④选择热膨胀系数低的混凝土。为避免管片开裂，应限制早期(12h或24h)强度，建议用24h早期强度作为裂纹开展的控制指标，以24h的抗压强度不超过12MPa为宜。黄士元教认为从实际工程的角度表征早期（包括后期）混凝土易开裂的最佳指标是混凝土24h的抗压强度值。这个数值与混凝土的收缩、弹模、极限拉应变、徐变都密切相关。24h的抗压强度值越小，则混凝土的早期收缩值、弹模也越小，徐变则较大，有利于减小早期开裂的风险。故24h的抗压强度可以看做评价早期易开裂的一个综合指标，对后期的开裂有重要参考意义。然而，一些施工单位由于赶工期，过分追求管片混凝土的早期强度，已达到早脱模、快生产的目的，结果使管片出现开裂，也对后期强度不利。
　　⑥限制使用R型早强水泥，尤其是热天不应用早强水泥。建议水泥24h抗压强度不大于12MPa.美国和德国的一些学者建议用12h的抗压强度作为控制值，要求水泥12h的抗压

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强度不超过6MPa。虽然离开水灰比难以确定水泥强度与混凝土强度的关系，但至少可以确定一个定性的趋势，即早期强度越高的水泥越容易开裂。王善拔建议P.O42.5R级水泥1d的抗压强度最好不大于15MPa。
　　2.混凝土裂纹处理措施
　　2.1　修补材料的选用及配合比：① 用302混凝土界面处理剂配制成胶液，再拌合水泥进行修补。② 胶液配比：302混凝土界面处理剂甲组分：乙组分=1：3(体积比)。③ 修补材料配比：胶液：水泥=1：(1～2)(质量比)。④ 材料：结晶材料、环氧树脂。
　　2.2 修补工艺及步骤：① 对宽度≤0.15 mm的裂缝，可不采取修补措施。② 对宽度>0.15 mm的裂缝，使用软质湿布沾修补胶液擦拭待修补区域表面，在表面未干时：对深度≤10mm的裂缝，表面涂结晶材料处理；对深度>10 mm的裂缝，凿开裂缝，埋管用环氧树脂进行填补，填补后表面再涂一薄层水泥灰(灰水泥：白水泥=1：1)，裂缝凿开宽度以凿至裂缝深度为准，不可过宽。
　　2.3 养护方法：脱模后修补：用湿布覆盖湿润养护，待水泥达到初凝后入水池养护。出厂前修补：待水泥达到初凝后，用湿布覆盖湿润养护，并定时洒水保湿，时间为7d。
五、结束语：
　　随着地铁、隧道施工的发展,盾构法得到了越来越广泛的应用。管片生产是盾构工艺重要的一步。了解管片的生产工艺及控制要点，最大程度上保证管片产品的质量，从而避免发生工程质量事故， 本着“不出废品就是最大节约”的原则，切实抓好管片的生产质量。
参考文献：
[1]《铁路混凝土工程施工质量验收标准》TB10424-2010.
[2]《高速铁路隧道工程施工质量验收标准》TB10753-2010.
[3]《高速铁路隧道工程施工技术指南》铁建设[2010]241号.

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