高耐久性、超大直徑盾構管片混凝土在錢江隧道中的應用

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展，盾構法因其先進的施工工藝、較高的施工效率和安全性，日益成為我國地下工程和隧道施工的主要方法。管片作為盾構隧道最主要和最關鍵的結構構件，其性能的優劣對工程質量和服役壽命具有決定性的影響［1－4］。

以往人們普遍認為，鋼筋混凝土襯砌不會自然損壞和失效，能夠滿足較長年限的使用要求。但近年來，各類隧道結構中出現的耐久性問題越來越嚴重，隧道襯砌的裂損、腐蝕和滲漏現象非常普遍，嚴重影響使用安全，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管片襯砌所使用的混凝土質量(尤其是耐久性)是影響整個工程質量的重要環節之一，而混凝土耐久性等質量指標不僅與配合比各項參數息息相關，還受到原材料的規格和品質的影響［5－8］。

在借鑒以往類似工程的混凝土配合比設計和生產經驗的基礎上，結合杭州地區氣候情況和市場上的原材料情況，通過各項試驗，對當地多種原材料進行比較優選，得出最佳原材料的配合比，并進行各項性能測試，使該管片混凝土生產時具有良好的工作性能和各項耐久性指標。

1 工程概況

錢江通道及接線工程是浙江省公路水路交通建設規劃中“兩縱兩橫十八連三繞三通道”高速公路主骨架的“一通道”，是長三角都市圈高速公路網規劃中“七縱之一”江蘇鹽城至紹興高速公路的組成部分，在區域公路網中有著極其重要的作用。錢江隧道是錢江通道及接線工程項目的關鍵工程，錢江隧道的建成對加強錢塘江南北兩岸各城市的相互聯系和經濟往來具有十分重要的意義。

錢江隧道位于海寧市與杭州蕭山區之間的錢塘江流域，采用外徑15.43 m的盾構法技術施工，雙管6車道，為世界最大直徑的盾構法隧道之一。由于錢江隧道所處的地質情況以及盾構機型式與上海長江隧道類似，因此錢江隧道可以稱為上海長江隧道的姐妹隧道，其襯砌同樣為預制高精度鋼筋混凝土管片，外徑為1 500cm，內徑為1 370cm，寬為200cm，厚為65cm，每環由10塊管片拼裝而成，需澆筑的混凝土量為58.6 m3。混凝土強度等級為C60，抗滲等級為P12，氯離子擴散系數為2.0 ×10－12m2/s。

2 配合比設計

錢江隧道管片的設計要求與上海長江隧道管片大致相同。因此，在借鑒長江隧道管片混凝土配合比的基礎上，結合以往經驗［9］，進行相關調整，確定配合比主要參數，見表1。

表1 配合比主要參數Table 1 Mixing proportions

3 原材料的初選

杭州地區的原材料品種和規格總體接近上海地區，但市面上供應的原材料魚龍混雜，品質不一，優質原材料尤其是高品質的礦物摻合料的供應緊張。因此，在綜合考慮設計和供應保障要求的條件下，選擇以下原材料作為試驗用料。

3.1 細骨料

采用符合標準［10］的天然中砂，細度模數為2.5～2.8。由于杭州本地市場上的天然中砂多為湖砂，其顆粒級配和含泥量雖然滿足設計要求，但是顆粒級配的連續性不佳，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，對質量較好的長江流域贛江砂和杭州本地曹娥砂進行試驗對比。2種砂的主要指標見表2。

3.2 碎石

采用符合標準的杭州本地優質碎石，使用2檔碎石(5～10 mm和16～31.5 mm)按2∶8的比例對摻，得到顆粒級配符合5～31.5 mm連續級配要求的碎石。而實際生產則可根據每批進庫碎石的具體顆粒級配情況進行適當的比例調整。

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

3.3 水泥

針對高強度和耐久性管片混凝土的設計要求，采用符合標準的寧國海螺水泥52.5P·II型硅酸鹽水泥。

3.4 粉煤灰

根據以往經驗，粉煤灰使用低鈣I級灰效果較好，但是杭州市場上I級灰的供應數量較少，且質量不穩定;而低鈣II級粉煤灰的生產量較大，且質量相對穩定。經比較多個粉煤灰廠家的質量，發現杭州市場的粉煤灰質量指標雖然符合國家標準，但其細度、需水量比和氧化鈣含量等指標相對偏高，對混凝土性能會有所影響。如使用周邊較好的低鈣I級灰，質量雖能保證，但運輸距離較遠，供應連續性不能保證，且經濟成本也相對較高。綜合分析，選用品質和供應均有保證的寧波鎮海FII粉煤灰。

3.5 礦粉

采用符合標準的S95型礦渣粉，考慮質量存在差異，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行生產，能夠滿足高強度的減水率要求和干硬性預制構件混凝土的預制成型要求，而杭州地區的預制構件生產一般采用聚羧酸外加劑。根據上海長江隧道管片配合比的試驗經驗［1］，聚羧酸外加劑在一定程度上不利于管片外弧面的成型;但考慮到當地材料與外加劑適應性的問題，同時采用脂肪族外加劑AD1和聚羧酸外加劑AD2進行試驗，具體指標見表3。

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

4 原材料優選及混凝土性能研究

4.1 礦粉與砂的品種對混凝土性能的影響

采用基礎配合比進行試配，首先，從混凝土工作性能方面進行選擇。管片混凝土坍落度設計要求為(30±10)mm，但根據長江隧道管片生產經驗，在夏季生產時考慮氣溫因素，在實際生產時坍落度需適當調整為(40±20)mm以滿足施工性能。其次，運輸方式采用吊瓶方式，即混凝土從攪拌機卸至吊瓶內，再由吊瓶卸入鋼模后進行混凝土振搗、抹面收水和養護。在運輸澆搗過程中，坍落度大小直接影響混凝土卸料和澆搗效率，尤其在夏季，過小的坍落度易堵塞吊瓶下料口，且澆搗時造成工人較大的勞動強度。最后，收水階段和翻模階段取決于混凝土凝結時間。綜合以上考慮，對已確定和尚要選擇的原材料進行混凝土性能試驗，針對同一配合比，首先通過小樣試驗進行比對。

1)試驗環境。室溫為18℃，外部氣溫為35℃。

2)試驗材料。

A組:寧國海螺52.5P·II型硅酸鹽水泥、寧波鎮海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:寧國海螺52.5P·II型硅酸鹽水泥、寧波鎮海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:寧國海螺52.5P·II型硅酸鹽水泥、寧波鎮海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:寧國海螺52.5P·II型硅酸鹽水泥、寧波鎮海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1。對4組材料確定外加劑用量，比較混凝土性能，見表4。

表4 試驗1數據Table 4 Testing data 1

試驗2。對4組材料達到同一坍落度要求，比較混凝土性能，見表5。

表5 試驗2數據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種不同試驗目的情況下，即長江隧道配合比中的外加劑用量確定所能達到的坍落度和要求達到某一坍落度時相應的外加劑用量，均表現出坍落度過小，外加劑用量偏多且混凝土有板結現象。28 d蒸養和標養的混凝土抗壓強度雖滿足設計要求，但富余量不足，如原材料發生質量波動，混凝土強度易發生不合格情況。B組和D組使用了顆粒連續性較好的贛江砂，混凝土和易性、工作性能都能滿足生產要求，且起吊強度達到設計強度的29%以上，28 d抗壓強度達到120%以上，能規避原材料質量波動而引起的混凝土強度波動。因此，雖然使用贛江砂在經濟成本上有所增加，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4組材料試驗，發現杭州京杭礦渣粉和上海沙鋼礦渣粉對混凝土工作性能和抗壓強度無明顯的差別，故決定選用杭州本地礦粉材料。

3)在試驗2中，可以看出要達到80mm左右坍落度時，4組脂肪族外加劑用量均偏多，從而導致混凝土表現出明顯的黏度，易使運輸卸料過程中的吊瓶發生堵塞情況，這需要進行管片試制試驗得以證實。

4.2 外加劑種類對混凝土性能的影響

試驗確定細骨料產地和礦渣粉廠家后，為進一步了解不同外加劑種類對管片混凝土工作性能和抗壓強度的影響進行了2組對比試驗。

1)試驗環境。室溫為19℃，廠房氣溫為33℃。

2)試驗材料。

B組(同上);

E組:寧國海螺52.5P·II型硅酸鹽水泥、寧波鎮海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3。2組材料為2種不同類型的外加劑，確定混凝土達到工作性能要求的最小坍落度時的外加劑用量，見表6。

表6 試驗3數據Table 6 Testing data 3

試驗4。2組材料達到同一坍落度要求，比較混凝土性能，見表7。

表7 試驗4數據Table 7 Testing data 4

由表6和表7可知:

B，E 2組材料都能達到施工坍落度要求，混凝土工作性能能滿足澆搗要求，且起吊強度達到設計強度的28%以上，28 d抗壓強度達到設計要求的116%以上。

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

4.3 管片的試制試驗

試驗5:對2組材料各進行2塊管片的試制試驗，每組材料攪拌約10 m3左右的混凝土，見表8。

試驗環境:廠房氣溫為34℃。

試驗材料:B組和E組。

表8 試驗5數據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，摻量達到1.7%以上。雖然能夠實現澆搗，但抹面收水完全不能滿足要求，在廠房溫度為30℃以上時，整個收水時間仍要達到6 h，嚴重影響余后的起吊和翻模階段;并且在收水過程中，發現混凝土表面水分蒸發很快出現硬化，而內部混凝土仍然很軟，即所謂的彈簧土現象，不易于將管片表面抹平，從而導致成型后的管片表面出現不平整且許多裂縫的現象。

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，完全滿足生產工藝要求。

綜上試驗結果表明，確定將E組材料作為錢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 抗滲試驗

錢江隧道管片抗滲等級的設計要求為P12。對E組原材料制作了1組抗滲試件，標養28 d后進行抗滲試驗，試驗結果為:抗滲壓力達到1.5 MPa時，6塊抗滲試件無一塊有表面滲水現象，后將試件劈開后，發現最大滲水高度為60 mm，表明E組抗滲性能良好。

5.2 氯離子擴散系數試驗

錢江隧道管片氯離子擴散系數設計要求為2.0×10－12m2/s。對E組原材料制作了1組150 mm×150 mm×150 mm標準試件，標養28 d后，送浙江建科院進行氯離子擴散系數檢測，檢測結果為0.8×10－12m2/s，表明E組材料所配置的混凝土氯離子擴散系數良好。

6 工程應用

錢江隧道管片于2009年9月9日正式投入生產，至今共生產管片709環，總計混凝土41 500多m3。整個管片混凝土生產和性能要求，已能滿足管片生產工藝要求，實現1d內翻2模的生產進度。表面外觀光滑平整、色澤均勻、無明顯裂縫、側面氣孔較少。管片混凝土生產共制500多組抗壓試件，最小值為64.3MPa，平均值為68MPa，標準差為3.42MPa;抗滲試件140多組，均達到P12的抗滲等級;氯離子擴散系數等各項性能指標均滿足設計要求。

7 結論與討論

由于混凝土原材料在品質上存在地域性的差異，因此，根據杭州錢江隧道管片耐久性設計要求，同時借鑒了上海長江隧道管片混凝土的生產經驗。在采用了杭州當地原材料的情況下，通過對混凝土工作性能、抗壓強度、抗滲等級和氯離子擴散系數等進行各項試驗表明:采用質量較好的細骨料，調整使用聚羧酸外加劑以達到與當地材料相適應的目的。最終確定了最佳粗細骨料、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，并且在工程應用中管片混凝土的各項指標均達到設計要求，具有較高的耐久性，完成了預期目標。但在管片表面細小裂縫和氣孔的控制上，還需通過現場混凝土坍落度試驗、生產工藝流程控制等方面以得到更好的效果。

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