隧道二襯混凝土配合比設計及工程應用

高勝磊

（北京市高強混凝土有限責任公司，北京 100124）

1 引言

隨著國內隧道工程的逐步開展，通過新奧法施工的公路隧道、鐵路隧道、地下管廊等類屬于隧道的工程不斷增多，其對襯砌混凝土的使用非常普遍。新奧法修建的隧道施工作業大致可分為開挖、一次支護和二次襯砌3 項，其中，一次支護和二次襯砌合稱為復合式支護（襯砌）[1]。

北京市國道109 新線高速公路（西六環路—市界段）工程小龍門隧道上部仰拱通過爆破開挖、C25 細石噴射混凝土初次支護、固定防水材料、C45P8F200 或C35P8F200 混凝土二次襯砌進行施工。本隧道項目中的泵送C45P8F200 及C35P8F200 二次襯砌混凝土要滿足連續施工、高工作性、長耐久性等要求，因此，針對相關要求進行了一系列的試配、試驗和研究；在工程實際應用中，及時總結分析問題，通過嚴控原材料、對配合比進行適當調整、與施工方協商配合等多途徑解決問題，使得本站生產的混凝土滿足了工程的質量要求。

2 工程概況

本隧道混凝土施工整體上采用拖泵泵送，拱腳拱墻部位采用泵送及二次溜槽入模的施工方式。階段施工完成后間歇1 h 左右，等待混凝土沉降及更換泵管接頭。仰拱部位采用泵管直接泵送入模施工方式。入模窗口采用振搗棒振搗，臺車整體采用附著式振搗器振搗。C45P8F200 一次性澆筑混凝土約200 m3，施工時間約10 h。C35P8F200 一次性澆筑混凝土約160～180 m3，施工時間約8 h。

技術要點：（1）大坍落度、高流動性。為滿足施工入模要求，到場坍落度要求（200±20）mm。（2）質量的穩定性。滿足連續施工、一次性澆筑完成的要求。（3）含氣量控制。為滿足混凝土抗凍性及拌和物工作性要求，含氣量控制標準取4.0%～4.5%。

3 試驗部分

3.1 原材料

水泥：金隅琉璃河P·O42.5 水泥，其比表面積370 m2/kg，標準稠度用水量28.2%，3 d 抗折、抗壓強度分別為5.8 MPa、29.2 MPa，28 d 抗折、抗壓強度分別為8.7 MPa、49.8 MPa，初凝時間183 min，終凝時間255 min，安定性沸煮法合格。

礦粉：三河市興達開元S95 級礦粉，其比表面積426 m2/kg，7 d 活性指數81%，28 d 活性指數98%，流動度比99%。

粉煤灰：張家口大唐同舟國華F 類Ⅱ級粉煤灰，其細度19.3%，需水量比102%，燒失量3.78%。

砂石：遷西縣產2 區中砂（天然砂），其細度模數2.7，含泥量2.8%；淶水縣產5～10 mm、10～20 mm 碎石，級配合格，其中10～20 mm 碎石壓碎值指標13.6%、含泥量0.2%，5～10 mm 含泥量0.8%。

減水劑：采用中建材中巖產ZY-TPC 標準型聚羧酸系高性能減水劑，其減水率28%。

引氣劑：采用北京建研院產AN1 引氣劑，為減少稱量誤差，商定摻量為1.0%。

水：飲用水。

原材料指標要求及試驗規程，依據JTG/T 3650—2020《公路橋涵施工技術規范》。

3.2 配合比設計

參考資料：圖紙對混凝土耐久性要求；JTG/T 3310—2019《公路工程混凝土結構耐久性設計規范》；JTG/T 3660—2020《公路隧道施工技術規范》；JTG∕T 3650—2020 《公路橋涵施工技術規范》。設計依據：JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規程》。計算理論配合比見表1。

表1 理論配合比材料用量 kg/m3

3.3 配合比試配及確定

拌和物性能、力學性能、抗滲性能檢測依據JTG 3420—2020《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》；抗凍性能檢測依據GB/T 50082—2009 《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》。

試配試驗數據見表2 和表3。由表2 可知，②號配合比混凝土性能滿足設計與施工要求。由表3 可知，⑤號配合比混凝土性能滿足設計與施工要求。

配合比確定：經檢驗，表2、表3 中②號和⑤號配合比，混凝土強度、耐久性檢測結果均滿足圖紙及標準要求，可生產應用。

表2 C35P8F200 混凝土試拌配合比及試驗結果

表3 C45P8F200 混凝土試拌配合比及試驗結果

4 混凝土工程實體存在問題及控制措施

對于混凝土工程施工中存在的問題，我國諸多學者已經進行了相關研究。關于隧道中裂縫分類及原因分析，陳誠[2]進行了詳細論述，并指出拱部和邊墻的縱向和斜向裂縫對襯砌結構危害性較大。鄭艷俠[3]從配合比、澆筑方式、模板等方面進行了分析，楊忠[4]從含氣量、施工工藝、配合比、模板及脫模劑等方面進行了分析。謝生華[5]對仰斜式結構表面氣泡產生原因及防止措施進行了論述分析。徐少波[6]、李俊峰[7]對色差及倉面浮漿氣泡進行了分析論述。本項目在總結前人經驗的基礎上，結合工程實際情況，針對具體問題采取了相應的控制措施。

4.1 強度

問題1：實體混凝土回彈檢測依據JGJ/T 23—2011《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規程》。C35P8F200 混凝土較容易達到設計要求，C45P8F200 混凝土短齡期內往往達不到設計要求。

問題2：強度分布不均勻，拱腳、拱頂強度普遍比拱墻強度低5 MPa 左右。

控制措施：

1）混凝土方面，控制出機坍落度（200±20）mm，并保證出機拌和物工作性的穩定性，從而保證強度的勻質性。

2）施工方面，拱腳及拱頂部位施工隊伍未重視施工質量。拱腳未按要求加裝附著式振搗器、拱頂部位現場加水沖頂等現象易造成強度不均勻。相應控制措施應針對此兩處著手實施。

3）加強灑水養護。因為隧道洞內交通及空間限制，灑水臺車往往棄置不用，宜造成C45P8F250 混凝土回彈強度不夠。

4.2 裂縫

問題：縱向及斜向深度大、寬度較寬裂縫大多為受力裂縫。裂縫出現在兩板施工交界處較多且較為嚴重。環向裂縫多為溫度或混凝土自身收縮裂縫，出現于板中間位置較多。同地下管廊、地下連續墻特征裂縫類似。

控制措施：主要針對縱向及斜向裂縫，從施工方面著手。

1）合理布局爆破點，嚴格控制圍巖超挖，保證采用細石噴射混凝土的初次襯砌施工及表面質量合格、規范，防止造成二次襯砌受力不均。

2）下部仰拱及回填保證施工質量，將噴射混凝土產生的回彈料、虛渣雜物等處理干凈，防止產生沉降。

3）合理控制拆模時間、素混凝土適當延長拆模時間。防止因混凝土自重或強度不夠產生受力裂縫。

4.3 氣泡

問題：拱腳氣泡較多，且整體表面缺陷較多。

控制措施：

1）及時合理調整施工配合比。混凝土本身黏度高、集料級配不合理、膠材包裹性差易出現表面質量缺陷，合理調整施工配合比可改善表面質量。

2）合理分布加裝附著式振搗器并保證振搗操作規范。

3）臺車方面。拱腳臺車模板弧度對氣泡的排出影響很大，如果業主及總包公司同意，宜設計成垂直或外弧型，并對臺車與混凝土接觸面及時清理維護涂刷脫模劑。

4.4 水紋

問題：整體貫通規律性層狀紋及拱頂黑色紋較多。

控制措施：

1）保證生產過程拌和物的勻質性，穩定控制混凝土出廠坍落度。

2）施工方面，要防止過振。

3）澆筑拱頂部位時混凝土連續供應，連續施工，禁止澆筑現場隨意加水。

5 結論

1）本文設計的C45P8F200 和C35P8F200 配合比在實際生產中能較好地滿足施工要求，且回彈強度滿足設計要求。

2）施工配合比方面。根據本站采用的砂、10～20 mm 碎石、5～10 mm 碎石地材質量情況，碎石比例按8∶2～7∶3 調整，相應砂率可適當降低2%。C45P8F200 合理砂率在42%～45%，C35P8F200 合理砂率在44%～48%。配合比在授權范圍內可根據材料、氣溫、施工等變化進行調整，經此生產的混凝土能較好地滿足施工要求，減少裂縫，保證回彈強度。

3）強度控制方面。保證拌和物的勻質性有利于縮短施工時間，保證實體強度。規范合理的振搗有利于保證實體強度的勻質性。

4）裂縫控制方面。要保證實體結構抗滲性能，主要需減少應力裂縫的產生。規范施工及延后脫模時間可減少此種裂縫的產生。