TBM預制管片混凝土養(yǎng)護工藝對比試驗分析

摘要：以菲律賓卡利瓦大壩項目的引水隧洞工程為背景，在引水隧洞施工中，采用了先進的雙護盾隧洞掘進機（Tunnel"Boring"Machine，"TBM）的掘進施工技術(shù)，其中，混凝土預制管片生產(chǎn)是保障整體隧洞施工順利進行的決定性因素之一。通過前期的優(yōu)化配合比設(shè)計與一系列的試驗，結(jié)合當?shù)貧夂驐l件，對TBM預制管片采用免蒸養(yǎng)工藝，對免蒸養(yǎng)工藝條件下的混凝土強度、耐久性等性能進行試驗統(tǒng)計分析。對比蒸養(yǎng)工藝和免蒸養(yǎng)工藝的優(yōu)、缺點，從經(jīng)濟、強度、耐久行等方面進行比選。

關(guān)鍵詞：管片混凝土""配合比"""基本參數(shù)"""外觀質(zhì)量"""免蒸汽養(yǎng)護

Analysis"of"Comparative"Experiment"on"Concrete"Curing"Process"of"TBM"Precast"Segments

LIU"Haiwei

China"Energy"Engineering"Group"Guangxi"Hydroelectric"Construction"Bureau"Co.，"Ltd.，"Nanning，"Guangxi"Zhuang"Autonomous"Region，"530001"China

Abstract："This"paper"takes"the"diversion"tunnel"project"of"Kaliwa"Dam"project"in"Philippines"as"the"background."Advanced"double-shield"Tunnel"Boring"Machine"（TBM）"tunneling"technology"is"adopted"in"the"diversion"tunnel"construction，"among"which"the"production"of"precast"concrete"pipe"segment"is"one"of"the"decisive"factors"to"ensure"the"smooth"progress"of"the"overall"tunnel"construction."Through"the"preliminary"optimization"of"mix"ratio"design"and"a"series"of"experiments，"combined"with"the"local"climate"conditions，"the"TBM"precast"pipe"segment"adopts"the"steam"free"curing"process，"and"the"strength，"durability"and"other"properties"of"concrete"under"the"steam"free"curing"process"condition"are"analyzed"statistically."The"advantages"and"disadvantages"of"steam"curing"process"and"steam"free"curing"process"were"compared"from"the"aspects"of"economy，"strength"and"durability.

Key"Words："Segment"concrete;"Mix"ratio;"Basic"parameters;"Appearance"quality;"Steam"free"curing

菲律賓卡利瓦大壩項目全稱為新百年水資源計劃——卡利瓦大壩項目，項目主要是在菲律賓呂宋島東南部Kaliwa河下游建設(shè)一座壩頂長247.19"m、最大壩高73.3"m的混凝土重力壩，同時建設(shè)一條長21.902"km的引水隧洞，將Kaliwa河水引至位于Teresa的供水廠。其中"全段面隧洞掘進機（Tunnel"Boring"Machine，"TBM）的掘進施工段長17.51"km，開挖洞涇4.8"m，TBM段采用全段襯砌混凝土預制管片。項目建成后，供水能力為60萬t/d，隧洞引水能力240萬t/d。

本項目采用雙護盾TBM單向施工，管片混凝土強度設(shè)計等級和國內(nèi)基本相同。在混凝土管片生產(chǎn)過程中，為了加快模具周轉(zhuǎn)速度，通常會采用蒸汽養(yǎng)護生產(chǎn)工藝。針對當?shù)貧夂?，對管片混凝土配合比進行設(shè)計和優(yōu)化，混凝土外加劑采用聚羧酸外加劑，能夠提高早期混凝土強度，同時利用混凝土水化熱產(chǎn)生熱量進行管片的自然養(yǎng)護。本次分析記錄和統(tǒng)計了卡利瓦項目隧洞出口區(qū)在常年高溫情況下管片廠白天平均溫度在35℃以上、晚上平均溫度為30℃。結(jié)合當?shù)貧夂蚝蜏囟?，最終確認選擇自然養(yǎng)護，這樣更加有利于工程節(jié)約成本和改善混凝土的質(zhì)量，為規(guī)范隧洞項目管片廠進行管片生產(chǎn)和養(yǎng)護提供質(zhì)量控制依據(jù)，為改善管片外觀質(zhì)量提供重要的試驗參數(shù)。

1"管片混凝土配合比基本參數(shù)

根據(jù)設(shè)計要求，項目所使用的TBM管片混凝土應符合下列要求：C40W8。因為當?shù)夭捎酶?00"mm、直徑150"mm圓柱體成型試塊，所以，C40混凝土相當于國內(nèi)C50混凝土[1]，前期項目已通過TBM選型和TBM管片選型工作[2]。根據(jù)前期的大量混凝土配合比試驗與混凝土配合比優(yōu)化工作，選用總膠凝材料400"kg進行管片混凝土澆筑試驗統(tǒng)計，設(shè)計坍落度控制在70～90"mm。結(jié)合當?shù)貧夂蚝凸ぷ魈攸c，對外加劑進行選型[3]，最終確定兩種外加劑搭配使用很好地解決了與水泥的相容性問題[4]，同時改善了混凝土的管片混凝土配合比和易性。根據(jù)氣候特點，澆筑混凝土不需要進行蒸養(yǎng)，16"h可以達到脫模強度。雙護盾TBM預制管片混凝土配合比設(shè)計[5]參數(shù)見表1。

2"管片混凝土養(yǎng)護工藝選擇

管片混凝土按照蒸汽養(yǎng)護和免蒸養(yǎng)護（自然養(yǎng)護）進行比較分析。管片生產(chǎn)中過程中，對混凝土采用靜養(yǎng)、升溫、恒溫、降溫等各個時間段進行研究分析，在達到13.8"MPa后進行脫模，此處的13.8"MPa相當于國內(nèi)標準試塊20"MPa。結(jié)合菲律賓當?shù)貧夂驐l件與施工現(xiàn)場氣溫狀況，針對2—11月澆筑管片的溫度統(tǒng)計及12月至次年1月溫度統(tǒng)計，對實際施工過程中12"h抗壓強度進行分析。2—11月，澆筑管片可以采用免蒸養(yǎng)工藝，既能改善管片的外觀質(zhì)量，同時還能節(jié)約養(yǎng)護成本。對管片廠的溫度進行跟蹤統(tǒng)計和分析，統(tǒng)計管片廠中不同時間的溫度表。管片廠室內(nèi)各環(huán)境條件、各時間點的溫度見表2。

養(yǎng)護工藝的選擇采用管片廠對生產(chǎn)管片的時時跟蹤和記錄溫度進行試驗和分析。管片蒸養(yǎng)分為靜養(yǎng)、升溫、恒溫t"降溫4個階段，總時間控制在12"h內(nèi)。免蒸汽養(yǎng)護對12"h、13"h、14"h、15"h、16"h、17"h、18"h等時間進行脫模強度對比分析，最終確認脫模時間16"h以后。

2.1"蒸養(yǎng)工藝

2.1.1"靜養(yǎng)階段

靜養(yǎng)階段是指混凝土澆筑入模后在場內(nèi)的靜停時間，其溫度一般與廠內(nèi)溫度相同或略高于廠內(nèi)溫度。靜養(yǎng)是為了讓混凝土管片具有一定的初始強度，以防在升溫時混凝土管片產(chǎn)生裂縫和粘模等不良現(xiàn)象，影響管片外觀質(zhì)量，導致管片出廠后需進行二次修復[6]。

根據(jù)本項目中預制管片的生產(chǎn)工藝特點，本項目中的預制管片采用固定管片模具。完成澆筑后1"h后，打開頂模進行收面工作，并拉上蒸養(yǎng)棚，對管片進行靜養(yǎng)工作。在混凝土管片升溫、恒溫和降溫條件都相同條件下，靜養(yǎng)混凝土時間的長短會影響管片混凝土的脫模強度?，F(xiàn)根據(jù)實際情況，成型4組混凝土試塊進行不同靜養(yǎng)時間下同條件養(yǎng)護，蒸養(yǎng)時間均采用180"min，統(tǒng)計不同靜養(yǎng)時間下混凝土脫模強度和外觀質(zhì)量情況（見表3）。

表3""""不同靜養(yǎng)時間下混凝土脫模強度和外觀質(zhì)量情況

靜養(yǎng)時間/min

蒸養(yǎng)時間/min

混凝土試件脫模強度/MPa

混凝土管片表面質(zhì)量

180

180

13.8

14.1

14.0

14.5

14.2

粘?，F(xiàn)象比較嚴重，并有裂縫

210

14.5

14.8

14.9

15.1

15.3

有粘?，F(xiàn)象，產(chǎn)生微小裂縫

240

16.2

16.7

16.5

16.6

16.1

無粘?，F(xiàn)象，無裂縫，表面光滑

270

17.8

17.2

17.6

17.5

17.8

無粘?，F(xiàn)象，無裂縫，表面光滑

從表3中試驗結(jié)果可以看出，靜養(yǎng)時間越長，混凝土的脫模強度越高，并且外觀質(zhì)量更好。

2.1.2"升溫階段

管片混凝土升溫階段是指從靜養(yǎng)溫度上升至蒸汽養(yǎng)護的最高溫度的時間段。升溫方式有直線升溫、變速升溫、分階段升溫等多種方式。以本項目為例，管片生產(chǎn)車間采用的是直線升溫法，靜養(yǎng)時間為240"min，靜養(yǎng)溫度為35"℃，升溫最高溫度按60"℃，恒溫120"min，采用不同的升溫速度進行試驗，升溫試驗結(jié)果見表4。

從表4試驗結(jié)果可以看出：升溫速度快，可以提搞管片混凝土的脫模強度，但是28"d混凝土強度有所降低，混凝土管片的外觀質(zhì)量會受到影響；升溫速度慢，雖然讓管片混凝土脫模強度降低，但是后期強度增長，并且混凝土管片的外觀質(zhì)量較好。結(jié)合工藝與當?shù)貧夂蛱攸c，選擇蒸養(yǎng)速度15"℃/h，該升溫時間既不影響生產(chǎn)速率，又能很好地改善混凝土管片的外觀質(zhì)量。

2.1.3"恒溫階段

恒溫階段是混凝土預制管片蒸汽養(yǎng)護溫度最高階段，恒溫溫度和時間的選擇主要與水泥品種、水灰比、脫模強度要求有關(guān)。本項目采用波特蘭普通硅酸鹽水泥，水灰比控制在0.35，脫模強度滿足13.8"MPa吊運要求。根據(jù)管片廠溫度條件，澆筑管片混凝土分別采用最高恒溫60"℃、65"℃、70"℃進行研究，恒溫時間均按120"min記，最終選取最佳恒溫溫度。

2.1.4"降溫階段

管片廠降溫主要采用的是拉開蒸養(yǎng)棚，采用廠房內(nèi)的溫度差進行降溫。根據(jù)規(guī)范要求，降溫速度不宜超過20"℃/h，即便在晚上9點左右，廠房內(nèi)溫度同樣在30"℃左右，經(jīng)過對管片溫度的持續(xù)測定，拉開棚后，管片每小時降溫在10"℃左右。

2.2"免蒸汽養(yǎng)護工藝

本項目預制管片采用固定管片模具，一共有40套模具，每次澆筑TBM預制管片混凝土為40片，采用免蒸汽養(yǎng)護工藝，每天澆筑管片為40片，每月生產(chǎn)的管片數(shù)量基本能滿足每月需求量。免蒸養(yǎng)工藝同樣為完成預制管片混凝土澆筑后1"h后打開頂模進行收面工作，并拉上蒸養(yǎng)棚，對管片進行自然養(yǎng)護工作。在拌合站出機口進行了坍落度、混凝土溫度與試塊成型工作，一共成型7組試件，并對該7組試件在不同時間進行脫模，進行抗壓試驗確定脫模強度，詳情見表5。

從表5中可以看中，混凝土在15"h時抗壓強度達到14.6"MPa，大于設(shè)計和方案要求的13.8"MPa，在16"h為16.5"MPa。根據(jù)現(xiàn)場實際施工情況，管片混凝土澆筑完成一般在下午的3點左右，因此，控制管片第二天脫模時間在早上7點后，滿足脫模強度13.8"MPa的最低要求。因此，采用自然養(yǎng)護工藝，TBM預制管片脫模時間控制在16"h以后。

3"免蒸養(yǎng)工藝與蒸養(yǎng)工藝的對比分析

3.1"強度和耐久性對比分析

根據(jù)現(xiàn)場的工作情況，以及進行的試驗對比，總結(jié)出蒸汽養(yǎng)護試驗溫度、時間控制如表6所示。同時，根據(jù)3種不同蒸養(yǎng)組合和免蒸養(yǎng)工藝的強度、耐久性的對比分析，獲取各種工藝的TBM預制管片混凝土強度值和耐久性[7]。

從表7中可以看出：采用第一種組合時，蒸養(yǎng)后不能達到管片混凝土的脫模強度13.8"MPa；第三組合中，蒸養(yǎng)后脫模強度偏高，這不僅不經(jīng)濟，還耗時較長，影響管片生產(chǎn)速度；第二組合滿足脫模強度，并且耗時相對第三種組合更短。根據(jù)表中試驗統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，當采用免蒸養(yǎng)工藝進行預制管片養(yǎng)護時，管片混凝土強度在16"h同樣能達到16.5"MPa，每天完成40片管片的澆筑任務，不會影響TBM的單月掘進任務。

3.2"外觀質(zhì)量對比分析

在生產(chǎn)過程中，管片兩側(cè)有很多氣泡，為此，我們同樣對砂率進行了調(diào)整。試驗配合比砂率40%，根據(jù)骨料情況，將砂率調(diào)整為42%，但是，在試生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)效果不是很明顯。對蒸養(yǎng)工藝進行調(diào)整，當靜養(yǎng)時間不足時，管片兩側(cè)氣泡出現(xiàn)較多，同時還會導致側(cè)面出現(xiàn)麻面現(xiàn)象，在脫模后會發(fā)現(xiàn)微小的溫度裂縫。于是增加了靜養(yǎng)的時間，氣泡數(shù)量和裂縫數(shù)量減少[8]。采用免蒸養(yǎng)工藝進行TBM預制管片混凝土養(yǎng)護，管片的兩側(cè)出現(xiàn)氣泡數(shù)量很少，不會出現(xiàn)溫度裂縫，麻面的現(xiàn)象也沒有出現(xiàn)。免蒸養(yǎng)工藝對TBM預制管片外觀質(zhì)量的改善效果明顯。

3.3"澆筑管片的成本對比分析

成本分析采用的是人、材、機的一個對比分析。如果采用蒸汽養(yǎng)護工藝，那么2"d生產(chǎn)120片管片，但是需要工人和當?shù)毓こ處熂影嗖拍芡瓿?。如果采用免蒸養(yǎng)工藝，那么1"d生產(chǎn)40片，不需要額外的加班，在正常工作8"h內(nèi)既能完成相應工作。材料方面，采用蒸養(yǎng)需要使用鍋爐生產(chǎn)蒸汽，需要耗用大量的柴油，增加材料使用量；而采用免蒸汽養(yǎng)護不需額外消耗柴油，同樣生產(chǎn)的管片能滿足掘進需求。從成本反面考慮，采用免蒸汽養(yǎng)護工藝有利于節(jié)約成本

4"結(jié)語

經(jīng)過前期混凝土配合比確定的情況下，對采用蒸汽養(yǎng)護工藝生產(chǎn)管片與采用蒸汽養(yǎng)護工藝生產(chǎn)管片進行對比分析，混凝土管片外觀質(zhì)量與管片靜養(yǎng)、升溫溫度與速度、降溫速度有很大關(guān)系。在這次項目實踐中，將理論與當?shù)貧夂蛳嘟Y(jié)合，制定了免蒸汽養(yǎng)護工藝，減少了蒸汽養(yǎng)護對管片混凝土的負面影響，解決了實踐過程中出現(xiàn)的外觀質(zhì)量問題，有效節(jié)約了工程成本，生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的TBM預制混凝土管片，更是推動了預制管片襯砌隧洞技術(shù)向前發(fā)展。

參考文獻

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