軟土地區大直徑盾構管片配合比設計及耐久性研究

齊太山，錢棟棟，朱春柏，劉志賀，劉 濤

（1.中車建設工程有限公司，北京 100078；2.蘇州中車建設工程有限公司，江蘇 蘇州 215000）

0 引言

隨著城市化進程的不斷加速，都市圈內中心城區與周邊地區的聯系越來越緊密，市域內出行需求逐步增多，市域鐵路建設的需求越來越迫切。目前市域鐵路地下隧道施工多采用盾構施工，管片是盾構隧道最重要的結構構件，管片性能的優劣對盾構隧道工程質量和服役壽命起決定性的作用［1］。而管片質量受諸多因素的影響［2］，如混凝土原材料［3］、配合比設計［4］、管片生產過程質量控制、管片接縫［5］、管片拼裝［6］以及后期的運營維護［7］等，相關的研究主要圍繞配合比設計［8］和混凝土耐久性等不同方面深入開展。

臺州市域鐵路 S1 線一期 PPP 項目工程（以下簡稱“臺州 S1 線”）是國內首條采用 PPP 模式的市域鐵路項目，項目包含 9 段盾構區間，盾構總長達 12.38 km，管片襯砌環外徑 8.5 m，內徑 7.7 m，襯砌環分為 7 塊，厚度400 mm，環寬 1 600 mm；項目設計使用年限 100 年，C 55 高強度混凝土，抗滲等級 P 12，氯離子擴散系數≤3×10-12m2/s，裂縫寬度≤0.2 mm。項目所在地屬典型的海相淤泥質地層，具有高含水率、高壓縮性、低強度等特點，對管片抗滲性提出了較高要求，加之盾構尺寸較大［9］，掘進過程對土體的擾動，會進一步降低土體強度，存在盾構姿態偏離、超挖、地層變形過大等風險［10］，導致盾體和鋼刷擠壓管片，改變盾體后方管片受力狀態［11］，進而引發管片開裂甚至破損［12］，因此，對管片生產、拼裝全過程的技術控制要求較高。

基于以上背景，本文以臺州 S1 線 C55 高強度混凝土管片混凝土配合比設計為重點，研究混凝土力學、抗氯離子滲透性能、抗水滲透性能以及預制管片抗滲性能，為管片混凝土配制提供技術支撐。

1 試驗方法及原材料

1.1 試驗方法

混凝土所用水泥、粉煤灰、礦粉、河砂、粗骨料、纖維、減水劑等原材料的相關性能試驗按照現行標準進行，原材料性能技術要求按照 TB 10424—2018《鐵路混凝土工程施工質量驗收標準》取值。

預制混凝土管片檢漏試驗裝置如圖 1 所示。試驗步驟如下：①將管片放置在試驗架上，并確保密封橡膠墊緊貼在管片外弧面上；②內弧面中間、兩邊各墊一條橡皮條，管片密封墊距管片邊緣 50 mm；③在管片內弧面寬度方向壓上緊固橫桿，并用螺栓連接，從中間向兩邊緊固；④打開放氣閥門，接通進水閥，注入自來水，當排氣孔中排出水后，關閉排氣閥，啟動加壓閥，按0.05 MPa/min 加壓至 0.02 MPa，恒壓 2 min，檢查管片是否有滲漏水現象，并記錄側面滲透高度；⑤繼續加壓至 0.4 MPa、0.6 MPa，每級恒壓 10 min，直至加壓到設計抗滲壓力 0.8 MPa，恒壓 3 h，檢查管片是否有滲水現象，并記錄側面滲水高度。

圖1 預制管片滲漏試驗裝置圖

1.2 原材料性能

1.2.1 原材料產地及規格

本文試驗所用原材料從管片廠抽樣而來，原材料產地及規格如表 1 所示。

表1 原材料產地及規格

1.2.2 水泥

水泥性能測試結果如表 2 所示，技術要求按照 TB 10424—2018《鐵路混凝土工程施工質量驗收標準》取值（下同）。

表2 水泥基本性能

1.2.3 粉煤灰

粉煤灰基本性能測試結果如表 3 所示。

1.2.4 礦粉

礦粉基本性能測試結果如表 4 所示。

表4 礦粉基本性能

1.2.5 減水劑

減水劑采用聚羧酸高性能減水劑，基本性能如表 5 所示。

表5 減水劑基本性能

1.2.6 碎石

將 5～10 mm、10～20 mm的碎石按照 35 %∶65 % 的質量比混合得到 5～20 mm 碎石，混合后的碎石基本性能測試結果如表 6 所示。

表6 碎石基本性能

1.2.7 河砂

河砂基本性能測試結果如表 7 所示。

表7 河砂基本性能

1.2.8 網狀聚丙烯纖維

纖維采用網狀聚丙烯纖維，纖維基本性能測試結果如表 8 所示。

表8 網狀聚丙烯纖維基本性能

2 配合比設計及混凝土性能試驗結果討論

2.1 管片混凝土配合比設計

2.1.1 確定配制強度

混凝土的配制強度采用式（1）確定：

σ取值6.0MPa，則：

fcu，0=55+1.645×6.0≈64.9 MPa

2.1.2 確定水膠比

根據 JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規程》選取水泥的富余系數γc取1.10；水泥 28 d 膠砂強度fce為：

fce=γc·γce，g=1.10×52.5=57.8 MPa

根據 JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規程》選取γf＝0.85、γs＝1.00，則膠凝材料 28 d 膠砂抗壓強度值fb為：

fb=γf γs fce=0.85×1.00×49.1 MPa

根據 JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規程》表 5.1.2 回歸系數αa、αb分別取值 0.53、0.20，則水膠比為：

W/B=αafb/（fcu，0+αaαbfb）=0.53×49.1/（64.9+ 0.53×0.20×49.1）=0.37

鑒于臺州 S1 線所在地層為海相淤泥質地層，為了確保混凝土有較好的力學及抗滲性能，以滿足設計使用 100 年的服役性能要求，將水膠比取值定為 0.30。

2.1.3 確定管片混凝土各項材料用量

1）確定混凝土中用水量、膠凝材料和外加劑用量。根據混凝土拌合性能要求及試拌經驗，初步推定在摻外加劑時用水量為 141 kg/m3。

確定混凝土中膠凝材料用量為 141÷0.30=470 kg/m3。

確定混凝土中粉煤灰摻量為膠凝材料總量的18%，粉煤灰用量為 470 kg/m3×18 %=85 kg/m3；礦粉摻量為膠凝材料總量的 10.6 %，礦粉用量為 470 kg/m3×10.6 %=50 kg/m3；水泥用量為 470-85-50=335 kg/m3×10.6 %=50 kg/m3；根據工程經驗，網狀聚丙烯纖維摻量取值 1.5 kg/m3。

經試配，外加劑摻量為 1.00 %，混凝土減水劑用量為 470 kg/m3×1.00 %=4.70 kg/m3。

2）砂率。根據河砂細度模數和碎石粒徑技術指標、混凝土拌合物性能指標要求、施工工藝及試拌情況，確定砂率為 36 %。

3）確定碎石和河砂用量。采用質量法計算混凝土配合比，假定混凝土拌合物容重 2 440 kg/m3；碎石和河砂的用量為 2 440-141-470-1.5-4.7≈1 823 kg/m3；河砂用量 1 823×36 %=656 kg/m3；碎石用量為 1 823-656 =1 167 kg/m3，其中 5～10 mm 碎石用量為 1 167×35 %= 406 kg/m3，10～20 mm 碎石用量為 1 167-406=761 kg/m3。

4）確定配合比。基于上述計算，可初步確定計算混凝土配合比（編號 A）。為了設計性能優異、經濟適用的混凝土配合比，在基準配合比的基礎上，保持用水量不變，水膠比增加0.05、砂率增加 1 %，得到第二組配合比（編號 B）；水膠比減少 0.05、砂率減少 1 %，得到第三組配合比（編號C），三組配合比如表 9 所示。

表9 混凝土配合比

2.2 混凝土拌合物性能及耐久性能試驗結果及討論

2.2.1 混凝土拌合物性能

本文采用的三組配合比的混凝土拌合物性能試驗結果如表 10 所示。

表10 混凝土拌合物性能

2.2.2 混凝土抗壓強度

三組配合比的混凝土 7 d、28 d 抗壓強度如圖 2 所示。

圖2 混凝土抗壓強度

由圖 2 可知，A 配合比的 7 d 抗壓強度達 55 MPa、 28 d 抗壓強度達到 65 MPa，從力學性能角度來看，A 配合比滿足設計要求；在 A 配合比的基礎上，水膠比增加至 0.35，28 d 抗壓強度僅為 55.8 MPa，強度富余系數明顯不足；在 A 配合比的基礎上，水膠比減少至 0.25，7 d 抗壓強度已達到 61.5 MPa，28 d 抗壓強度達到74.8 MPa，強度富余系數過高，經濟性較差。對比來看，從力學性能和經濟性角度考慮，A 配合比較為合適。

2.2.3 混凝土抗氯離子滲透性能

采用電通量法和快速氯離子遷移系數法（RCM法）研究混凝土抗氯離子滲透性能，28 d 電通量和氯離子擴散系數試驗結果如圖 3 所示。

圖3 混凝土電通量及氯離子擴散系數

項目所處地層中氯鹽含量較高，對混凝土管片的抗氯鹽腐蝕性能有較高要求。由圖 3 可知，配合比 A、B、C 的 28 d 電通量分別為 602 C、640 C、569 C，28 d 電通量與水膠比成負相關、與膠凝材料用量成正相關，這與混凝土內部結構密實度有關，水膠比越小、膠凝材料用量越多，水化反應后結構密實度越好，相應的抗氯離子滲透性能也越好；配合比 A、B、C 的 28 d 氯離子遷移系數分別為 2.2×10-12m2/s、2.4×10-12m2/s、2.3×10-12m2/s，A 配合比的氯離子遷移系數明顯比 B 配合比低，甚至比C 配合比還低。對比來看，無論是電通量法還是氯離子遷移系數法結果均表明 A 配合比具有較好的抗氯離子滲透性能。

2.2.4 混凝土抗水滲透性能

采用逐級加壓法研究 3 組配合比的混凝土抗滲透性能，每組配合比制作 6 個試件，試驗過程中記錄每組配合比出現 3 個試件滲水時的水壓力，試驗結果如圖 4所示。

由圖 4 可知，配合比 A、B、C 的滲水壓力分別為 1.4、1.3、1.6 MPa，水膠比越低、膠凝材料用量越多，滲水壓力越大，側面反應了混凝土內部結構越密實。配合比 A、B、C 的混凝土抗滲等級分別為 P 13、P 12、P 15，即 3 組配合比均滿足混凝土抗滲等級要求。

圖4 試件滲水時的水壓力

2.2.5 預制管片檢漏試驗

為了研究 3 組配合比的預制混凝土管片抗滲漏性能，按照預制管片檢漏試驗方法，各級壓力下管片滲漏試驗結果如表 11 所示。

由表 11 可知，3 組配合比的混凝土管片在加壓至0.6 MPa 時均未發生滲漏情況，加壓至 0.8 MPa 時，3 組配合比的混凝土管片均發生滲漏水現象，但滲水高度有所不同，A 配合比的滲水高度為 36 mm，B 配合比為 42 mm，而 C 配合比的滲水高度僅為 20 mm；試驗結果表明，3 組配合比的混凝土管片均滿足滲水高度不超過 50 mm 的設計要求，但是隨著水膠比降低、膠凝材料增加，混凝土越密實，預制混凝土管片抗水滲透性能越好。

表11 管片滲漏試驗結果

3 結論

基于管片混凝土的力學及耐久性能需求，以混凝土原材料主要技術指標研究為基礎，進行了混凝土配合比設計，研究了不同配合比的混凝土力學性能、抗氯離子滲透性能、抗水滲透性能以及預制管片的抗滲漏性能，得出的主要結論如下。

1）以力學性能、抗氯離子滲透性能、抗滲透性能需求為目標，通過理論計算得出水膠比 0.30、水泥用量 335 kg、粉煤灰用量 85 kg、礦粉用量 50 kg、網狀聚丙烯纖維用量 1.5 kg 的配合比，能滿足混凝土強度等級 C 55、抗滲等級 P12、混凝土氯離子擴散系數≤3×10-12m2/s 的性能要求，采用類似技術性能指標的原材料生產類似性能要求的混凝土管片，可參照本文選取參數進行配合比設計。

2）在滿足力學和耐久性能的前提下，從經濟性角度考慮，以計算出的配合比為基準，保持用水量不變，水膠比分別增減 0.05、砂率增減 1 %，雖然得到的兩組配合比均能滿足性能要求，但水膠比增加 0.05 后，混凝土各項性能均有所下降，尤以力學性能下降最為明顯，強度富余系數明顯不足，而水膠比降低 0.05 后，混凝土各項性能提升顯著，經濟性不合理。

3）試驗研究表明，混凝土水膠比越低、膠凝材料用量越大，混凝土力學性能、抗氯離子滲透性能和抗水滲透性能越好，相應的混凝土管片具有更好的抗滲漏性能。

4） 對于海相淤泥質地層的管片混凝土配合比設計，總體思路是通過控制水膠比、膠凝材料用量、摻入適當的纖維、外加劑，使得混凝土內部結構密實，從而滿足混凝土力學及耐久性能要求。Q