高耐久性、超大直径盾构管片混凝土在钱江隧道中的应用

季 斌

(上海隧道工程股份有限公司混凝土分公司，上海 200124)

0 引言

随着地下工程的高速发展，盾构法因其先进的施工工艺、较高的施工效率和安全性，日益成为我国地下工程和隧道施工的主要方法。管片作为盾构隧道最主要和最关键的结构构件，其性能的优劣对工程质量和服役寿命具有决定性的影响［1－4］。

以往人们普遍认为，钢筋混凝土衬砌不会自然损坏和失效，能够满足较长年限的使用要求。但近年来，各类隧道结构中出现的耐久性问题越来越严重，隧道衬砌的裂损、腐蚀和渗漏现象非常普遍，严重影响使用安全，缩短了隧道工程的使用寿命。由于越江隧道深埋于江底土层中，往往要受到多种破坏因素的交互作用。因此，隧道工程超大直径盾构管片衬砌所使用的混凝土质量(尤其是耐久性)是影响整个工程质量的重要环节之一，而混凝土耐久性等质量指标不仅与配合比各项参数息息相关，还受到原材料的规格和品质的影响［5－8］。

在借鉴以往类似工程的混凝土配合比设计和生产经验的基础上，结合杭州地区气候情况和市场上的原材料情况，通过各项试验，对当地多种原材料进行比较优选，得出最佳原材料的配合比，并进行各项性能测试，使该管片混凝土生产时具有良好的工作性能和各项耐久性指标。

1 工程概况

钱江通道及接线工程是浙江省公路水路交通建设规划中“两纵两横十八连三绕三通道”高速公路主骨架的“一通道”，是长三角都市圈高速公路网规划中“七纵之一”江苏盐城至绍兴高速公路的组成部分，在区域公路网中有着极其重要的作用。钱江隧道是钱江通道及接线工程项目的关键工程，钱江隧道的建成对加强钱塘江南北两岸各城市的相互联系和经济往来具有十分重要的意义。

钱江隧道位于海宁市与杭州萧山区之间的钱塘江流域，采用外径15.43 m的盾构法技术施工，双管6车道，为世界最大直径的盾构法隧道之一。由于钱江隧道所处的地质情况以及盾构机型式与上海长江隧道类似，因此钱江隧道可以称为上海长江隧道的姐妹隧道，其衬砌同样为预制高精度钢筋混凝土管片，外径为1 500cm，内径为1 370cm，宽为200cm，厚为65cm，每环由10块管片拼装而成，需浇筑的混凝土量为58.6 m3。混凝土强度等级为C60，抗渗等级为P12，氯离子扩散系数为2.0 ×10－12m2/s。

2 配合比设计

钱江隧道管片的设计要求与上海长江隧道管片大致相同。因此，在借鉴长江隧道管片混凝土配合比的基础上，结合以往经验［9］，进行相关调整，确定配合比主要参数，见表1。

表1 配合比主要参数Table 1 Mixing proportions

3 原材料的初选

杭州地区的原材料品种和规格总体接近上海地区，但市面上供应的原材料鱼龙混杂，品质不一，优质原材料尤其是高品质的矿物掺合料的供应紧张。因此，在综合考虑设计和供应保障要求的条件下，选择以下原材料作为试验用料。

3.1 细骨料

采用符合标准［10］的天然中砂，细度模数为2.5～2.8。由于杭州本地市场上的天然中砂多为湖砂，其颗粒级配和含泥量虽然满足设计要求，但是颗粒级配的连续性不佳，630 μm的粒径偏少，含泥量多偏于上限。出于混凝土工作性能的考虑，对质量较好的长江流域赣江砂和杭州本地曹娥砂进行试验对比。2种砂的主要指标见表2。

3.2 碎石

采用符合标准的杭州本地优质碎石，使用2档碎石(5～10 mm和16～31.5 mm)按2∶8的比例对掺，得到颗粒级配符合5～31.5 mm连续级配要求的碎石。而实际生产则可根据每批进库碎石的具体颗粒级配情况进行适当的比例调整。

表2 曹娥砂和赣江砂物理性能指标Table 2 Physical parameters of Cao’e sand and Ganjiang sand

3.3 水泥

针对高强度和耐久性管片混凝土的设计要求，采用符合标准的宁国海螺水泥52.5P·II型硅酸盐水泥。

3.4 粉煤灰

根据以往经验，粉煤灰使用低钙I级灰效果较好，但是杭州市场上I级灰的供应数量较少，且质量不稳定;而低钙II级粉煤灰的生产量较大，且质量相对稳定。经比较多个粉煤灰厂家的质量，发现杭州市场的粉煤灰质量指标虽然符合国家标准，但其细度、需水量比和氧化钙含量等指标相对偏高，对混凝土性能会有所影响。如使用周边较好的低钙I级灰，质量虽能保证，但运输距离较远，供应连续性不能保证，且经济成本也相对较高。综合分析，选用品质和供应均有保证的宁波镇海FII粉煤灰。

3.5 矿粉

采用符合标准的S95型矿渣粉，考虑质量存在差异，厂家在杭州京杭矿渣粉和上海沙钢矿渣粉中选择。

3.6 外加剂

参考上海长江隧道高性能管片混凝土的配合比，采用高效脂肪族外加剂进行生产，能够满足高强度的减水率要求和干硬性预制构件混凝土的预制成型要求，而杭州地区的预制构件生产一般采用聚羧酸外加剂。根据上海长江隧道管片配合比的试验经验［1］，聚羧酸外加剂在一定程度上不利于管片外弧面的成型;但考虑到当地材料与外加剂适应性的问题，同时采用脂肪族外加剂AD1和聚羧酸外加剂AD2进行试验，具体指标见表3。

表3 脂肪族外加剂AD1和聚羧酸外加剂AD2性能指标Table 3 Properties of aliphatic admixture AD1 and polycarboxylic admixture AD2

4 原材料优选及混凝土性能研究

4.1 矿粉与砂的品种对混凝土性能的影响

采用基础配合比进行试配，首先，从混凝土工作性能方面进行选择。管片混凝土坍落度设计要求为(30±10)mm，但根据长江隧道管片生产经验，在夏季生产时考虑气温因素，在实际生产时坍落度需适当调整为(40±20)mm以满足施工性能。其次，运输方式采用吊瓶方式，即混凝土从搅拌机卸至吊瓶内，再由吊瓶卸入钢模后进行混凝土振捣、抹面收水和养护。在运输浇捣过程中，坍落度大小直接影响混凝土卸料和浇捣效率，尤其在夏季，过小的坍落度易堵塞吊瓶下料口，且浇捣时造成工人较大的劳动强度。最后，收水阶段和翻模阶段取决于混凝土凝结时间。综合以上考虑，对已确定和尚要选择的原材料进行混凝土性能试验，针对同一配合比，首先通过小样试验进行比对。

1)试验环境。室温为18℃，外部气温为35℃。

2)试验材料。

A组:宁国海螺52.5P·II型硅酸盐水泥、宁波镇海F II粉煤灰、杭州京杭S95矿渣粉、碎石、曹娥砂、脂肪族外加剂(AD1);

B组:宁国海螺52.5P·II型硅酸盐水泥、宁波镇海F II粉煤灰、杭州京杭S95矿渣粉、碎石、赣江砂、脂肪族外加剂(AD1);

C组:宁国海螺52.5P·II型硅酸盐水泥、宁波镇海F II粉煤灰、上海沙钢S95矿渣粉、碎石、曹娥砂、脂肪族外加剂(AD1);

D组:宁国海螺52.5P·II型硅酸盐水泥、宁波镇海F II粉煤灰、上海沙钢S95矿渣粉、碎石、赣江砂、脂肪族外加剂(AD1)。

试验1。对4组材料确定外加剂用量，比较混凝土性能，见表4。

表4 试验1数据Table 4 Testing data 1

试验2。对4组材料达到同一坍落度要求，比较混凝土性能，见表5。

表5 试验2数据Table 5 Testing data 2

由表4和表5可知:

1)A组和C组使用曹娥砂(湖砂)所配置的混凝土，这2组材料在2种不同试验目的情况下，即长江隧道配合比中的外加剂用量确定所能达到的坍落度和要求达到某一坍落度时相应的外加剂用量，均表现出坍落度过小，外加剂用量偏多且混凝土有板结现象。28 d蒸养和标养的混凝土抗压强度虽满足设计要求，但富余量不足，如原材料发生质量波动，混凝土强度易发生不合格情况。B组和D组使用了颗粒连续性较好的赣江砂，混凝土和易性、工作性能都能满足生产要求，且起吊强度达到设计强度的29%以上，28 d抗压强度达到120%以上，能规避原材料质量波动而引起的混凝土强度波动。因此，虽然使用赣江砂在经济成本上有所增加，和曹娥砂相比，每t相差18元，折算到混凝中相差6元/m3，综合考虑，决定使用赣江砂。

2)通过4组材料试验，发现杭州京杭矿渣粉和上海沙钢矿渣粉对混凝土工作性能和抗压强度无明显的差别，故决定选用杭州本地矿粉材料。

3)在试验2中，可以看出要达到80mm左右坍落度时，4组脂肪族外加剂用量均偏多，从而导致混凝土表现出明显的黏度，易使运输卸料过程中的吊瓶发生堵塞情况，这需要进行管片试制试验得以证实。

4.2 外加剂种类对混凝土性能的影响

试验确定细骨料产地和矿渣粉厂家后，为进一步了解不同外加剂种类对管片混凝土工作性能和抗压强度的影响进行了2组对比试验。

1)试验环境。室温为19℃，厂房气温为33℃。

2)试验材料。

B组(同上);

E组:宁国海螺52.5P·II型硅酸盐水泥、宁波镇海F II粉煤灰、杭州京杭S95矿渣粉、碎石、赣江砂、聚羧酸外加剂(AD2)。

试验3。2组材料为2种不同类型的外加剂，确定混凝土达到工作性能要求的最小坍落度时的外加剂用量，见表6。

表6 试验3数据Table 6 Testing data 3

试验4。2组材料达到同一坍落度要求，比较混凝土性能，见表7。

表7 试验4数据Table 7 Testing data 4

由表6和表7可知:

B，E 2组材料都能达到施工坍落度要求，混凝土工作性能能满足浇捣要求，且起吊强度达到设计强度的28%以上，28 d抗压强度达到设计要求的116%以上。

由于2组材料中的外加剂类型不同，减水率性能大大不同，使得外加剂用量有明显的差距。现通过管片试制试验，从运输卸料过程和浇捣收水过程等方面综合考虑，以确定合适的外加剂。

4.3 管片的试制试验

试验5:对2组材料各进行2块管片的试制试验，每组材料搅拌约10 m3左右的混凝土，见表8。

试验环境:厂房气温为34℃。

试验材料:B组和E组。

表8 试验5数据Table 8 Testing data 5

由表8可知:

1)脂肪族外加剂在整块管片试制中，要满足一定的工作性能，其用量要比较大，掺量达到1.7%以上。虽然能够实现浇捣，但抹面收水完全不能满足要求，在厂房温度为30℃以上时，整个收水时间仍要达到6 h，严重影响余后的起吊和翻模阶段;并且在收水过程中，发现混凝土表面水分蒸发很快出现硬化，而内部混凝土仍然很软，即所谓的弹簧土现象，不易于将管片表面抹平，从而导致成型后的管片表面出现不平整且许多裂缝的现象。

2)聚羧酸外加剂在管片试制中，混凝土工作性能、抹面收水情况和成品管片外观情况都比较理想，完全满足生产工艺要求。

综上试验结果表明，确定将E组材料作为钱江隧道管片配合比所使用的原材料。

5 混凝土耐久性研究

5.1 抗渗试验

钱江隧道管片抗渗等级的设计要求为P12。对E组原材料制作了1组抗渗试件，标养28 d后进行抗渗试验，试验结果为:抗渗压力达到1.5 MPa时，6块抗渗试件无一块有表面渗水现象，后将试件劈开后，发现最大渗水高度为60 mm，表明E组抗渗性能良好。

5.2 氯离子扩散系数试验

钱江隧道管片氯离子扩散系数设计要求为2.0×10－12m2/s。对E组原材料制作了1组150 mm×150 mm×150 mm标准试件，标养28 d后，送浙江建科院进行氯离子扩散系数检测，检测结果为0.8×10－12m2/s，表明E组材料所配置的混凝土氯离子扩散系数良好。

6 工程应用

钱江隧道管片于2009年9月9日正式投入生产，至今共生产管片709环，总计混凝土41 500多m3。整个管片混凝土生产和性能要求，已能满足管片生产工艺要求，实现1d内翻2模的生产进度。表面外观光滑平整、色泽均匀、无明显裂缝、侧面气孔较少。管片混凝土生产共制500多组抗压试件，最小值为64.3MPa，平均值为68MPa，标准差为3.42MPa;抗渗试件140多组，均达到P12的抗渗等级;氯离子扩散系数等各项性能指标均满足设计要求。

7 结论与讨论

由于混凝土原材料在品质上存在地域性的差异，因此，根据杭州钱江隧道管片耐久性设计要求，同时借鉴了上海长江隧道管片混凝土的生产经验。在采用了杭州当地原材料的情况下，通过对混凝土工作性能、抗压强度、抗渗等级和氯离子扩散系数等进行各项试验表明:采用质量较好的细骨料，调整使用聚羧酸外加剂以达到与当地材料相适应的目的。最终确定了最佳粗细骨料、52.5 P·II型水泥、F II粉煤灰、S95型矿渣粉和聚羧酸外加剂等原材料及混凝土配合比，并且在工程应用中管片混凝土的各项指标均达到设计要求，具有较高的耐久性，完成了预期目标。但在管片表面细小裂缝和气孔的控制上，还需通过现场混凝土坍落度试验、生产工艺流程控制等方面以得到更好的效果。

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