三棱山隧道二次衬砌混凝土配合比设计与分析

颜士昊

摘 要：京沈高铁三棱山隧道出口段全长2 203 m，二次衬砌作为隧道支护体系最为重要的环节之一，因此混凝土配合比的选取要符合设计要求和工程施工要求。该文通过实际工程案例，介绍了二次衬砌混凝土配合比的计算步骤，通过工程应用，验证了设计配合比的合理性。

关键词：高铁隧道 衬砌混凝土 配合比设计

中图分类号：DK493 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）06（b）-0071-02

随着我国公共交通事业的快速发展，高速铁路因为载客量高、输送能力大、速度快、安全性好、舒适方便等优点，已经成为人们主要的出行方式之一。辽宁省正在修建的京沈高铁项目全长406.8 km，全线共39座隧道。衬砌作为隧道支护体系里重要的一环，必须具有高强度、耐久性和耐腐蚀等特点。该文以京沈高铁辽宁段中三棱山隧道出口段为例，进行衬砌混凝土配合比设计与分析。

1 工程地质特征

中国路桥承建京沈客专辽宁段TJ-1标三棱山隧道位于辽宁省朝阳市、阜新市境内，隧道全长8 888 m，其中三棱山隧道出口段位于里程DK500+100～DK502+303处，全长2 203 m。该段内围岩情况复杂，其中Ⅱ级围岩段的长度为850 m，Ⅲ级围岩段的长度为350 m，Ⅳ级围岩段的长度为775 m，Ⅴ级围岩段的长度为228 m。Ⅱ級围岩和Ⅲ级围岩段均为大块状结构、弱风化的安山岩。Ⅳ级围岩段为强-弱风化的凝灰岩，碎石状镶嵌结构，节理发育，岩体较破碎。Ⅴ级围岩段为角砾碎石状松散结构、强风化的凝灰岩，岩体破碎，节理发育。隧道出口段地下水具盐类结晶侵蚀性，氯盐环境L1，化学侵蚀环境H1，盐类结晶破坏环境Y2，根据隧道土壤含盐量检测报告可知，盐类破坏主要为SO对衬砌混凝土的化学侵蚀和盐类的结晶破坏。根据三棱山隧道出口段的工程地质特征，隧道衬砌混凝土需具备坍落度（160～200） mm、强度等级为C40、混凝土水胶比不大于0.45，胶材最小用量320 kg/m3，胶材最大用量450 kg/m3，抗渗等级>P14，抗硫酸盐侵蚀等级≥KS120，电通量小于1 200，胶凝材料抗蚀系数：56 d不得小于0.80等特点。

2 混凝土原材料的选取

由铁路行业标准可知，当混凝土结构处于硫酸盐侵蚀环境时，应采用C3A的含量低于8的水泥，且胶凝材料的抗蚀系数应大于0.8，当骨料具有碱-硅酸反应时，水泥的碱含量不应超过0.6%；C40及以上混凝土用的水泥的碱含量不宜超过0.6%。因此该工程选用辽宁恒威水泥集团有限公司生产的强度等级为P.O42.5低碱普通硅酸盐水泥，水泥的检测报告见表1：细集料为天然河砂、中砂，细度模数2.6；粗集料为粒径5～25 mm（5～16 mm 45%、16～25 mm 55%）的碎石；掺合料选用的粉煤灰是阜新鑫源粉煤灰建筑材料有限责任公司生产的F类粉煤灰，矿渣粉为凌源富源矿业有限责任公司生产的S95级矿渣粉；外加剂选用的是河北金舵建材科技开发有限公司生产的JD-9型聚羧酸高性能减水剂（标准型）和RB-10b引气剂，其基本性能分别见表2和表3。

3 C40混凝土配合比计算

根据《水工混凝土施工技术规范》的有关规定，可按公式计算，其中标准差取5.0（MPa），同时规范也规定了，当设计龄期为28 d时，概率度系数t应取1.645，才会使混凝土抗压强度保证率P为95%，因此，经过公式计算后，衬砌混凝土的配制强度为48.2 MPa。

水胶比可通过试验和相关工程经验确定，也可通过计算确定。该工程先通过计算初步确定混凝土的水胶比，同时结合试验验证水胶比的合理性。结合相关规范，衬砌混凝土粉煤灰掺量25%，矿渣粉掺量20%，根据56 d抗压龄期分别取影响系数，，回归系数、，水泥富余系数，胶凝材料28 d胶砂抗压强度 MPa，g=37.0 MPa。

，即水胶比为0.38。考虑到含气量对抗压强度折损，取（不含外加剂中水分）； kg（不含外加剂中水分）。

计算胶凝材料的总用量：152/0.35=434 kg。

计算粉煤灰用量：434×25%=108 kg。

计算矿渣粉用量：434×20%=87 kg。

计算水泥用量：434-108-87=239 kg。

外加剂1用量：434×1.0%=4.34 kg。

外加剂1中含水量：

kg。

外加剂2用量：434×0.4%=1.74 kg。

外加剂2中含水量：

kg。

采用假定容重法计算砂石用量：

混凝土假定容重=2 400 kg，砂率选用42%。

水泥+水+砂子+碎石+粉煤灰+矿渣粉=2 400

结合上述两个公式可以计算出：砂子用量=762 kg，碎石用量=1 052 kg。

根据以上计算过程，最终得到衬砌混凝土的基本配合比如下：

C∶F∶KF∶S∶G∶W1∶WJ1∶WJ2=1∶0.45∶0.36∶3.19∶4.40∶0.64∶0.018∶0.007

（实际水胶比）

同时又设计并配置了水胶比为0.33、0.37的混凝土，比较这三种水胶比的混凝土强度及耐久性指标，最终得到一个最佳水胶比。

水胶比为0.33和0.37的衬砌混凝土配合比如下：W/B=0.33

C∶F∶KF∶S∶G∶W1∶WJ1∶WJ2=254∶115∶92∶751∶1036∶152∶4.61∶1.84=1∶0.45∶0.36∶2.96∶4.08∶0.60∶0.018∶0.007

W/B=（W1+W2+W3）/B=0.34（实际水胶比）

W/B=0.37，C∶F∶KF∶S∶G∶W1∶WJ1∶WJ2=226∶103∶82∶772∶1 065∶152∶4.11∶1.64=1：0.46∶0.36∶3.42∶4.71∶0.67∶0.018∶0.007

试拌结果如表4所示。

依据规范对混凝土进行了气泡间距系数试验、56 d抗硫酸等级破坏试验、胶凝材料抗蚀系数试验和氯离扩散系数试验。得到的试验结果为，混凝土试件气泡间距系数为0.024 8，小于设计值0.030 0；120次干湿循环后试件的抗压强度为43.8，同龄期标准养护的对比试件的抗压强度为52.3，抗压强度耐蚀系数为84%，超过标准规定的≥75%，胶凝材料的抗蚀系数为0.94，氯离子迁移系数为3.9。

根据试拌混凝土的56 d抗压强度值及耐久性指标，结合混凝土配合比选定试验结果，最终确定水泥∶粉煤灰∶矿渣粉∶细骨料∶粗骨料∶水∶减水剂∶引气剂=1∶0.45∶0.36∶3.19∶4.40∶0.64∶0.018∶0.007为衬砌混凝土的推荐施工配合比，水胶比为0.36。

4 结语

经过以上混凝土配合比设计计算和实际拌和验证步骤后，确定了一组混凝土配合比。在实际施工里，该配合比浇筑的衬砌结构施工质量和外观形貌均良好，衬砌表面没有出现开裂的部位，可见由以上步骤所设计的混凝土配合比既满足设计要求又满足施工要求。

参考文献

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