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盾构管片施工中气泡和裂缝的防治

引言
    盾构掘进法是目前地铁工程施工中应用的主要方法,而盾构管片则是地铁隧道预制衬砌环的主要单元,其施工质量直接决定了整个地铁隧道工程的稳定性和质量。盾构管片施工中,遇到的主要难题是脱模后表面会形成大量的气泡和裂缝,不但导致管片的抗压强度和抗渗能力难以满足实际需求,而且会增加盾构管片修补的工作量,进而影响整个地铁工程的施工进度。在这样的基础上,开展盾构管片施工中气泡和裂缝防治的研究就显得尤为重要。
一、案例分析
    天津地铁5号线工程北起北辰区双街,南至西青区梨园头,线路全长33.785km。盾构区间隧道采用装配式钢筋混凝土管片,管片尺寸一律为外径6.2m、内径5.5m、厚度0.35m,环宽以1.5m和1.2m两种。盾构区间设计使用年限为100年。本工程为天津地铁5号线盾构管片制作工程(B包),工程量为11524环盾构管片,工程总造价2.742亿。管片外径6.2m、内径5.5m、厚度0.35m,混凝土设计强度为C50,抗渗等级≥P10。
    盾构管片生产流程:
    (一)盾构管片生产的有关参数
    以1.5m管片为例,盾构管片生产的参数包括:水泥的型号为P.042.5,由天津本地某水泥生产厂家提供,1m3混凝土需要380kg水泥,每环管片需要3562kg水泥;1m3混凝土需要685kg河沙,每环管片需要6421kg河沙;碎石的直径在5~25mm,1m3混凝土需要1170kg碎石,每环管片需要10968kg碎石;每环管片需要1744kg钢材;粉煤灰的等级为Ⅱ级,1m3混凝土需要71kg粉煤灰,每环管片需要656kg粉煤灰;高效减水剂要尽量选择一等品,1m3混凝土需要4kg高效减水剂,每环管片需要37kg高效减水剂;选择自来水进行生产,1m3混凝土需要150kg自来水,每环管片需要1390kg自来水。
    (二)生产工艺
    盾构管片生产工艺相对比较复杂,但总体而言,包括以下几步:第一步,确定钢模参数和钢模性能;第二步,管片钢骨架制作和入模;第三步,管片混凝土浇筑;第四步,管片蒸养、脱模、养生;第五步,管片运输堆放。
二、盾构管片施工中气泡和裂缝形成的原因
    (一)盾构管片施工中气泡形成的原因
    研究表明,在混凝土浇筑振捣过程中,由于水泥水化反应的影响,会导致混凝土结构内部产生大量的空气,如果这些空气不能及时排出,就会滞留在混凝土中,形成气泡。总而言之,导致气泡产生的原因的主要体现在以下几个方面:
    第一,混凝土坍落度比较大,限制了气体及时排出。
    第二,混凝土振捣不合理,振捣器布设间距过大,或者振捣不均匀,存在欠振捣部位,在气体没有完全排出之间就停止振捣。
    第三,混凝土配制外加剂和混凝土不相容,外加剂黏性过大,抑制了气体排出。
    第四,模板上涂刷的脱模剂黏度太强,油性脱模剂和混凝土中的水分发生亲和反应,形成大量的油水化合物没有得到及时排出,就在混凝土和模板之间形成气泡。
    (二)盾构管片施工中裂缝产生的原因
    第一,在施工时如果混凝土内外温度超过15℃,在热胀冷缩影响下,就会形成温度裂缝,因此,在冬季施工时温度裂缝极易产生,在具体施工施工,必须严格控制盾构管片出模时的环境温度和产品内外温差。
    第二,在盾构管存储或者养护过程中,在风力、潮气、阳光等外界因素的影响下,就会在表面形成大量不规则裂缝。
    第三,在混凝土强度没有达到出模强度时就拆掉模板,也是导致裂缝产生的主要原因,此种裂缝会对管片自身的强度造成严重影响,需要格外重视。
    第四,混凝土搅拌时间不足,导致搅拌不够充分,一些砂石没有裹上水泥浆液,从而引发裂缝。
三、盾构管片施工中气泡和裂缝的防治措施
    (一)气泡的防治措施
    1.严格控制混凝土坍落度
    混凝土由水、砂石、水泥和外加剂共同组成,而坍落度对混凝土凝固之后的强度、气泡的产生等都有非常严重的影响,在混凝土配制是要通过多次试验配比来确定合理的坍落度。特别是在夏季,混凝土从搅拌站到管片生产现场需要消耗一定的时间,在此阶段混凝土会发生不同程度的凝固,从而降低坍落度。所以,在管片混凝土配制时要根据输送距离和运输时间来合理调整外加剂的添加量,可加入适量的缓凝剂来延长混凝土初凝的时间。同时在振捣过程中,还要保证坍落度的均匀性,确保各个部位的混凝土都均匀分布,促使混凝土中的气泡都能顺利排出,从而提升混凝土的强度。
    2.合理应用HPC聚羧酸高性能减水剂
    研究表明,HPC聚羧酸高性能减水剂具有以下几点特性:
    第一,在不增加水量的前提下,可大幅度提升混凝土结构的稳定性和工作性。
    第二,在夏季运输时,能够有效延长初凝的时间,保证混凝土的总体坍落度。
    第三,可大幅度提升混凝土早期和后期的强度,为后期施工提供便利条件。
    第四,可减低混凝土的收缩量,减少徐变的性能。而且不含氯离子,抗腐蚀性比较强,可提高混凝土结构的使用寿命。
    从中可以看出,在混凝土配制过程中,加入适量的HPC聚羧酸高性能减水剂,可有效避免混凝土坍落度发生损失,而且还能改变混凝土凝固时间,不但可以有效减少气泡产生,而且还能减少裂缝的形成,从而保证地铁盾构管片施工质量。
    (二)裂缝防治措施1.合理控制混凝土配合比
    在进行混凝土时,如果混凝土的强度和工作性可以满足实际需求,则要适量降低水泥的使用量、水灰比、砂率等,都可以抑制裂缝的产生。
2.减少温度对混凝土的影响
    在夏季气温比较高,如果不采取相应的控制措施,则会导致混凝土坍落度的损失更加严重,因此,为降低气温所造成的不良影响,可以采取下列措施:
    第一,在夏季混凝土浇筑时要尽量选择在上午10点前或者下午3点后进行浇筑,这两个时间段气温相对比较低,可以为混凝土凝固营造良好的环境。
    第二,在冬季浇筑时,要采用蒸汽加热砂石和拌合水的方法来保证温度对混凝土质量的影响,同时还要尽量避开夜间最低气温施工。
    第三,采用科学合理的方法来加强管片的初期养护。当混凝土浇筑完成后,在凝固时会释放出大量热量,需要通过一系列方法措施来保证混凝土能均匀凝固。可以采用蒸汽养护的方法来减少裂缝的产生。当管片开模后,要第一时间进行保温养护,确保管片能持续缓慢的降温,避免降温过快引发温度裂缝。
    3.吊装和堆放环节的裂缝控制
    和盾构管片相互接触的吊具、脱模架、堆放垫块要附加相应的保护材料,避免发生磕碰损坏,存放的管片的场地必须压实、平整、硬化,避免外力引发管片裂缝。
四、结语
    综上所述,本文结合工程实例,深入分析了盾构管片施工中气泡和裂缝的防治,分析结果表明,气泡和裂缝对地铁隧道工程盾构管片施工质量有严重影响,需要采用严格控制混凝土坍落度、合理应用HPC聚羧酸高性能减水剂、合理控制混凝土配合比、减少温度对混凝土的影响等防治措施,才能有效防止气泡和裂缝对盾构管片的影响,提升地铁隧道工程整体结构的稳定性。

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