TBM预制管片混凝土养护工艺对比试验分析

摘要：以菲律宾卡利瓦大坝项目的引水隧洞工程为背景，在引水隧洞施工中，采用了先进的双护盾隧洞掘进机（Tunnel"Boring"Machine，"TBM）的掘进施工技术，其中，混凝土预制管片生产是保障整体隧洞施工顺利进行的决定性因素之一。通过前期的优化配合比设计与一系列的试验，结合当地气候条件，对TBM预制管片采用免蒸养工艺，对免蒸养工艺条件下的混凝土强度、耐久性等性能进行试验统计分析。对比蒸养工艺和免蒸养工艺的优、缺点，从经济、强度、耐久行等方面进行比选。

关键词：管片混凝土""配合比"""基本参数"""外观质量"""免蒸汽养护

Analysis"of"Comparative"Experiment"on"Concrete"Curing"Process"of"TBM"Precast"Segments

LIU"Haiwei

China"Energy"Engineering"Group"Guangxi"Hydroelectric"Construction"Bureau"Co.，"Ltd.，"Nanning，"Guangxi"Zhuang"Autonomous"Region，"530001"China

Abstract："This"paper"takes"the"diversion"tunnel"project"of"Kaliwa"Dam"project"in"Philippines"as"the"background."Advanced"double-shield"Tunnel"Boring"Machine"（TBM）"tunneling"technology"is"adopted"in"the"diversion"tunnel"construction，"among"which"the"production"of"precast"concrete"pipe"segment"is"one"of"the"decisive"factors"to"ensure"the"smooth"progress"of"the"overall"tunnel"construction."Through"the"preliminary"optimization"of"mix"ratio"design"and"a"series"of"experiments，"combined"with"the"local"climate"conditions，"the"TBM"precast"pipe"segment"adopts"the"steam"free"curing"process，"and"the"strength，"durability"and"other"properties"of"concrete"under"the"steam"free"curing"process"condition"are"analyzed"statistically."The"advantages"and"disadvantages"of"steam"curing"process"and"steam"free"curing"process"were"compared"from"the"aspects"of"economy，"strength"and"durability.

Key"Words："Segment"concrete;"Mix"ratio;"Basic"parameters;"Appearance"quality;"Steam"free"curing

菲律宾卡利瓦大坝项目全称为新百年水资源计划——卡利瓦大坝项目，项目主要是在菲律宾吕宋岛东南部Kaliwa河下游建设一座坝顶长247.19"m、最大坝高73.3"m的混凝土重力坝，同时建设一条长21.902"km的引水隧洞，将Kaliwa河水引至位于Teresa的供水厂。其中"全段面隧洞掘进机（Tunnel"Boring"Machine，"TBM）的掘进施工段长17.51"km，开挖洞泾4.8"m，TBM段采用全段衬砌混凝土预制管片。项目建成后，供水能力为60万t/d，隧洞引水能力240万t/d。

本项目采用双护盾TBM单向施工，管片混凝土强度设计等级和国内基本相同。在混凝土管片生产过程中，为了加快模具周转速度，通常会采用蒸汽养护生产工艺。针对当地气候，对管片混凝土配合比进行设计和优化，混凝土外加剂采用聚羧酸外加剂，能够提高早期混凝土强度，同时利用混凝土水化热产生热量进行管片的自然养护。本次分析记录和统计了卡利瓦项目隧洞出口区在常年高温情况下管片厂白天平均温度在35℃以上、晚上平均温度为30℃。结合当地气候和温度，最终确认选择自然养护，这样更加有利于工程节约成本和改善混凝土的质量，为规范隧洞项目管片厂进行管片生产和养护提供质量控制依据，为改善管片外观质量提供重要的试验参数。

1"管片混凝土配合比基本参数

根据设计要求，项目所使用的TBM管片混凝土应符合下列要求：C40W8。因为当地采用高300"mm、直径150"mm圆柱体成型试块，所以，C40混凝土相当于国内C50混凝土[1]，前期项目已通过TBM选型和TBM管片选型工作[2]。根据前期的大量混凝土配合比试验与混凝土配合比优化工作，选用总胶凝材料400"kg进行管片混凝土浇筑试验统计，设计坍落度控制在70～90"mm。结合当地气候和工作特点，对外加剂进行选型[3]，最终确定两种外加剂搭配使用很好地解决了与水泥的相容性问题[4]，同时改善了混凝土的管片混凝土配合比和易性。根据气候特点，浇筑混凝土不需要进行蒸养，16"h可以达到脱模强度。双护盾TBM预制管片混凝土配合比设计[5]参数见表1。

2"管片混凝土养护工艺选择

管片混凝土按照蒸汽养护和免蒸养护（自然养护）进行比较分析。管片生产中过程中，对混凝土采用静养、升温、恒温、降温等各个时间段进行研究分析，在达到13.8"MPa后进行脱模，此处的13.8"MPa相当于国内标准试块20"MPa。结合菲律宾当地气候条件与施工现场气温状况，针对2—11月浇筑管片的温度统计及12月至次年1月温度统计，对实际施工过程中12"h抗压强度进行分析。2—11月，浇筑管片可以采用免蒸养工艺，既能改善管片的外观质量，同时还能节约养护成本。对管片厂的温度进行跟踪统计和分析，统计管片厂中不同时间的温度表。管片厂室内各环境条件、各时间点的温度见表2。

养护工艺的选择采用管片厂对生产管片的时时跟踪和记录温度进行试验和分析。管片蒸养分为静养、升温、恒温t"降温4个阶段，总时间控制在12"h内。免蒸汽养护对12"h、13"h、14"h、15"h、16"h、17"h、18"h等时间进行脱模强度对比分析，最终确认脱模时间16"h以后。

2.1"蒸养工艺

2.1.1"静养阶段

静养阶段是指混凝土浇筑入模后在场内的静停时间，其温度一般与厂内温度相同或略高于厂内温度。静养是为了让混凝土管片具有一定的初始强度，以防在升温时混凝土管片产生裂缝和粘模等不良现象，影响管片外观质量，导致管片出厂后需进行二次修复[6]。

根据本项目中预制管片的生产工艺特点，本项目中的预制管片采用固定管片模具。完成浇筑后1"h后，打开顶模进行收面工作，并拉上蒸养棚，对管片进行静养工作。在混凝土管片升温、恒温和降温条件都相同条件下，静养混凝土时间的长短会影响管片混凝土的脱模强度。现根据实际情况，成型4组混凝土试块进行不同静养时间下同条件养护，蒸养时间均采用180"min，统计不同静养时间下混凝土脱模强度和外观质量情况（见表3）。

表3""""不同静养时间下混凝土脱模强度和外观质量情况

静养时间/min

蒸养时间/min

混凝土试件脱模强度/MPa

混凝土管片表面质量

180

180

13.8

14.1

14.0

14.5

14.2

粘模现象比较严重，并有裂缝

210

14.5

14.8

14.9

15.1

15.3

有粘模现象，产生微小裂缝

240

16.2

16.7

16.5

16.6

16.1

无粘模现象，无裂缝，表面光滑

270

17.8

17.2

17.6

17.5

17.8

无粘模现象，无裂缝，表面光滑

从表3中试验结果可以看出，静养时间越长，混凝土的脱模强度越高，并且外观质量更好。

2.1.2"升温阶段

管片混凝土升温阶段是指从静养温度上升至蒸汽养护的最高温度的时间段。升温方式有直线升温、变速升温、分阶段升温等多种方式。以本项目为例，管片生产车间采用的是直线升温法，静养时间为240"min，静养温度为35"℃，升温最高温度按60"℃，恒温120"min，采用不同的升温速度进行试验，升温试验结果见表4。

从表4试验结果可以看出：升温速度快，可以提搞管片混凝土的脱模强度，但是28"d混凝土强度有所降低，混凝土管片的外观质量会受到影响；升温速度慢，虽然让管片混凝土脱模强度降低，但是后期强度增长，并且混凝土管片的外观质量较好。结合工艺与当地气候特点，选择蒸养速度15"℃/h，该升温时间既不影响生产速率，又能很好地改善混凝土管片的外观质量。

2.1.3"恒温阶段

恒温阶段是混凝土预制管片蒸汽养护温度最高阶段，恒温温度和时间的选择主要与水泥品种、水灰比、脱模强度要求有关。本项目采用波特兰普通硅酸盐水泥，水灰比控制在0.35，脱模强度满足13.8"MPa吊运要求。根据管片厂温度条件，浇筑管片混凝土分别采用最高恒温60"℃、65"℃、70"℃进行研究，恒温时间均按120"min记，最终选取最佳恒温温度。

2.1.4"降温阶段

管片厂降温主要采用的是拉开蒸养棚，采用厂房内的温度差进行降温。根据规范要求，降温速度不宜超过20"℃/h，即便在晚上9点左右，厂房内温度同样在30"℃左右，经过对管片温度的持续测定，拉开棚后，管片每小时降温在10"℃左右。

2.2"免蒸汽养护工艺

本项目预制管片采用固定管片模具，一共有40套模具，每次浇筑TBM预制管片混凝土为40片，采用免蒸汽养护工艺，每天浇筑管片为40片，每月生产的管片数量基本能满足每月需求量。免蒸养工艺同样为完成预制管片混凝土浇筑后1"h后打开顶模进行收面工作，并拉上蒸养棚，对管片进行自然养护工作。在拌合站出机口进行了坍落度、混凝土温度与试块成型工作，一共成型7组试件，并对该7组试件在不同时间进行脱模，进行抗压试验确定脱模强度，详情见表5。

从表5中可以看中，混凝土在15"h时抗压强度达到14.6"MPa，大于设计和方案要求的13.8"MPa，在16"h为16.5"MPa。根据现场实际施工情况，管片混凝土浇筑完成一般在下午的3点左右，因此，控制管片第二天脱模时间在早上7点后，满足脱模强度13.8"MPa的最低要求。因此，采用自然养护工艺，TBM预制管片脱模时间控制在16"h以后。

3"免蒸养工艺与蒸养工艺的对比分析

3.1"强度和耐久性对比分析

根据现场的工作情况，以及进行的试验对比，总结出蒸汽养护试验温度、时间控制如表6所示。同时，根据3种不同蒸养组合和免蒸养工艺的强度、耐久性的对比分析，获取各种工艺的TBM预制管片混凝土强度值和耐久性[7]。

从表7中可以看出：采用第一种组合时，蒸养后不能达到管片混凝土的脱模强度13.8"MPa；第三组合中，蒸养后脱模强度偏高，这不仅不经济，还耗时较长，影响管片生产速度；第二组合满足脱模强度，并且耗时相对第三种组合更短。根据表中试验统计数据可知，当采用免蒸养工艺进行预制管片养护时，管片混凝土强度在16"h同样能达到16.5"MPa，每天完成40片管片的浇筑任务，不会影响TBM的单月掘进任务。

3.2"外观质量对比分析

在生产过程中，管片两侧有很多气泡，为此，我们同样对砂率进行了调整。试验配合比砂率40%，根据骨料情况，将砂率调整为42%，但是，在试生产过程中发现效果不是很明显。对蒸养工艺进行调整，当静养时间不足时，管片两侧气泡出现较多，同时还会导致侧面出现麻面现象，在脱模后会发现微小的温度裂缝。于是增加了静养的时间，气泡数量和裂缝数量减少[8]。采用免蒸养工艺进行TBM预制管片混凝土养护，管片的两侧出现气泡数量很少，不会出现温度裂缝，麻面的现象也没有出现。免蒸养工艺对TBM预制管片外观质量的改善效果明显。

3.3"浇筑管片的成本对比分析

成本分析采用的是人、材、机的一个对比分析。如果采用蒸汽养护工艺，那么2"d生产120片管片，但是需要工人和当地工程师加班才能完成。如果采用免蒸养工艺，那么1"d生产40片，不需要额外的加班，在正常工作8"h内既能完成相应工作。材料方面，采用蒸养需要使用锅炉生产蒸汽，需要耗用大量的柴油，增加材料使用量；而采用免蒸汽养护不需额外消耗柴油，同样生产的管片能满足掘进需求。从成本反面考虑，采用免蒸汽养护工艺有利于节约成本

4"结语

经过前期混凝土配合比确定的情况下，对采用蒸汽养护工艺生产管片与采用蒸汽养护工艺生产管片进行对比分析，混凝土管片外观质量与管片静养、升温温度与速度、降温速度有很大关系。在这次项目实践中，将理论与当地气候相结合，制定了免蒸汽养护工艺，减少了蒸汽养护对管片混凝土的负面影响，解决了实践过程中出现的外观质量问题，有效节约了工程成本，生产出优质的TBM预制混凝土管片，更是推动了预制管片衬砌隧洞技术向前发展。

参考文献

[1]"宋泽霞.预制盾构管片高性能混凝土的应用研究[J].工程建设与设计，2023（1）：207-209.

[2]"陶林.菲律宾卡利瓦大坝项目ＴＢＭ选型研究[J].红水河，2023（1）：27-31.

[3]"黄亚雄.卡利瓦大坝项目输水隧洞ＴＢＭ施工管片选型分析[J].红水河，2024（2）：50-53.

[4]"中国国家标准化管理委员会.混凝土外加剂：GB"8076-2008［S］.北京：中国标准出版社，2009.

[5]"中国电力企业联合会.水工混凝土外加剂技术规程：DL/T"5100-2014［S］.北京：中国电力出版社，2014.

[6]"水工混凝土配合比设计规程.水工混凝土配合比设计规程：DL/T"5330-2015［S］.北京：中国电力出版社，2015.

[7]"梁玉强，王义盛.蒸养参数对轻质管片混凝土力学性能的影响[J].武汉工程大学学报，2022（4）：468-472.

[8]"黄志刚.高速公路预应力混凝土T梁工厂化预制关键技术研究[D].天津：河北工业大学，2022.