高耐久性盾构管片的复合制作技术分析

李 洋

(中铁十八局集团第四工程有限公司，天津 300350)

0 引言

盾构管片是地铁施工中的主要构件，起支护和防水的作用。我国制作盾构管片起步较晚，各项技术和工艺还不够成熟。目前，我国制作的盾构管片的抗渗等级为P12，氯离子扩散系数为3×10-12m/s，而美国、德国等发达国家制作的盾构管片的抗渗等级早就超过了P20，氯离子扩散系数为6×10-12m/s。相比之下，我国的盾构管片制作还有很大的提升空间。目前，盾构管片的生产技术有2种：一种是一次性浇筑成型技术，该技术所生产的盾构管片存在表面细骨料多、水灰比高、水分散失较快等问题；另一种是复合制作技术，即通过二次浇筑和二次喷涂工艺等先进的复合技术，促使盾构管片内部结构实现连续梯度变化，使管片具有高抗渗、高抗蚀、高防水性能，以提升其应用效果。基于此，本文结合天津地铁10号线一期工程盾构管片制作B包的实际情况，对高耐久性盾构管片的复合制作技术进行应用分析，以期对同类工程施工提供一定的参考。

1 工程概述

天津地铁10号线一期工程盾构管片制作B包所涉范围包含财经大学—柳林路、增兴窑—张贵庄—万山道3个二级风险源区间和车辆段—梨园头—瑶环路—昌凌路、江湾二支路—友谊路、梅林路—微山路、天钢柳林—二号桥—金贸产业园、万山道—香山道—崂山道、屿东城—一期终点10个三级风险源区间。管片共预制10 702环，其中1.2 m环宽管片1 054 环，1.5 m环宽管片9 648环。

2 高耐久性盾构管片的复合制作原理

在盾构管片制作过程中掺入适量的复合材料，可有效延长裂缝的扩展路径。同时，掺合料还能和C-H发生化学反应，提高混合料中的C-S-H含量，促使水化产物的结晶颗粒尺寸进一步降低，从而提高混凝土管片的抗裂性能[1]。以垂直方向为例，多层盾构管片结构分为三大类，即高抗渗保护层、结构层、防火抗爆层。天津地铁10号线一期工程盾构管片厚度为350 mm，其中外保护层厚度为25 mm，内部防爆层厚度为25 mm，结构层厚度为300 mm。

“次第水化”是复合技术制作高耐久性盾构管片的主要理论依据。通过不同矿物的反应特点来设计复合水泥的组成，可实现优势互补，甚至产生超叠合效应，可以有效减少盾构管片的收缩变形量。此种设计方法赋予了盾构管片结构多样性，使其功能逐渐呈现多元化，不但有效提升了各项材料的利用率，而且还能促使管片实现梯度变化，使管片界面的黏结强度、抗剪强度等实现大幅度提升[2]。

3 高耐久性盾构管片的复合制作技术

3.1 严格控制制作流程

基于复合技术的高耐久性盾构管片的制作流程为：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→喷涂内防火涂料。

盾构管片生产工艺主要包含制作钢筋骨架、搅拌混凝土、自动化流水线生产管片、混凝土养护、管片存放与出厂等。

3.2 确保钢筋骨架制作精度

在钢筋骨架制作过程中，按照流水作业方式进行布局。采用全自动弯箍机对直径为6～10 mm的钢筋进行一次加工；采用自动传送切断机对直径为16～28 mm的钢筋进行加工。采用钢卷尺检查受力钢筋长度、主筋弯折点位置、箍筋内净尺寸、分布钢筋长度，允许偏差为±5 mm。每班的同一设备生产15环同类型钢筋骨架，应抽检不少于5根。

采用钢模形式加工钢筋骨架胎模，与其他形式相比，该方法具有精度更高、稳定性更强的优势，可以保证钢筋骨架在实际生产加工中两端都能处于良好的控制状态，促使两端时刻处于相同平面上，提升其入模之后保护层的均匀性[3]。

3.3 提升保护层混凝土的施工质量

盾构管片是地铁工程施工中常用的材料。盾构管片施工属于隐蔽性工程，施工完成之后，从表面难以看到盾构管片的样式和结构，难以对其进行维护。对盾构管片而言，其保护层混凝土常年和地下水接触，若保护层混凝土存在质量问题，极易发生渗漏，从而影响地铁工程的质量和安全性。因此，为保证混凝土的质量，需要专门设计混凝土搅拌站。在本案例工程中，采用了具有良好搅拌性能和高度稳定性的HZN-120型搅拌站。其搅拌能力计算公式为：

(1)

式(1)中，V为搅拌后产生的混凝土量(m3/min)；Q为搅拌机拌和的理论量(m3/h)，在本案例工程中取值为120 m3/h；T为每盘搅拌的时间(min)，取值为3 min；η为机械利用系数，取0.8；t为每天搅拌的时间(h)，本工程中取值为20 h[4]。将相关数值代入公式(1)中，可计算出该搅拌站搅拌能力V=640 m3/min。

3.4 提升结构层的施工质量

1)控制开模与合模施工质量。出模坑道端第1个工位是盾构管片制作的开模工位。通过专业的小车将模具送到流水生产线上，按照工艺顺序将模具侧模、端模的固定螺栓拆开。

2)管片起吊。通过真空吸盘把盾构管片从模具上吊起，立放在翻转架上。

3)涂脱模剂。在均匀涂抹脱模剂前，先用抹子或刷子将管片表面和接缝处的残留物全部清除干净，并用压缩空气吹净。

4)钢筋骨架入模。在入模操作中，钢筋应当提前摆放在钢模的中间位置，并按照骨架的要求合理布置塑料支架，严格控制支架的高度，避免影响盾构管片成型的质量。确认支架达到设计要求后，再安装注浆管。注浆管需要和底模相互结合，并牢牢固定，避免在混凝土浇筑和振动时发生位移[5]。现场钢筋骨架入模如图1所示。

图1 现场钢筋骨架入模

3.5 提升混凝土振捣效果

采用专业的振捣器进行全方位的混凝土振捣，避免发生欠振和漏振等问题。当混凝土表面不再产生气泡，且表面不再下沉时，可停止振捣。在整个振捣过程中，需要结合现场的实际情况和振捣质量及时检查弯芯棒的质量，分析连接松动问题，及时紧固，避免发生脱离。振捣完成之后，立即用拉杠打磨混凝土，保证其平整性和光滑性，并去除多余的混凝土，然后用土工布及时覆盖，避免水分快速散失，影响盾构管片成型的质量[6]。

3.6 控制升温蒸养的温度和时间

当收水完成后，盾构管片需要静养一定时间才能进行升温蒸养。在进行蒸汽养护时，静停期时间和静养温度的关系见表1。盾构管片进行蒸汽养护时，必须严格控制升温幅度,每隔1 h升温15 ℃。当养护温度达到55 ℃时，停止加温，进行恒温养护，恒温养护时间控制在2 h左右。降温速度不超过20 ℃/h，匀速降温，直至与室温的温差不超过20 ℃[7]。

表1 静停期时间和静养温度的关系

3.7 盾构管片性能检测

对复合技术制作的高耐久性盾构管片进行科学合理的养护，养护时间不能小于28 d。养护结束后，对制作样品进行性能检测，包括外观检测、力学性能检测、抗渗检测等。采用超声回弹法和综合回弹法对复合技术生产的管片进行抗压强度检测。检测结果显示，盾构管片内弧面(结构层混凝土)的抗压强度达到了75 MPa，外弧面(保护层掺和料砼)的抗压强度超过65 MPa，满足设计要求[8]。

除坍落度之外，还需检测混凝土管片的抗拔性能。考虑试验设备重量及管片自重，采用分级加载法进行抗拔性能测试。初次加载荷重为30 kN，每级加载持荷时间不应少于5 min，记录每级荷载作用下螺栓的位移量。当抗拔试验加载达到设计荷载时，持续荷载30 min，每5 min测量1次位移，记录荷载和位移，并观察混凝土管片裂缝开展情况。抗拔性能检验结果见表2。按照《盾构隧道管片质量检测技术标准》(CJJ/T 164-2011)的相关规定，本案例工程中制备的盾构管片的抗拔性能满足要求。此外，抗拔试验过程中，加载荷重至180 kN时，盾构管片未出现裂缝，且其内外弧面露筋、表面孔洞、疏松、夹渣、蜂窝、麻面、粘皮、缺棱掉角、飞边、侧表面裂缝等项目均未发现有缺陷。

表2 抗拔性能检验结果

3.8 盾构管片的存放

盾构管片存放区场地已作硬化处理，四周有排水沟。管片堆场坚实平整，管片堆放整齐。混凝土地面因长期使用出现破碎或沉陷现象的，必须重新硬化。管片堆码使用的垫木必须是硬木，底层垫木最小边长不小于150 mm，其余不小于100 mm，变形严重的垫木必须及时更换。

4 结论

高耐久性盾构管片的复合制作技术是目前我国盾构管片生产的主要技术，和传统生产方法相比，其在生产工艺、生产效率、产品性能质量等方面有明显优势。结合工程实例分析发现，科学合理地应用复合技术可制作出高耐久性的盾构管片，其具有极强的抗压性和抗拔性，可有效满足地铁工程隧道施工的需求。质量检测结果表明，应用此种方法生产的盾构管片的表面形貌及力学性能、抗渗性能均满足设计标准，符合目前我国盾构管片生产制造相关规范和标准，可大范围推广应用。