漫谈矿山法隧道技术第八讲——中流动性衬砌混凝土的应用

关宝树

(西南交通大学，四川 成都　610031)



漫谈矿山法隧道技术第八讲
——中流动性衬砌混凝土的应用

关宝树

(西南交通大学，四川 成都610031)

摘要：针对目前我国隧道衬砌出现的充填不密实、背后存在空洞、局部厚度不足、存在潜在的初期开裂等问题，而有关衬砌混凝土的研究文献几乎没有，大家好像习以为常。介绍日本采用的中流动性衬砌混凝土，介绍其基本观点、特征、决定其配比的基准、设计基准强度、施工、现场试验、现场应用及应用效果等，以引起大家的关注。提出对传统的方法要针对问题逐步改善，也要结合隧道衬砌混凝土的特点，研究开发适用于隧道衬砌性能、能够消除可能存在潜在缺陷的衬砌混凝土。

关键词：隧道；矿山法；中流动性衬砌混凝土

0引言

山岭隧道采用混凝土衬砌时，由于施工条件的特殊性，例如浇筑空间狭窄、浇筑部位变化多(拱顶、边墙和仰拱)、浇筑(充填)压力受限等，给混凝土浇筑与捣固作业带来极大困难。因此，易出现拱部充填不足、局部厚度偏薄和衬砌背后留有空洞等弊端。为了解决这些问题，采取过许多对策,但多不理想。原因是没有从根本上解决问题。应从改善衬砌混凝土的性能方面下功夫，这也是日本研究和开发中流动性衬砌混凝土的主要原因。

过去长时期内，我们采用塌落度为15～18 cm的混凝土，TZ 204—2008《铁路隧道工程施工技术指南》[1]规定“为防止拱部混凝土浇筑出现空穴，拱部宜配制流态混凝土浇筑”，但没有给出流态混凝土的规格。日本过去也是如此，考虑衬砌混凝土的经济性和施工性采用塌落度15～18 cm的混凝土，但拱部则采用塌落度流动值65 cm的高流动性混凝土。《公路隧道设计要领》(第三集隧道篇)(日本)[2]明确规定隧道衬砌混凝土的种类，如表1所示。

表1中所指的中流动性衬砌混凝土是指处于过去的(塌落度15～18 cm)和高流动性衬砌混凝土(塌落度流动值65 cm)之间的塌落度流动值为35～50 cm的混凝土。

在洞口段和埋深小的区间、与其他结构物近接的场合等，衬砌可采用钢筋混凝土。考虑长期耐久性，衬砌也可以采用纤维混凝土。为防止剥落、剥离，原则上纤维混凝土应采用非钢纤维。

由表1可知，由于衬砌部位的不同，对混凝土也有不同的要求，28 d的抗压强度也不同。因此，推荐在拱部和边墙采用中流动性衬砌混凝土。

表1　衬砌混凝土的种类

我国也应该通过自身的实践，找出处理衬砌混凝土的原则和方法。

1中流动性衬砌混凝土

一般来说，隧道衬砌施工性优异的混凝土，是具有自充填性的高流动性混凝土，但要确保高流动性，需确保材料抗离析性，其粉体量要增加，与通常的衬砌混凝土相比，制造成本高，而且作用在模板上的液压也高，过去的模板需要补强。

因此，日本开发了处于过去的衬砌混凝土和高流动性混凝土之间、具有中间性状的中流动性衬砌混凝土。其特征如下：

1)向上浇筑衬砌混凝土时，只用模板捣固器的振动；

2)不用特殊的材料(目前室内试验确认的混合材是石灰石粉和煤灰)；

3)一般混凝土工厂的设备均可制造；

4)运送、泵送均可用通常的施工机械进行，模板没有特殊补强；

5)以混凝土强度18 MPa为对象；

6)与普通混凝土具有同等以上的抗裂性。

1.1决定配比的基准

决定中流动性衬砌混凝土配比的基准如表2所示。

表2　决定中流动性混凝土配比的基准

中流动性衬砌混凝土有采用石灰和煤灰作为混合材的(以下称为粉体系LS)和以高性能减水剂作为混合材的(以下称为增黏剂系FA)。

评价中流动性衬砌混凝土新鲜状态时的试验项目有塌落度流动值试验、加振变形试验及U型充填高度试验。

1)塌落度流动值试验是评价混凝土自体流动性的试验。指流动停止后加上辅助的振动作用能够流动的范围，塌落度的范围设定在21±2.5 cm，与其对应的流动值范围设定为35～50 cm。

2)加振变形试验在实际施工中，浇筑、捣固作业是用捣固器进行振动作用的。为防止充填不良，一方面用少许的振动能实现其能够充填的性能，另一方面也要实现伴随振动作用的秘浆水浮出而不产生材料离析的性能。因此，在选定配比阶段，要进行加振变形试验。

在图1所示的装置中，进行塌落度流动值试验后，用设置在底板下面的管式捣固器对硬化后的中流动性衬砌混凝土，以最佳的振动能(3.7 J/L)加振10 s，测定加振后的塌落度流动值。

加振变形试验的塌落度流动值的变形量基准设定为10±3 cm。

3)U型充填高度试验。为防止衬砌施工中发生充填不良，最好混凝土自身具有高的充填性。因此，在中流动性衬砌混凝土中，参考土木学会的高流动性混凝土指南，进行U型充填高度试验。作为基准充填高度设定为280 mm以上。图2为U型充填高度试验装置示意图。

图1　加振变形试验装置(单位：mm)

图2　U型充填高度实验装置示意图(单位：mm)

1.2中流动性衬砌混凝土的设计基准强度

根据试验，为确保具有适度的流动性和材料离析的抵抗性，要比过去的衬砌混凝土增加单位粉体量。另外，以确保长期的耐久性为目标，单位用水量也要采用过去衬砌混凝土单位用水量推荐的限界值。其结果是中流动性衬砌混凝土的水灰比比过去的混凝土大幅度降低，应能确保28 d的抗压强度在30 MPa以上。

降低水灰比可提高衬砌的品质，提高隧道结构物的耐久性。因此，基于事前试验结果，并考虑施工条件等的离散性，中流动性衬砌混凝土的设计基准强度从过去衬砌混凝土的18 MPa提高到24 MPa。

1.3施工

1.3.1一般规定

1)中流动性混凝土施工时，应能够确保要求的强度、耐久性和水密性，同时具有适合作业的和易性，制造品质均一的混凝土。特别是，有关混合材在同一施工日中，材料品质会发生变动，要注意对混凝土性状的影响。

2)在中流动性混凝土中，新鲜混凝土的品质变化对和易性的影响比通常的混凝土大，施工开始后30 min以内，要基本上浇筑完毕。有关配管、混凝土吐出量和压力等的设定，要在施工计划、特别是机材的配置计划中进行充分研究，并在实机试验中予以确认。

3)在边墙—肩部压送混凝土时，考虑模板构造的稳定，为保持平衡，在横向应左右交互进行浇筑。但采用中流动性混凝土施工时，除规定向上浇筑外，左右的边墙—肩部，基本上用模板纵向设置的吐出口进行浇筑，以缩短混凝土流动的距离和振动捣固时间。

4)为最大限度地获得中流动性混凝土的性状，辅助其自充填性能，在没有振动的情况下流入的混凝土流动停止后，要施加一定的振动，使浇筑的混凝土上面呈水平状态。

5)浇筑位置的变换，从配管的吐出口到既有混凝土面的距离超过1.5 m时，要利用吸入管，使吐出混凝土靠近浇筑面1.5 m以下浇筑。

1.3.2模板捣固器的施工

1)不采用棒状捣固器而采用模板捣固器施工的场合，模板捣固器沿环向及纵向保持一定间隔，左右环向对称设置。设置间隔及设置台数按作用在模板上的振动能量约3.7 J/L进行增减。此外，模板捣固器的性能应根据情况选定最佳的捣固器。根据双车道公路隧道采用10.5 m模板的试验施工实际情况，设置间隔在3 m以下(纵向4台，环向8处：左右4台随浇筑移设)，振动频率50～120 Hz。

2)振动能量按式(1)计算。根据既往的试验结果，中流动性混凝土的最佳振动能量是3.0～4.0 J/L。

(1)

式中：E为振动能量，J/L；m为试件的密度，kg/L；αmax为最大加速度，m/s2，αmax=(2π2·2a·f2)/1 000(其中a为振幅，mm)；t为振动时间，s；f为振动频率，Hz。

3)模板捣固器台数及间隔设定后，按下面情况设定振动时间。

①模板捣固器近旁

模板捣固器近旁的振动频率为91.5 Hz(实测)；

模板捣固器一侧的振幅为0.381 mm(实测)；

混凝土密度为2.2 kg/L；

最佳振动能量为4 J/L。

根据式(1)求出最大加速度αmax=126 m/s2。

②模板捣固器中间

模板捣固器近旁的振动频率为89 Hz(实测)；

模板捣固器一侧的单向振幅为0.045 mm(实测)；

混凝土密度为2.2 kg/L；

最佳振动能量为4 J/L。

③模板捣固器近旁和中间的平均振动时间为15 s。

4)环向的左右两侧可采用模板捣固器同时进行捣固，但振动过大会造成螺栓或螺帽等的松弛。因此，原则上捣固应左右交互进行。

5)一般衬砌混凝土的浇筑速度多为18 m3/h左右，但中流动性混凝土采用模板捣固器施工的场合、浇筑速度快的场合和由于过度捣固而使混凝土液化的场合，作用在模板上的侧压会上升，构造的负荷会增大；此外，混凝土会发生离析，会生成含气量大的砂浆。因此，应缩短振动时间，采用适合中流动性混凝土的时间进行浇筑，也就是说，浇筑速度应比过去的降低一些，来处理负荷增大的问题，只采用模板捣固器施工的场合，浇筑速度一般取14～16 m3/h。

6)拱顶部从向上浇筑口一侧施工，有10 m左右的流动距离。但拱肩部和边墙不同，振动的面积大，拱肩部下方模板的振幅易于降低。为此，对拱顶在接近浇筑完成时，要用多台混凝土车与拱顶附近的模板捣固器配合反复、交互地进行振动捣固。

7)必要时，事前要确认侧压的容许值，在浇筑中监测侧压不允许超过容许值。此时，应在浇筑进行方向的边墙处(第1检查窗)测定浇筑时的侧压。

8)中流动性混凝土采用模板捣固器施工时的浇筑步骤如图3所示。

图3　中流动性混凝土采用模板捣固器施工时的浇筑步骤

1.3.3效果

根据确认密实性的透气系数和评价强度的锤击反发度的测定结果(见图4)，中流动性衬砌混凝土透气系数和反发度的离散性小，品质集中在高的区域。

图4　过去的衬砌混凝土与中流动性衬砌混凝土密实度的比较

2现场试验施工

现场试验中没有采用内部捣固器，而采用模板捣固器。试验施工在双车道公路隧道中进行。衬砌厚度为30 cm或35 cm，设计基准强度是18 MPa[3]。

试验组合见表3，试验用的混凝土配比见表4。试验的中流动性混凝土掺加了粉煤灰(FA)。本试验的核查内容及试验方法见表5。试件的采样以素混凝土为对象。

表3　试验施工组合

表4　试验施工用的混凝土配比

注：W/C表示水灰比；W/B表示水胶比；S/a表示细骨料比；W表示水；C表示水泥；FA表示粉煤灰；S表示细骨料；G表示粗骨料。

表5　试验方法及核查内容

通过现场试验获得以下结果。

1)作用在模板上的侧压。侧压的最大值主要发生在混凝土浇筑从边墙改为向上浇筑的肩部—拱顶部状态时的边墙部。在中流动性混凝土无纤维、无钢筋的区间，稍微超过模板侧压管理的基准值(0.064 MPa)；但调整浇筑速度后得以解决。

2)外观观察。从组合①-1及①-2的外观观察结果来看，起因于温度收缩、干燥收缩的开裂比起因于施工原因的开裂多；而在中流动性混凝土中，起因于温度收缩、干燥收缩的开裂比起因于施工原因的开裂少。这可能是因模板捣固器的配置、振动时间以及现场施工人员的施工尚不熟悉等所致。

3)密实性。为确认浇筑28、92 d的密实性，在施工后的混凝土表面进行了透气试验和水分吸着试验。

在透气性试验中，没有因试验部位的不同出现明显的差异，28、92 d的透气系数平均值见表6。中流动性混凝土的透气性比普通混凝土小，是密实的；透气系数的离散性也小，说明混凝土是均质的。

表6　透气系数平均值

水分吸着试验的结果表明，与普通混凝土相比，中流动性混凝土60 min后的水分吸着量小，结果的离散性也小。

4)试件的抗压强度。普通混凝土试件的抗压强度为30～31 MPa，中流动性混凝土试件的抗压强度为27～42 MPa，全部组合都充分满足基准强度。中流动性混凝土因掺入粉煤灰，91 d的抗压强度稍有增加。

5)试件的纤维配向性、混入率确认试验。根据试验，从配向系数及混入率来看，与普通混凝土相比，中流动性混凝土的离散性要小一些。配向系数的总平均值，普通混凝土是0.51，中流动性混凝土是0.48。一般来说，都在理想的范围之内。硬化混凝土中的纤维混入率普通混凝土和中流动性混凝土分别是0.28%和0.29%，而设定的混入率是0.30%，相差不大。

3现场应用

中流动性混凝土的最低水泥用量取270 kg/m3，必要时混入满足品质要求的粉煤灰。混合材的标准混入量根据试验和施工实际，采用石灰石粉(LS)或粉煤灰(FA)，用量为80 kg/m3。

已经有3个工点在现场施工应用，2个是钢筋密集的衬砌，1个是通常的衬砌，都获得了良好的结果。

久留喜隧道全长481 m，开挖断面面积约80 m2，二次衬砌厚度30～35 cm，采用纤维混凝土。一个浇筑环节长12.5 m。

中流动性混凝土的配比采用的施工管理基准见表7。作为评价中流动性混凝土性能的指标，除采用塌落度流动性值(流动性)外，还进行了研究振动条件下的变形性能(材料抗离析性)的加振变形试验和研究自充填性的充填试验。

表7　中流动性混凝土的配比基准

注：×为加振变形试验中加振10 s后的塌落度流动性值的范围。

中流动性混凝土衬砌施工排除了狭隘空间内的捣固作业，而且与作业人员的技术无关，为构筑高品质、低造价的衬砌混凝土，采用“模板管式捣固器捣固”方法。

在事前配比选定试验拌合中，首先，根据要求的振动能量(施工管理要求的标准是3.7 J/L)决定满足表7所示的变形性能的配比；其次，在实际施工中，要按照与上述要求相同的振动能量，配置模板管式捣固器在整个模板上。

本隧道采用的中流动性混凝土配比，为进行比较还部分采用过去的混凝土配比(见表8)。

表8中流动性混凝土和过去混凝土的配比

Table 8Comparison between conventional concrete and medium fluidity lining concrete in terms of mixing proportions

种类Gmax/mm单位用量/(kg/m3)WCFASGFBAD中流动性混凝土过去的混凝土251752701008908423.194.2616934009278792.732.55

注：Gmax为粗骨料最大尺寸；FA为粉煤灰；S为细骨料；G为粗骨料；FB为聚乙烯纤维；AD为高性能减水剂。

3.1施工工艺

1)模板管式捣固器和混凝土浇筑口的配置位置

模板管式捣固器及混凝土浇筑口的配置见图5。模板捣固器(功率550 W)的设置间隔，根据施工管理要求和事前模拟试验的结果确定，横向为10台，纵向为4排，共40台。施工时要测定模板各部位的振动能量，研讨模板捣固器的设置位置是否合适。振动时间为30 s的场合，振动能量为0.25～35.1 J/L，部位不同有很大差异。

①模板捣固器的近旁和中间的振动能量相差几倍。即使与捣固器距离相同，已浇筑的混凝土侧及堵头板侧的两端，比环节中央的振动能量小。

②根据目视判断捣固充分的振动能量，大致与施工管理要求规定的3.7 J/L相同。因此，在施工中，追加了部分模板捣固器并变更了部分模板捣固器的位置。

混凝土浇筑口，纵向设1个模板捣固器。混凝土流动距离到侧壁部最大7 m左右，到拱顶12 m左右。但施工时，没有发生砂浆与粗骨料的材料分离和钢筋阻碍混凝土流动性的状况。

图5　模板捣固器及浇筑口的配置(单位：mm)

2)浇筑速度管理及充填管理

中流动性混凝土与过去的混凝土相比，因为流动性高，有可能增加对模板的作用压力。因此，参考有关文献，增强了模板侧部的承载力。施工时混凝土的浇筑高度管理在1.2 m/h以下，在侧壁部设4个压力计，一边浇筑一边测定作用压力。

拱顶部从向上浇筑口浇筑，是易于产生背后空洞的位置。因此，在拱顶部3处(已浇筑混凝土侧、环节中央和堵头板处)设置压力计，一边确认作用压力一边进行充填管理。

3)浇筑方法

中流动性混凝土的浇筑按以下步骤进行：

①在侧壁、肩部，混凝土在每侧一次浇筑2 m3。混凝土浇筑后，设在该列的模板捣固器同时进行30 s(15 s×2)的振动捣固。目视认为捣固不充分的场合，要延长捣固时间。浇筑量设定在一层的浇筑高度为40～50 cm。

②混凝土的浇筑高度要比浇筑口稍低些，浇筑口移动到上部，使用的模板捣固器也要变更到上部。混凝土落下高度要在1.5 m以下。

③拱顶部的浇筑，与过去的衬砌施工一样，从已浇筑混凝土侧浇筑。混凝土浇筑4 m3后，拱顶部模板捣固器中的已浇筑混凝土侧4台、堵头板侧4台依次分别振动30 s(15 s×2)。

④当拱顶部设置的3处压力计的显示值达到相当衬砌厚度的压力以上时，确认拱顶部确实充填后，混凝土浇筑完成。

与过去的棒状捣固器相比，用模板捣固器捣固预计与下层混凝土难以成为一体；因此，对浇筑及配车时间的管理异常重要。对于配管更换等中断浇筑时间间隔在30 min以上的场合，要采用棒状捣固器使之成为一体。

4)捣固作业

过去的衬砌施工，是用棒状捣固器在狭窄的空间内进行的，作业条件相当恶劣，同时目视确认也很困难，常常出现捣固不充分和忘记捣固的情况。

在本工程中，因为采用中流动性混凝土和模板捣固器，可以按作业人员的意图、指示控制模板捣固器的开关进行捣固作业。

3.2侧压及拱顶压力测定结果

1)侧压的测定结果。侧压测定结果见图6。侧压与混凝土种类无关，与浇筑高度成比例增加。中流动性混凝土施工时的侧压最大值是0.045～0.055 MPa，比过去的混凝土大0.015～0.02 MPa。

2)拱顶压力测定结果。拱顶压力测定结果见图7。与过去的混凝土比较，①堵头板侧充填过程比已浇筑混凝土侧慢；②因为堵头板侧充填，使已浇筑的混凝土侧、环节中央产生较大的压力，显示混凝土难以充填的状况。

图6　混凝土浇筑时的侧压测定结果

图7　拱顶压力测定结果

中流动性混凝土的场合，15：00的压力增加的时间差很短，压力差也小，可以确认混凝土充填密实。模板拱顶部的压力比相当衬砌厚度的压力大2～3倍，也能够确认拱顶充填确实。

3.3中流动性混凝土的品质和表面状况

1)中流动性混凝土的品质。中流动性混凝土的品质管理试验结果见图8。其塌落度流动性值和含气量都充分满足管理基准值。

图8　中流动性混凝土品质管理试验结果

抗压强度及长度变化试验结果见图9。与过去的混凝土相比，单位水泥用量减少了，而用粉煤灰代替。抗压强度在材龄初期比过去配比低一些，但长期强度与过去同等。另外收缩应变，因水泥用量减少，比过去约降低70 μ。从控制初期开裂来看，也是有效果的。

图9　抗压强度及长度变化的试验结果

2)中流动性混凝土的致密性。从表面透气性测定，中流动性混凝土也能够确保混凝土的致密性(见表9)。

表9　透气系数测定结果

注：测定时的混凝土材龄约3个月。

4结语

本讲的主要目的是要引起大家的关注，对隧道衬砌混凝土的研究不能放松。对传统的方法要针对问题逐步改善，也要结合隧道衬砌混凝土的特点，研究和开发适用于隧道衬砌性能、能够消除可能存在的潜在缺陷的衬砌混凝土。从文献上看，我国有关衬砌混凝土研究的文献几乎没有，是非常遗憾的。

参考文献(References)：

[1]铁路隧道工程施工技术指南：TZ 204—2008[S].北京：中国铁道出版社，2008.(Guide for railway tunnel construction technology:TZ 204—2008[S].Bejing:China Railway Publishing House,2008.(in Chinese))

[2]东、中、西日本高速道路株式会社.公路隧道设计要领(第三集)：隧道[M].[s.l.]:东、中、西日本高速道路株式会社，2014.(East/Central/West Nippon Expressing Company Linnited.Design key points of highway tunnel(The 3rd Symppsium):Tunnel[M].[s.l.]:East/Central/West Nippon Expressing Company Limited,2014.(in Japanese))

[3]村崎慎一.トンネル全线に中流动コンクリ-トを适用し高品质覆工に挑战[J].トンネルと地下，2010,41.(Marasaki Shinichi.Application of medium fluidity concrete to high-performance tunnel lining structure[J].Tunnel and Undergraund,2010,41.(in Japanese))

Tunneling by Mining Method:Lecture Ⅷ:Application of Medium Fluidity Lining Concrete

GUAN Baoshu

(Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,Sichuan,China)

Abstract:The tunnel lining in China has many problems,such as uncompacted filling,hollows behind lining,local inadequate thickness and potential primary support cracks;and there is any related reference.The application of medium fluidity lining concrete in Japan is introduced in terms of basic concept,characteristics,principle for mixing proportions,design basic strength,construction,site testing,site application and application effect.The author suggests that the feasible lining concrete should be studied and developed.

Keywords:tunnel;mining method;medium fluidity lining concrete

收稿日期：2015-07-15

作者简介：关宝树(1932—)，男，辽宁人，西南交通大学教授，博士生导师，从事隧道及地下工程教学和科研50余年，隧道与地下工程资深专家。E-mail:guanbaoshu@126.com。

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.06.001

中图分类号：U 455

文献标志码：A

文章编号：1672-741X(2016)06-0627-09