蘭州地鐵鋼筋混凝土管片生產中出現裂紋的分析與控制

羅波

中鐵株洲橋梁有限公司技術開發部 湖南株洲 412000

隧道盾構的掘進施工方法現階段被地鐵工程施工廣泛運用，因為這種方法有施工速度快、勞動強度低、施工占地面積少的特點，可以節省大量的勞動、施工成本和土地資源。在地鐵工程施工中鋼筋混凝土管片是非常重要的組成部分，地鐵防暑結構的安全性和嚴密性能都是管片質量的好壞在影響。預制管片是盾構機在挖掘過程中施工工藝流程所決定的步驟，預制好的管片就是地鐵隧道的主體結構。在隧道主體結構施工時常常存在很大的水壓，蘭州屬于西北地帶，在西北地帶水資源都少帶有腐蝕性，對混凝土中的鋼筋有腐蝕作用，因此蘭州地鐵1號線盾構法施工的區間，除對管片的強度、抗滲及尺寸等指標有嚴格規定外，對混凝土表面的缺棱、掉角、氣泡、裂紋等也作了嚴格限制。在管片的幾個質量控制點中，裂紋對地鐵隧道的影響非常大，當涂在該段外表面上的防水防腐保護層破裂時，該段表面的混凝土裂縫將導致該結構的防水和防腐性能大大降低，這將影響結構的耐久性。因此，對減少或消除段生產中的可見裂縫具有重要意義。

1 生產情況

蘭州地鐵1號線一期工程西起西固，東至東崗，全長約34公里，設計共需混凝土管片27900余環。每環管片共由六個瓦片式的型塊組成，拼裝起來的外徑為6200mm，內徑為5500mm，厚度為350mm。混凝土設計強度等級為C50，抗滲等級為P12。管片由中國鐵建重工集團蘭州隧道裝備有限公司組織生產，生產使用的模具由秦皇島天業通聯重工集團制作，模具自身配有附著式氣動振動器對澆筑的混凝土進行振搗。混凝土生產采用2-HZS120L2攪拌機自動配料拌合，混凝土設計坍落度50-70mm，生產用混凝土配合比見表1。由于工期原因。每套模具每日必須生產兩環以上，因此管片在混凝土初凝后均采用蒸汽加熱養護。管片采用天車吊具夾具脫模，管片的脫模強度不小于20MPa，管片達到強度脫模后，立即吊至修補區進行編號、檢查、修補，完成后移入水養池內浸水養護14天，然后吊出至28d齡期進行尺寸檢驗、同條件混凝土試件試驗。管片預制廠試生產一段時間后發現，管片的強度、抗滲及尺寸均滿足設計要求，但表面常出現深淺不一的裂紋。出現裂紋主要有兩種類型，一種為不規則的表面龜裂，一般出現在管片外弧表面頂部區域，發現時間往往在浸水養護后，深度不超過1mm；另一類裂紋較為規則，一般出現在管片側面以及兩端，側面裂紋比較有規則出現，出現時間往往在脫模后不久，裂紋長度一般10-40mm。

表1 管片試生產階段用混凝土配合比

2 管片類型

主要有球墨鑄鐵管片、鋼管片、復合管片和鋼筋混凝土管片等，每環由數塊管片組合而成。目前應用最廣泛的是鋼筋混凝土管片。各類管片的主要優缺點如下。

2.1 球墨鑄鐵管片

球磨鑄鐵本身就具有強度好、延展性高、易成型、鍛造性能好的特點，生產成的管片管壁比較薄，重量輕，對于工人來說搬運方便，而且管片的精度準確，外形也很美觀，防水性能良好。缺點是對加工的設備性能要求高、加工成本高，在成型后必須采用大型的金屬切削設備進行加工。

2.2 鋼管片

主要用型鋼或鋼板焊接加工而成，其強度高，延性好，運輸安裝方便，精度稍低于球墨鑄鐵管片，但施工時在施工應力作用下易變形，在地層內也易銹蝕。

2.3 鋼筋混凝土管片

鋼筋混凝土材質的管片有一定的強度，加工制作容易，耐腐蝕性強、造價低，也是最常用的管片制作材質。但是重量大，運輸、安裝不方便。

蘭州地鐵1號線一期工程采用鋼筋混凝土襯砌管片，本文針對鋼筋混凝土管片生產過程出現裂紋進行分析。

3 主要原因分析

混凝土膨脹或收縮引起的過大應力是鋼筋混凝土構件中混凝土開裂的主要原因。其次，脫模溫度差太大，失水過快，會導致裂縫。從斷面的表面開裂特征和發生時間來看，應該是由收縮引起的裂縫。經過對混凝土原料，配合比，混合質量，進料，振動，擦拭，蒸汽，脫模等的綜合分析或測試，可能導致段開裂，產生表面裂紋的主要原因。細分如下。

3.1 混凝土性能需要提高

混凝土混合后，沒有出現泌水現象，可加工性良好。然而，在生產過程中，強烈振動后混凝土表面嚴重振動，管口附近的砂漿太厚。當水分散到混凝土混合物表面時，表面混凝土的水灰比增加，抗拉強度降低，收縮增加，使混凝土更容易出現表面裂縫。砂漿的表面富集也會導致表面混凝土過度收縮并增加混凝土開裂的可能性。根據生產工藝要求，需要進一步縮短混凝土凝結時間。延長混凝土凝結時間將延長對管片的蒸汽養護，縮短蒸汽時間，并迫使蒸汽溫度增加，使混凝土溫差變形進一步增加。

3.2 投料方式不合理

生產初期基本采用一次投料方式，不僅不利于止水帶附近氣泡的排出，同時也易使管片在振搗后表面的砂漿更多。

3.3 振動過程不正確

模具本身配備了附加的氣動振動器，能量很大。為了節省振動時間和排氣，工人經常長時間打開能量振動，使混凝土表面分泌水，同時靠近進料口。聚集了大量的砂漿，其深度通常超過5厘米。從實際生產情況來看，一小部分裂縫出現在進料口附近。

3.4 清潔蓋模時，對混凝土表面的保護不當

當揭開管子兩端的蓋模時，拖把應直接使用，管子混凝土表面沒有任何保護，因此大量的洗滌水濺到混凝土表面，表面往往是直接擦拭和放大。混凝土開裂，特別是表面開裂的可能性。

3.5 固化和脫模時溫度較高，脫模區濕度較低

由于在混凝土初始凝固之前混凝土的蒸汽將導致管表面的表面被堵塞，因此在初始凝固后必須對管件進行蒸汽處理，并且初始蒸汽養護時間和成型時間為取下，管件的實際蒸汽養護時間通常小于5小時。為了確保脫模所需的強度，固化溫度必須提高到60℃以上，并且由于冷卻時間，脫模時的溫度通常也低于40℃，因此管板脫模后迅速冷卻。脫模溫度越高，溫差越大，失水越快。管蒸汽的溫度升高越大，后期由于溫度引起的收縮越大。

3.6 在封口處編號、檢查工作期間，把工作盡量安排在南門的風口處進行檢查和檢修

這不僅能進加快混凝土的冷卻速度，而且加強了混凝土表面的失水現象，混凝土管片表面就會很容易出現裂紋。從實際的生產過程中發現，大多數的裂縫都是在蒸汽養護未完成時產生的。

4 采取措施

4.1 加強對原材料的控制

在施工前期對混凝土中水泥和添加的摻合料進行檢測，也就是對粉煤灰和水泥的性能質量進行檢測，主要是對摻合料的細度和需水量進行控制，適當的對其他指標也進行采取控制措施。每一批混凝土中摻加你的砂子和礫石都必須進行清潔，目的就是保證泥漿的含量能達到施工標準。

4.2 控制好混凝土的攪拌時間

混凝土攪拌時間每延長1分鐘，可以增加混凝土的均勻性，減小混凝土初凝時的泌水現象。同時，在減小泌水率的同時要保證混凝土拌和時的坍落度能達到設計要求。

4.3 合理確定進給方式和振動過程

在進給時，采用側進給振動的方法，通過第一次強烈振動減弱振動。當混凝土流動性較高時，弱振動時間比強振動時間長，當混凝土流動性小時，強振動時間比弱振動時間長。具體的振動時間根據混凝土混合物的性能確定，總振動時間應在4分鐘內控制。

4.4 在抹灰過程中，在段的混凝土表面上放置一層塑料薄膜，以防止在用拖把取下蓋子之前水濺到混凝土表面上

在涂抹段混凝土表面之前，用木質擦拭布或其他工具擦拭。如果發現太多砂漿，可以將其移除，然后用相應的混凝土壓實抹子填充。在整個過程中嚴格禁止原水。

4.5 保棚設置在相對安靜的地方

我們采取提前提高溫度的措施，能縮短溫度提升之間和溫度恒定的時間，對蒸汽的溫度嚴格的把控，尤其是最高溫度。如果超過55度，就要延長冷卻的時間，把混凝土的溫度完全釋放。環境溫度一般不能超過15度。蒸汽養護的過程中加熱的速度控制在15度/小時以內，冷卻的速度在20度/小時以內。

4.6 蘭州位于西北地區，氣候比較干燥

在施工期間，為了能保證施工場地的濕度，施工區域要采取措施對地面進行濕潤。施工期間，要定時檢查施工區域的溫度和濕度。如果脫模板上有覆蓋土工織物，對土工織物及時灑水濕潤，水分才能不流失保證施工區域的濕度。進出口安裝擋風玻璃，人員進出是及時關門窗，以免區域內的濕度被破壞。

5 結語

綜上所述，在管片預制場采取一系列改進措施后，管片的表面質量得到了改善。在改善后生產的27000個環段中只有少量的幾十個環出現輕微的裂紋現象，并且此段沒有出現損壞裂縫的出現。裂紋情況改善后，蘭州地鐵1號線某區間工程的施工質量也得到了業主的肯定，質量監督管理部門也很贊成這種有效的改進措施，這也有效的促進了地鐵行業發展，提高了社會經濟效益。