盾构隧道功能梯度混凝土管片生产技术及性能

摘要：管片性能优劣直接关系到隧道工程的服役寿命。针对武汉长江盾构隧道复杂的工程环境,引入功能梯度材料原理,设计并成功制备出功能梯度混凝土管片,探讨了其生产关键技术,并对其综合性能进行了跟踪检测。

关键词：盾构隧道;功能梯度混凝土管片;生产工艺;性能

[中图分类号] TU528 [文献标识码] A 　　　　[文章编号] 100228498 (2008) 0120106203

　　目前,功能梯度材料在混凝土领域的研究及应用已越来越引起研究者们的重视。M. Maalej 等[1] 对比研究了功能梯度混凝土梁和普通钢筋混凝土在腐蚀作用效应下的耐久性及结构特征,发现功能梯度钢筋混凝土梁表现出更优异的抵抗腐蚀介质侵蚀的能力,因而耐久性更好。杨久俊等[223] 进行了水泥基梯度复合材料成型方法的研究,并就组分和密度梯度变化与材料的热传导性、抗折及抗压强度的关系作了初步研究,发现采用多层振动成型的方法,可以基本保证组分的连续梯度变化,其隔热性能和抗折、抗压强度有明显提高。

　　然而,从已有的研究资料看出,目前功能梯度材料在水泥基材料中的研究应用还很初步,大多集中在对试验现象的报道,未见相关的理论探讨及生产应用方面的系统研究。本文针对钢筋混凝土管片进行设计优化,采用分层浇筑的手段,制备出具有多重功能并实现其梯度分布的功能梯度混凝土管片(Functionally Graded ConcreteSegment ,简称FGCS) ,使之具备外保护层高抗渗、抗裂,主体结构层高强度,内衬层防火抗爆等多重功能。

1 　工程概况

　　武汉长江隧道工程是长江第一条大型过江交通隧道工程,设计为双洞双向四车道,采用盾构法施工,其中盾构隧道工程总长5 049.2m,钢筋混凝土管片采用C50S15 混凝土,内径为10m,外径为11m,每片弧长约4m,环片厚度500mm,环片宽度2 000mm,共2 533 环,每环31.75m3 混凝土,折合混凝土总量约为80 423m3 。每环管片分为9 块,其中封顶块1 块、邻接块2 块、标准块6 块。管片在环纵向均设凹凸榫槽。

　　为了延长盾构隧道的水下服役寿命,提高盾构管片的抗渗、抗裂性能,本专题试验对功能梯度材料在预制混凝土管片的生产做了较为系统的研究,并成功地在武汉长江隧道管片的生产中得到了应用实施。

2 　FGCS 生产试验

2.1 　FGCS 生产工艺流程

　　模具组装→模具调校→钢筋骨架入模及预埋件安装→混凝土结构层浇筑成型→混凝土抗渗层浇筑成型→蒸汽养护(自然养护) →脱模→成品检验、修补及标识→运至水池养护→喷涂外防水涂料→隧道安装后喷涂外防火涂料。

2.2 　施工工序及质量控制

2.2.1 　施工准备

　　1) 模具组装

　　彻底清理模具内外表面的残渣,均匀涂抹脱模剂。按端模板、侧模板与底模板的顺序依次将固定螺栓装上,从中间位置向两端顺序拧紧,严禁反顺序操作,以免导致模具变形。

　　2) 模具调校

　　组装好模具后,对其宽度、弧长、手孔位进行测量,不合格者进行及时调校,必须达到模具限定公差范围,以保证精度。检测方法为:利用0～2 100mm 量程的内径千分尺检测钢模的宽度,误差为+ 0.2P- 0.4mm;利用0～5m量程的钢卷尺检测钢模底板的弧长,误差为±1mm。

　　3) 钢筋骨架入模及预埋件安装

　　用四点吊钩将钢筋骨架按模具规格对号入模。起吊过程必须平稳,不得使钢筋骨架与模具发生碰撞;螺杆头部必须全部插入到手孔座的模孔内,防止连接不紧出现缝隙,造成漏浆现象;检查各附件是否按要求安放齐全、牢固; 检查钢筋骨架保护层垫块是否安放正确,保证主筋保护层外侧为50mm,内侧为40mm。

2.2.2 　结构层混凝土浇捣

　　结构层混凝土配合比如表1 所示。

　　注:J0 组为常规工艺管片配合比,J1 组为FGCS 结构层配合比;砂、石以饱和面干状态为基准

　　混凝土按先模具两端后中间的顺序进行放料;浇捣采用混凝土分批放料,从而实现分层振捣。当混凝土加到合适的量后加盖界面处理盖板,采用人工插入式振捣方式,使用振捣棒振动成型。

2.2.3 　高抗渗保护层混凝土浇捣

　　高抗渗保护层采用无细观界面过渡区水泥基材料MIF ,扩展度控制在(140 ±10)mm内。经过测试,MIF 材料蒸养12h 脱模强度≥15MPa ,7d 出池时抗压强度>35MPa ,且28d 强度≥60MPa ;Cl - 扩散系数≤0.8 ×10 - 13m2Ps ,抗渗等级≥S40 。高抗渗保护层混凝土配合比: ①水泥686kgPm3 ; ②改性增强密实填充组分M1 为51.5kgPm3 ( 5 %) , M2 为257.7kgPm3 ( 25 %) , M3 为30.9kgPm3 ( 3.0 %) ; ③减缩抗裂组分SRC 　S1 为20.6kgPm3 (2.0 %) ,S2 为1.82kgPm3 。集胶比1.33 ,水胶比0.24 。

　　在结构层浇筑振捣完成后20min 左右,将搅拌好的保护层混凝土浇筑于结构层之上,使用振捣棒进行布点插捣,每个振动点振动时间控制在10～20s 内,振动密实后振捣棒必须慢慢拔出,然后盖上顶板。

2.2.4 　混凝土抹面

　　打开顶板的时间一般在混凝土浇筑后45min 左右,具体时间随气温及混凝土凝结情况而定。

　　1) 粗抹面　使用铝合金压尺,刮平去掉多余混凝土(或填补凹陷处) ,使混凝土表面平顺。

　　2) 中抹面　待混凝土表面收水后使用灰匙进行光面,使管片表面平整光滑。

　　3) 精抹面　以手指轻按混凝土有微平凹痕时,用长匙精工抹平,力求使表面光亮无灰匙印。混凝土浇筑完1h 左右在混凝土表面喷洒混凝土抗裂养护液M1500 。

2.2.5 　蒸汽养护

　　采用蒸汽养护提高混凝土脱模强度、缩短养护时间,混凝土初凝后合上顶板,在模具外围罩上一个紧密不透气的养护罩,进行蒸汽养护。

　　混凝土降温后将同期同条件成型混凝土试件进行试压。强度达到15MPa 以上时,开始脱模。脱模顺序:

　　松开灌浆孔固定螺杆,打开模具侧模板,打开模具端板,将吊具连上管片,振动脱模。

2.2.6 　喷涂防水涂料

　　管片脱模水养7d 后,进行外层防水涂料喷涂。

　　1) 保证混凝土基层的防水作用表面应干净、无油污、灰尘及其它杂物,涂刷的防水涂料完工后48h 内不得积水。

　　2) 防水涂料用量为1.5kgPm2 以上。

　　3) 施工采用喷涂方式,喷涂时喷嘴距涂层要近些,以保证灰浆能喷进表面微孔或微裂纹中。在第1 遍防水涂层完成后,用手指轻压无痕,4h 后即可进行第2 遍防水涂层施工,如太干则应喷水湿润养护。

2.3 　管片尺寸检测

　　1) 单块管片尺寸检验

　　用0～2 100mm和0～510mm量程的游标卡尺分别测量管片的宽度和厚度;用5m规格的钢卷尺测量管片弧长;用直径1mm,7m 的尼龙线对扭曲变形情况进行检验。检测标准如表2 所示。

　　2) 环片水平拼装检验

　　管片生产后,对每套钢模生产的环片按如下规定作水平拼装检验:开始正式生产三环后,经一次水平拼装检验合格后可定为每生产200 环作一次水平拼装检验[4] 。水平拼装的检验标准如表3 所示。

　　本研究试验生产的三环管片经尺寸检验皆符合设计标准。

2.4 　管片外观检测

　　通过表面观测及裂缝测宽仪对常规工艺管片及FGCS 进行现场检测。常规工艺管片用肉眼可以观察到明显裂纹,经测宽仪测试裂纹宽度在0.15～0.3mm,而FGCS 无肉眼可见裂纹,用测宽仪测试裂纹宽度在0.02～0.1mm,同时由于MIF 材料具有长期的自修复、自愈合功能,因而小于0.1mm 的初始裂缝在实际工程应用中是可以接受的。

2.5 　管片力学性能测试

　　由于管片体积大、造价高,使用常规的检测手段无法对其进行有效的监测。本研究采用回弹法和超声回弹综合法对常规工艺管片和功能梯度管片28d 抗压强度进行检测,并结合同批成型试件强度测试结果进行分析,其结果如图1 所示。由图1可知, FGCS 的28d 抗压强度,无论内表面还是外表面均高于常规工艺管片。

2.6 　管片抗渗试验

　　将达到28d 龄期的混凝土管片置于检漏试验台,以0.2MPa 为初始水压值,每隔15min 增加0.2MPa ,达到0.8MPa 后恒压4h。抗渗性能标准值为0.8MPa 下恒压4h ,渗透深度不超过50mm。根据检漏试验表征管片抗渗性能,得到FGCS 与常规工艺管片的对比情况: ①常规工艺管片　0.8MPa 下恒压4h ,出现1 条渗透,渗透深度15mm; ②FGCS 　0.8MPa 下恒压4h ,未出现渗透,渗透深度0mm。

3 　结语

　　1) 本研究从梯度材料角度出发,提出混凝土功能结构的复合设计。采取双重或多重结构设计及功能层叠加等复合结构设计,实现混凝土结构的特殊性能要求。研究结果表明,通过材料与结构的设计变化,实现了装饰性能与物理力学性能的三阶段梯度。

　　2) 采用自行设计加工的界面处理盖板对功能梯度混凝土管片界面(结构层2保护层) 进行处理,形成嵌入式网格形界面,使得结构层材料与保护层材料完美有机统一。

　　3) 对生产的FGCS 性能进行了跟踪检测,结果表明,FGCS 力学性能优良,28d 外弧面(保护层) 强度达80MPa 以上,主体结构层强度满足C50 强度要求;混凝土各龄期抗裂性能优良,管片表面未见肉眼可见裂纹,纤维均匀分布于表面,起到了有效的裂缝细微化作用;28d 管片抗渗性能优良,0.8MPa 恒压4h 未见渗水现象;用于三环拼装性能检测,效果良好。

　　4) 通过FGCS 的试生产,在大直径隧道管片预制施工工艺上有了较大突破,并在施工过程中积累了大量的现场资料,有利于进一步完善梯度功能混凝土的设计理论。

参考文献:

　　[1 ] 　M. Maalej , K. S. Leong. Engineered cementitious composites foreffective FRP2strengthening of RC beams[J ] . Composites Science andTechnology , 2005 , 65(728) :112021128.

　　[2 ] 　杨久俊,海然,董延玲,等. 组分梯度复合对水泥基材料力学性能的影响[J ] . 硅酸盐学报,2002 ,30(6) :8032806.

　　[3 ] 　杨久俊,贾晓林,谭伟,等. 水泥基梯度复合功能材料物理力学性能的初步研究[J ] . 新型建筑材料, 2001 , (11) :123.

　　[4 ] 　北京城乡建设委员会. GB5029921999 地下铁道工程施工及验收规范[ S] . 北京:中国计划出版社,2004.