盾構管片生產中氣泡和裂縫的防治措施探討

劉成虎

中國水利水電第七工程局有限公司

1 引言

盾構法是隧道重要的施工方法，優勢是掘進速度快、安全性高，適應性好，幾乎可以滿足任何土質的施工要求。管片主要有普通環與通用環兩種類型，一環由6 片或者9 片管片組成，管片之間可以用彎螺栓連接也可以用直螺栓連接。盡管不同的常見生產管片的工藝有所區別，但生產流程基本一致，主要采用兩種模式，一種是固定模生產，另一種是流水線模生產。鋼筋在定位胎具焊接成型鋼骨架，由振動臺震動成型，通過自動溫度控制系統進行蒸汽養護。在管片的生產過程中，多種因素都能影響生產質量，比如生產技術、管理水平、員工的技能水平、生產設備可靠程度等。如何提高管片質量，減少氣泡與裂縫，是目前困擾廠家的主要問題。

2 盾構管片氣泡與裂縫的形成原因分析

2.1 氣泡的形成原因

（1）在攪拌混凝土過程中會自然而然地形成氣泡，在振搗棒的擠壓下，氣泡逐漸聚集、變大，其中一部分氣泡會經混凝土的表面排出，而還有一部分氣泡沒有隨著振搗而排出，主要存在于混凝土的切割端面或者構件靠模的側面。

（2）混凝土的配合比與坍落度密切相關，坍落度大，說明混凝土的含水量較多；坍落度小，則說明混凝土中的水分較少。氣溫、生產工藝等因素均會對混凝土的坍落度產生影響，原則上，除了結合水之外，混凝土中的水分越少越好。但常溫下，混凝土管片有著比較嚴格地坍落度要求，最好保持3cm～5cm的坍落度。如果坍落度太小，混凝土會因為快速凝固而無法充分有效地振搗，最終會形成空洞與蜂窩。

（3）制作盾構管片的鋼模必須有較高的精準度與良好的密封性，誤差不超過0.4mm。大部分的模具側模都有凹凸榫，凝固過程中，混凝土會產生熱量，在振搗棒的擠壓作用下，混凝土中的水分與氣泡會排出來，而排出的水分、氣泡通常會集中在模具與管片側面的凹凸榫位置。原本混凝土所在的位置被氣泡占據，脫模后，凹凸榫處的氣泡數量最多。模具側模沒有凹凸榫的管片上，氣泡的數量很少，而且氣泡的分布比較均勻，管片內部的氣泡同樣少而均勻。

2.2 裂縫的形成原因

（1）混凝土因干燥收縮會形成裂縫。

（2）管片的升溫、降溫幅度太大而形成裂縫。

（3）混凝土具有碳化作用，會銹蝕鋼筋，破壞鋼筋表面的氧化膜，周圍的混凝土在膨脹應力的作用下，保護層會開裂并剝落，沿著鋼筋形成縱向裂縫，而且銹跡還會滲透到混凝土的表面。

（4）如果盾構管片的存放時間太久，長時間處于不合理的受力狀態下，也會產生裂縫。

（5）制作管片所用的原材料不合格也是形成裂縫的重要原因，如果水泥的安定性不達標，或者砂石的含泥量太大，會在早期產生不規則的網狀裂縫。如果骨料中含有酸性的硅化物質，一旦和粉灰、水泥中的堿性物質結合，就會形成水硅反應，從而產生膨脹的膠質物質。吸取水分之后，局部會產生拉應力，導致構件形成爆裂狀的裂縫。如果外加劑或者拌和水中含有太多的氯化物，也會銹蝕鋼筋，產生裂縫。

（6）管片裂縫的產生和施工工藝也有很大關系，比如振搗混凝土的密實度不足，會形成麻面、空洞以及蜂窩，這是形成荷載裂縫的根本原因。由于芯棒的阻擋，局部的混凝土振搗不夠密實，管片的手孔位置就很容易形成裂紋。振搗之前，混凝土放置的時間太久，其中的水分大量蒸發，混凝土在損是坍落度的情況下，表面會形成不規則的收縮裂縫，一旦坍落度太大，還會導致水泥浮漿而形成龜裂。

3 防治盾構管片出現氣泡與裂縫的有效措施

3.1 空洞和蜂窩的防治措施

混凝土配合比以及振搗不合理是管片產生空洞、蜂窩的重要原因。在配合比方面，主要表現為混凝土的濕度不夠，過于干硬，摻砂率太低。盾構管片混凝土采用的不是擠壓工藝，而是振搗密實工藝。干硬性的混凝土由于流動性欠佳，所以很難振搗密實，因此更容易形成空洞、蜂窩。管片模具的中間是混凝土布料口，要想通過不了口均勻的分層混凝土，要求混凝土要有良好的流動性。因此干硬性混凝土并不適合管片生產，成型時管片多為弧形拱狀，入模時混凝土的坍落度如果太大就無法成型。表1為10環管片的試生產情況。

有表1可知，如果布料和振搗工藝合理，可以通過控制混凝土坍落度，調整砂率來解決管片生產過程中形成的空洞和蜂窩現象。

3.2 氣泡的防治措施

3.2.1 外加劑調整

生產過程中通過對外加劑的調整提高管片施工性能及改善管片外觀氣泡，過程中采用外加劑調節劑2 種，有機硅消泡劑2種，有機醚消泡劑2種，進行組合生產。目前已經確定了外加劑中調節劑及消泡劑的組合比例，對管片外觀氣泡有一定的改善

表1 10環管片的試生產情況

3.2.2 調整混凝土生產溫度

施工過程中混凝土溫度在22℃～36℃時管片的外觀氣泡比較利于排出，當混凝土溫度過高或過低時，混凝土氣泡易在模具表面產生聚集。故在生產過程中通過調節水溫進行混凝土生產溫度控制生產，冬天加熱水夏天加冰水來保證混凝土溫度，讓氣泡比較利于排出。

3.2.3 分層填筑混凝土，進一步明確輔助振搗的位置及振搗時間

生產過程中分層填筑混凝土，分三層填筑，每層間隔30s，振搗30s后再填筑混凝土。明確振動棒的插入位置及插入深度，通過試驗確定了輔助振搗插入點在距離模具邊緣20cm的位置，插入深度為110cm，輔助振搗時間為120s，嚴格執行快插慢拔的振搗工藝，對管片止水槽位置聚集的氣泡排出較有利。

3.2.4 脫模劑的使用

脫模劑分水性脫模劑油性脫模劑。管片生產過程中對比實驗發現，油性脫模劑對氣泡具有極強的吸附性，混凝土內存在的氣泡一經與之接觸，便會吸附在模具上形成型于混凝土結構的表面，影響外觀質量。水性脫模劑能夠克服這些不足，施工過程中脫模劑的均勻圖抹也有利氣泡的排出。

3.2.5 保證原材料質量

①水泥：水泥的助磨劑不同，會對氣泡聚積產生一定影響，選擇水泥時要充分考慮是否摻加了助磨劑，推薦早強型P·II52.5水泥。標注稠度用水量應保持27%～30%。②摻合料：一方面要增強管片的耐久度，另一方面還不會對管片的早期強度產生影響。摻合料的數量、種類不宜過多，但要保證高品質。比如使用細度7%～10%、需水量比≤95%的I級粉煤灰。③集料：集料的級配、粒型均與氣泡的形成密切相關。混凝土中的含氣量一定程度和砂石有關，砂石帶有的氣泡越多，混凝土的含氣量就越多。級配和顆粒型號優良的砂石可以很好地控制混凝土中的氣泡，比如贛江沙的細度模數為2.6～3.0，含泥量只有0.1%。優良的砂石粒型完整，針片狀的和顆粒較少，可以選擇單級配，也可以選擇連續級配，最大的粒徑應不超過25mm。比如巖質是石灰石類的砂石，最大粒徑應≤20mm。集料的粒徑較小，一方面可以提高混凝土的強度，另一方面還能保證混凝土良好的抗滲性能。

3.2.6 合理設計配合比

①基準配合比：圖紙混凝土的設計等級是C50P10，坍落度為70mm。水膠比≤0.36、凝膠材料360～480。28 天的標養強度≥59.9MPa，拆模強度≥18MPa，抗滲等級≥P12。②設計配合比：盡量采用高水膠比、砂率適中的配合比，如果每方混凝土內凝膠材料的使用量＞430kg，就會提高混凝土的黏稠度，氣泡很難排出。無論砂石率太高還是太低，都會影響混凝土各種材料之間的空隙填充，導致氣泡不易排出?！镀胀ɑ炷僚浜媳仍O計規程》（JGJ55—2011）中明確規定了水膠比的三個配合比，分別是0.39、0.34與0.29，對于盾構管片混凝土的生產而言，最適合的配合比是0.34。③生產配合比：從坍落度與砂率兩方面進行調整，坍落度低于30mm，比較容易控制氣泡數量，如果超過50mm，則氣泡較多，10mm以下，氣泡更少，但蜂窩空洞較多?；炷恋奶涠瓤刂圃?0mm～30mm，砂澆筑的管片外觀好，有害氣泡的數量較少。

3.3 裂縫的防治措施

（1）合理控制坍落度。通過加入適量的添加劑將坍落度控制在合理范圍內，振搗時保持坍落度的均勻，讓各部位的混凝土均勻地分布、均勻的凝固，可有效減少裂縫。

（2）合理控制溫度。從以下三方面著手減少溫度給混凝土造成的影響。①用冰塊來降低混凝土的溫度，減少坍落度的損失。②選擇溫度較低的時間段澆筑混凝土，比如上午10點前，下午4 點后。③做好管片的早期養護，澆筑結束到脫模之前的階段，混凝土會在凝固過程中釋放大量熱量，要降低混凝土水分過快丟失，讓混凝土均勻凝固，減少裂縫。

（3）合理養護。蒸汽養護后再脫模，可以讓混凝土更快的硬化，保證水泥可以水化充分，讓管片強度滿足脫模要求，以避免收縮裂縫的形成。混凝土振搗成型2小時之后，在模具上套上蒸汽養護帆布套，和地面接觸的帆布套要用方木壓實，然后在帆布套預留的小孔內置入溫度計用來通入蒸汽。由于大量小孔分布在模具底部的蒸汽管路上，蒸汽會從各小孔內噴出，保證模具的溫度均勻提升，溫度每小時大約升高15℃～20℃，最高的養護溫度為50℃～60℃，恒溫養護3h～4h。脫模后等待管片冷卻至常溫后，進行七天浸泡水養，水養后再進行七天噴淋自然養護后，能有效地控制裂紋和裂縫的發生。

4 結束語

綜上所述，地鐵盾構管片的生產質量與隧道工程質量密切相關，采取有效措施控制氣泡數量、減少裂縫，能夠提升隧道工程的穩定性與安全性。