地铁盾构管片制作的质量控制

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1、都市快轨交通 第2 1卷 第6期 2 0 0 8年 1 2月 $ # # 土建技术 地铁盾构管片制作的质量控制 曹长柱 李 松2 啜志强 李大为 荣振 山 ( 1 北京建工混凝土构件有 限公 司 北京1 0 2 6 0 0 ； 2 北京地铁监理公 司 北京1 0 0 0 0 5 ) 随着北京城市地铁交通的迅猛发 展 ， 造价低 、 机械 化程度高的盾构法施工技术应用越来越广泛 ， 而标志 隧道总体质量水平 的衬砌管片使用数量也越来越多， 其质量 已经得到普遍关 注。2 0 0 3年 ， 北京地铁 5号线 、 4号线、 机场线等地铁管片的生产任务近 1 4 0 0 0环。 为保证管片的品质， 满

2、足管片的百年寿命要求， 满足施 工需要 ， 公 司大力 开展科 技攻 关 ， 不 断完 善施 工工 艺 ， 对管片制作的质 量控制进行 了一些探讨 与研究 。 1 混凝土配合比的设计优化 地铁 盾构管 片制 作 中的质量 控 制涉及 方方 面 面 ， 是一个较为复杂的系统工程， 而对混凝土配合 比的优 化则是控制过程 的重要环节 。 1 1 设计优化 的原 则 配合比设计就是把原材料的性能进行综合分析， 在满足施工要求 的情况下 ， 制定 出性 能合格 、 经 济合理 的施工配合 比。解 决这 一 问题 的难 点 在于 ： 水泥用 量 不小于 3 0 0 k g m ， 养护在不超过 5 0的

3、低温条件下达 到 2 0 M P a的出池强度要求； 混凝土中的碱含量不大于 3 k g m ， 氯离子含量 不得大 于水泥用 量的 0 1 ； 混凝 土坍落度不小于 1 0 0 m m且有适宜的黏度、 良好 的排气 性能； 管片成品外观颜色均匀一致， 可见裂缝满足规范 要求 收稿 日期 ： 2 0 0 8- 0 3。 2 6 修回 日期 ： 2 0 0 8 0 7- 0 4 作者 简介 ： 曹长柱 ， 男， 副 总工 程师 ， 从 事 材料 试验 与混 凝 土研 究 c c z 2 0 06 y a ho o c o m 经过 大量 的试 验 ， 积 累 了一些满足 管 片用混凝土 的 基础

4、数据和 实 践 经 验 ( 见 表 1 ) ， 通 过 不 断 的 调 整 和 优 化 ， 目前 的 配 合 比完全能够 满足 2 4 h 连续 生产的要求。 表 1 管片混凝土的配合比及强度 粤 ： 。 每 毒 水 泥 k g 3 9 9 水 k g 砂石 k g 外加 剂 k g 掺舍料 k g 和易性 出池 强度 MP a 标养 2 8 d强) j MP a 渗水深度 m m 1 2配合 比优化过程 1 2 1 第 1套施工配合比 生产水平、 操作环境对管片制作质量和混凝土的 影 响很 大 ， 这也 是混 凝土 配置 前所必 须考 虑 的 因素 之 一 。依据管片生产 的基 本条件 、

5、操 作环境及 工艺流程 ， 我们提出了第 1 套施工配合比， 即管片试生产施工配合 比， 其使用的时间跨度为 2 0 0 3 年 l 1 月至 2 0 0 4年 3 月 。 1 )选 择理 由 管片作业采 用封 闭式 车 间生产 、 骨料采 用半 封 闭 式厂房 ， 这样可以有效地降低恶劣天气及风沙对骨料 的影响， 进而减少骨料含水量差值。搅拌设备为全 自 动计量器具 ， 其最大误 差不 大于 3 ， 混凝 土振捣 为分 离式全 自动控制振动方式 ， 生产作业 区 、 养护 区温度全 年可保持 在 2 03 0 。据 此 ， 在设 计配合 比时， 只需 考虑胶凝材料 、 骨料 、 外加 剂 的

6、性 能变化 即可 。因此 ， 第 1套配合比在和易性、 操作性、 抗渗性能 、 混凝土碱 含量、 氯离子含量方面均满足规范、 设计要求。 2 )问题 分析 本组配合 比针对处于摸索阶段的管片用混凝土， 其 结果是 可以接受 的 ， 尤 其是 混凝 土强度 可 以满足设 计和规范的要求 ， 但由于使用固态外加剂 ， 搅拌时间需 要延长 ， 且混凝土的凝结时间过长， 成品外观气泡分布 U R B A N R A P I D RAIL T RAN S IT 5 1 如 都市快轨交通 第2 1 卷 第 6期 2 0 0 8 年 1 2月 较多， 并伴有非常规性裂缝。如何解决上述问题， 为我 们设计、

7、研究者提出了新的课题和要求。 1 2 2 第 2套施工配合 比 随着生产任务的增加和生产效率的提高， 原有配 合比已不能满足生产要求。为了更好地保证管片的出 池强度， 最大限度满足生产需要， 并解决管片的外观气 泡和裂缝问题 ， 降低混凝土振动 时产生的浮浆层 ， 对管 片混凝土的配合 比进 行 了第 1次优化 ， 设 计 出管 片批 量生产阶段的配合比， 时间跨度为 2 0 0 4年4月至 2 0 0 6 年 5月。 1 )选择 理 由 通过实践检验 ， 管片批 量生产 的配 合 比除在 和易 性、 操作性、 抗渗性能、 混凝土碱含量、 氯离子含量继续 保持稳定状态并满 足要求 外 ， 在混

8、 凝土强度保证 、 减少 成品外观气泡、 控制可见裂缝 ， 保证初终凝时间以缩短 养护周期等方面满足双班生产的要求。采用本配合 比 共生产 6 0 0 0环优质管片， 保持了管片生产的良好势 头， 使公司的管片效益得到有效发挥。 2 )问题 分析 管片批量生产 的配合 比从过 去单 班生产达到 可以 满足双班生产要求的比较理想状态， 应当说是一个不 小的飞跃。但在管片品质上还有进一步提高的可能， 这主要依靠 日常严细的管理来实现。随着为之提供管 片的标段陆续开工 ， 如何确保管片供应 ， 特别是满足 2 4 h 不间断 的生产要求 ， 成为必 须解决 的急切工作 。 1 2 3 第 3套施工配

9、合比 根据预测 ， 当 3 4个标段 同时施工 、 同时掘 进 、 同 时需要管片的情况下， 管片将出现供应困难， 甚至会断 档。为了有效预防这一问题的出现， 公司决定充分利 用现有模具采用2 4 h连续作业生产方式， 加大产能、 加 快模具周转次数 、 提高生产 效率。为此 ， 需提前进 行新 的配合比试验， 使混凝土配合 比再度得到优化 ， 特别是 根据地下防水混凝土规范、 生产工艺、 技术要求及环境 因素， 对不同品种外加剂进行了甄选， 最终确定聚羧酸 高效减水剂， 优化设计出满足管片生产特殊要求的第 3 套配合比， 为管片的连续生产创造客观条件， 时间跨度 从 2 0 0 6年 6月使

10、用至今。 应 当说 ， 2 4 h不 间断生产 方 式 ， 在 北京 市、 甚 至全 国都是极为少见的。通过对外加剂的合理选择、 砂率 的优化调整、 胶凝材料的有效控制， 满足混凝土的总碱 量、 氯离子含量、 抗渗等级 、 耐久性指标等规范要求， 保 证管片外观混凝土颜色均匀， 出池 、 养护及 2 8 d 后的可 R A P lD 见裂缝控制在规定范围内， 使管片连续生产、 生产效率 的提高及满足供应变为现实。 2 应用效果 管片制作质量必须以满足产品的使用功能为基 础 ， 以保证其特殊性能为原则。在管片制作质量控制 的研究上， 把重点放在对混凝土常见问题的控制上， 取 得 了一些效果 。

11、2 1 混凝土耐久性在理论上得 以保 障 2 1 1 耐久性定义 混凝土耐久性是指混凝土结构在 自然环境、 使用 环境及材料内部因素的作用下， 保持其 自身工作能力 的性能。混凝土材料内部因素的作用指的是材料的物 理化学作用， 如混凝土的碳化、 钢筋锈蚀等， 由混凝土 耐久性引起 的工作性能的改变包括混凝 土结构 构件承 载能力的降低。 混凝土材料耐久性的一种 综合度量指标 可表示外 部侵蚀性物质( 包括水、 气及溶于水、 气中的其他分子 和离子等) 侵入混凝土内部的难易程度。 2 1 2 耐久性的测定 耐久性 的测定指的是水泥 、 矿物掺 和料 、 骨料 以及 化学外加剂的品种与质量等； 混

12、凝土的最低强度等级、 最大水胶 比和胶凝 材 料的最 小用 量 ； 结构 所处 环境所 需的混凝土氯离子扩散系数、 抗冻耐久性指数或抗冻 等级等。 2 1 3 耐久性的保证措施 选用质量稳定 、 低水 化热 和含碱量偏低 的水泥 ， 尽 可能避免使用早强水泥和 C 3 A含量高的水泥； 矿物掺 和料应作为保证混 凝 土耐久 的必需 组份 ， 因此 需选用 满足要求的粉煤灰 ； 选用高效减水剂 ， 尽量降低拌和水 用量 ； 选用坚固耐久、 级配合格、 粒形 良好无碱集料反 应或低碱活性 的洁净 骨料 ； 尽 量取 用较低 的水 胶 比和 较少 的水泥用量 ， 控制 单方混 凝 土 中胶凝 材料

13、的最低 和最高用量 ， 使其达到良好的工作性、 均匀性、 密实性 和体 积的稳定性 。 保证混凝土中碱含量、 氯离子含量符合规范要求。 经检测 ， 混凝土的反复冻融试验达到大于 D 1 0 0 ， 强度 无损 失 ， 重量损失小于 0 0 5 。 混凝土抗渗性能须符合 P 1 0要求， 渗 透系数 为 K =6 x 1 0 5 ms 。经委托清华大学土木工程系建筑 材料 研 究 所 试 验 ， 得 出 的氯 离 子 扩 散 系数 为 2 9 2 1 0一 l 0 c r n s 。 基于检测、 试验结果可以认 定， 用于管片生产 的 地铁盾构管片制作的质量控制 C 5 0 、 P 1 0混凝土

14、可以满足规范要求， 耐久性设计合理。 2 2裂缝得到有效控制 2 2 1 裂缝的成因 ( 1 )混凝土是 热胀冷 缩材 料 ， 当外部 环境 或结 构 内部温度发生变化， 混凝土发生变形， 若变形不均匀， 在产生较大变形趋势的位置遭到约束， 则结构 内部产 生应力 ， 当应力超过混凝土抗拉强度 时即产生应力 裂缝。 ( 2 )水泥在 水化 过程 中释放大 量热 量 ， 而 当混凝 土内外的冷却速度不一致时， 当混凝土内外温差超过 2 5 ， 就会使混凝土产生温度裂缝 。 结合上述两个因素， 在设计配合 比时， 需要优选材 料 、 选用低水化热水泥并在混凝土中掺加能够降低早 期水化热 的掺和料

15、， 以减少出现裂缝 的条件 。 2 2 2控制措施 有效控制 裂缝 的产 生是 管 片 制作 质 量 的 重点 工 作 ， 因此必须坚持 ： ( 1 )管片混凝土的坍落度必须控制在允许范 围 内， 保证混凝土具有 良好 的和易性 ； 经过 大量试验确 定 管片振动成型时间 ， 不得漏振 或过振 ， 以保 证管 片外 弧 面浮浆层厚度得 到有效 控制 ； 通 过试 验优 选各 种混 凝 土用材料， 避免有害物质材料的使用； 模板闭合后均匀 涂刷性 能 良好 的水性 脱模 剂 ， 以减少 干燥模 板对 混凝 土内部水分的吸附， 同时减少起模时模板对管片的拉 应力。 ( 2 )对管 片外弧 面 的操

16、 作必 须坚 持二 次抹 压 ， 达 到压实混凝土 的要求 ， 避免 和减 少混凝 土在 升温 阶段 的裂缝产生； 混凝土终凝必须立即转入养护工序， 以减 少混凝土 的收缩应 力 ， 有效避 免混 凝土 早期 塑性 裂缝 的产生 。 ( 3 )蒸汽养护后出池的构件 ， 要在车间自然环境 中放置不少于 1 2 h ， 以保证管片混凝土表面缓慢降温； 保证混凝土的湿养 ， 时间不 少于 7 d 。 ( 4 )夏季施工时， 尽量降低砂、 石进入搅拌机的温 度， 保证混凝土的入模温度不大于 2 O o C； 冬季采用综 合蓄热法施工 ， 保 证混 凝土 的人 模温 度不 小于 1 5 ， 且小于2 5 o C； 在混