特长水工隧洞衬砌混凝土配合比的优化研究

罗 毅

(中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，长沙 410014)

0 引 言

随着经济的发展和高新技术的不断应用，我国隧洞及地下工程得到了前所未有的迅速发展。截止2013年的统计数据，已建成的各类水工隧洞超过10 000 km，正在建设的引水隧洞超过1 000 km，已规划的引水隧洞超过2 000 km。这些隧洞中，连续长度超过10 km以上的特长隧洞不胜枚举，如已建成的大伙房隧洞单洞长度达85 km，在建的引汉济渭工程中秦岭隧洞单洞长度达82 km等。

输水隧洞作为引、调水工程的主要建筑，其中混凝土衬砌环节是制约工期和保证质量最关键的一道工序。而长距离输水隧洞混凝土衬砌施工具有更多的问题和挑战，如支洞控制段过长所带来的混凝土运输、混凝土拌和物入仓特性、衬砌台车的布置以及混凝土衬砌施工方案等系列问题。这就要求在混凝土的衬砌过程中，首先要严格控制衬砌混凝土的质量，优化混凝土配合比，以配制出适合现场技术要求和施工环境的混凝土；最后对施工组织方案进行科学设计和安排，二者配合下完成隧洞的衬砌施工。

混凝土配合比是按照一定方法，通过一系列试验成果分析，确定满足混凝土设计性能指标和施工工艺要求的单位体积混凝土中各种材料的用量[1,2]。配合比的优化就是在施工过程根据原材料质量的波动、施工工艺和环境的变化以及混凝土技术指标数据统计分析结果，在理论设计配合比成果的基础上进行调整，以确定具体操作的施工配合比。

随着对混凝土材料性能的深入研究，混凝土配合比设计优化已突破传统的物理、力学以及耐久性能因素指标，还充分考虑了混凝土的变形、热学以及经济指标等因素。因此，混凝土配合比的设计优化[2,3]是试验和研究相结合的过程，需要根据不同试验组合下的成果分析，才能确定最终的混凝土配合比。本文立足于理论结合实践，以某特长输水隧洞工程为研究背景，对特长水工隧洞衬砌混凝土配合比的试配、调整、优化进行全过程研究。

1 工程概况

某重点供水工程，主体建筑物为无压水工隧洞，隧洞全长131 km；洞室最大埋深590 m，最小埋深约12 m，主体埋深位于100～350 m。

隧洞全长共分为五个施工标段，采用钻爆法为主和TBM为辅的联合施工方法。其中钻爆法施工隧洞呈马蹄形断面，成洞洞径为7.3 m，长度为87 km，占隧洞总长的67%；TBM施工隧洞断面为圆形，开挖洞径为8.5 m，占隧洞总长的33%，如图1所示。

图1 输水隧洞衬砌断面图(单位：mm)Fig.1 Section diagram of convey tunnel

隧洞衬砌混凝土属于“薄壁”混凝土，如图1所示，钻爆法施工的马蹄形隧洞断面衬砌厚度为30 cm，TBM施工的圆形隧洞断面衬砌厚度为35 cm。隧洞衬砌混凝土主要性能设计指标如表1所示。

表1 隧洞衬砌混凝土主要性能设计指标Tab.1 Main design indexes of lining concrete

参阅相关水利工程规范，对设计使用年限为100年的耐久性混凝土原材料如何选取、配合比如何设计等问题没有给出明确的规定，这就更加有必要借鉴工程实践的相关经验和做法，对耐久性混凝土进行系统性研究，以确保工程采用的衬砌混凝土达到设计使用年限，减少后期的维修次数和费用。

2 混凝土配合比的设计

2.1 配合比的设计方法

混凝土配合比设计方法一般按照下列步骤进行计算[1,2]：①计算混凝土的配制强度；②根据配制强度和设计允许的最大水胶比限值初选水胶比；③根据施工要求的和易性选定用水量，并计算出胶凝材料的用量；④选取砂率，计算粗细骨料的用量；⑤通过实验和调整，根据配制强度、混凝土耐久性要求和允许的最大水胶比限值选定水胶比，确定每立方米混凝土材料用量和配合比。

其中对于步骤③～⑤：

(1)胶凝材料根据初选水胶比、水泥、掺合料计算，如式(1)～式(3)所示：

mc+mp=mw/[w/(c+p)]

(1)

mc=(1-Pm)/(mc+mp)

(2)

mp=Pm(mc+mp)

(3)

式中：mc、mp、mw、Pm分别为每立方米混凝土水泥用量、掺合料用量、水用量、掺合料比例。

(2)粗细骨料的用量由已确定的用水量、胶凝材料用量和砂率根据“质量法”来计算，如式(4)～式(6)所示：

ms,g=mc,e-(mw+mc+mp)

(4)

ms=ms,gSm

(5)

mg=ms,g-ms

(6)

式中：ms,g、mc,e、ms、mg、Sm分别为每立方米混凝土骨料总质量、拌合物质量的假定值(根据相关规范取值)、细骨料质量、粗骨料质量以及砂率。

(3)水胶比的试配调整。水胶比除了应满足混凝土设计强度等级要求外，还应满足设计规定的抗渗、抗冻、经济节省等要求。因此混凝土水胶比的试配调整，其目的在于找到一个既能满足混凝土各项设计标准要求，同时又能节省水泥用量的经济配合比方案。工程实践中，有时为了简化程序，仅仅单一注重混凝土强度指标，将混凝土的试配强度标准定得过高，以满足其标准养护28 d的强度。这种做法所带来的问题是：一方面不经过试验难以保证混凝土的各项设计指标均符合要求，另一方面会导致水泥等胶凝材料用量过大所带来的温度裂缝和浪费等负面影响。因此，在初选水胶比后还需要进行水胶比的调整研究。

根据上述步骤，计算出相关参数后即可获得混凝土配合比结果。

2.2 配合比设计参数确定

设计参数是配合比中最为关键的部分，其直接关系到混凝土各种材料的比例大小，直接影响着混凝土性能的优劣[2]。混凝土的设计参数有配制强度、水胶比、单方用水量、砂率、粗骨料比例、外加剂掺量以及掺合料掺量等。

(1)配制强度。参照相关规范，混凝土配制强度按式(7)计算：

fcu.o=fcu.k+tσ

(7)

式中：fcu.o为混凝土配制强度；fcu.k为混凝土设计龄期立方体抗压强度标准值，为35 MPa；t为概率度系数，一般按抗压强度保证率P=95%取值，为1.645；σ为混凝土强度标准差，根据混凝土设计龄期立方体抗压强度标准值来取值，C35对应4.5。计算得混凝土的配制强度fcu.o=42.4 MPa。

(2)水胶比。水胶比w/(c+p)为每立方米混凝土中用水量与所用胶凝材料(如粉煤灰、矿粉、硅粉等)用量的比值。混凝土初选水胶比参照28 d设计龄期混凝土抗压强度标准值来取值，当30 MPa

根据在实验室试拌得出结果，0.34的水胶比强度普遍高于设计要求下的配制强度，为了得到最优水胶比，又进行了0.34、0.37、0.40三种水胶比的对比试验。实验室按照配合比设计方法进行混凝土配合比计算和试拌，测定混凝土强度，试验结果如图2所示。

图2 混凝土28 d抗压强度与水胶比关系曲线Fig.2 Relation curve of 28 d concrete compressive strength and water-binder ratio

由图2可知，当水胶比为0.37时，混凝土抗压强度为46.1 MPa，达到了混凝土配制强度的要求，且混凝土拌和物和易性良好。因此，本工程将水胶比试配调整为0.37的推荐值。

(3)用水量。混凝土用水量应根据骨料最大粒径、掺合料和外加剂的品种及掺量，采用初选混凝土用水量进行试拌，混凝土满足设计及施工和易性要求的最小用水量。

(4)砂率。砂率为砂与砂和石子之和的比例。砂率的选择在固定其他参数情况下，通过砂率增减以混凝土拌和物的黏聚性、和易性等物理性能达到最优，混凝土坍落度最大情况下的砂率为最优砂率。有条件时可以测定不同砂率下的混凝土强度，综合度指标判定最优砂率。

(5)骨料级配。本工程粗骨料采用碎石的二级级配，粒径级配分别为5～20 mm和20～40 mm。粗骨料级配按照不同比例下的紧密堆积密度最大为最佳粗骨料级配。当无试验资料时，可以先按40∶60的比例进行试配试验。本工程中，实验室分别按40∶60、50∶50、60∶40的三种掺配比例进行紧密堆积密度和筛分试验，结果如表2所示。

由表2可知，50∶50掺配比例下的紧密堆积密度最大，同时方孔筛累计筛余率也分布最合理，因此，骨料级配采用50∶50的二级级配。

(6)粉煤灰掺量。掺加粉煤灰取代部分水泥可以减少水泥水化产生的热量，有效控制混凝土因水化热引起的温度裂缝[4]。根据国标及水工标准要求，当水胶比≤0.40时，最大掺量35%，且粉煤灰为F类。本工程中，分别按粉煤灰掺量10%、20%及30%进行混凝土抗冻性能试验，结果如图3所示。

表2 衬砌混凝土骨料级配试验结果Tab.2 Aggregate grading test of lining concrete

图3 粉煤灰掺量优选试验Fig.3 Optimizing test of coal ash

试验表明，混凝土抗冻指标随着粉煤灰掺量增加呈下降规律，当粉煤灰掺量超过20%之后相对动弹及质量损失下降较快，综合考虑优选粉煤灰掺量为20%。

(7)抗裂防水剂掺量。抗裂防水剂的目的主要是补偿收缩，提高混凝土密实性，减少衬砌混凝土存在裂缝的可能。抗裂防水剂一般掺量为5%～8%，最大不超过10%。

(8)外加剂掺量。外加剂是可以切实改变混凝土性能的材料，尤其是对提高混凝土抗冻耐久性起着至关重要的作用。根据规范，有抗冻要求的混凝土必须采用引气剂，其掺量应根据混凝土的含气量要求通过试验确定。

2.3 初始配合比

根据上述配合比的计算步骤，在各配合比设计参数的基础上得出了混凝土初始设计配合比，其结果如表3所示。

由表3可知，初始配合比为1∶0.19∶0.08∶0.47∶0.01∶0∶2.47∶1.6∶1.6，其中砂率为44%，水胶比为0.37，粗骨料级配为50∶50的二级级配，没有掺入引气剂。

3 混凝土配合比的优化研究

3.1 优化前的衬砌外观质量

根据上述混凝土初始配合比结果进行现场混凝土衬砌施工，但是在混凝土外观质量检查过程中，发现内衬砌面有较多的早期环向裂缝、水压裂缝和气泡。这说明试验所确定的混凝土配合比，不一定能完全适合施工现场的实际条件和环境。受现场施工设备、运输方法、运输距离以及施工气候等条件的影响，混凝土特性受到影响。因此，需结合工程实践对混凝土配合比进行优化。对上述外观质量缺陷进行成因分析：

表3 混凝土初始配合比Tab.3 Initial mix proportion of concrete

(1)早期环向裂缝成因分析。对于早期环向裂缝[5]，根据其成因分析主要包括收缩裂缝、干缩裂缝和温拉裂缝3种裂缝，逐一分析：①由于衬砌混凝土设计强度等级高，浆体体积比率大和混凝土稳定性降低等因素，致使混凝土早期收缩较大，容易形成收缩裂缝。②隧洞贯通后，温度下降，受热空气向上游流动的原因，产生干缩裂缝。③衬砌混凝土与初期支护混凝土之间设置有防水板，界面有较大的摩擦阻力。因水化热原因衬砌混凝土内部温度高于表面温度，内部混凝土因与界面有摩擦阻力，限制其变化，这样产生了温拉裂缝。

(2)水压裂缝成因分析。对于水压裂缝，一般出现在混凝土分层处。分析其原因：①在分层处因泵送时间差和振捣不便，导致前后混凝土存在硬化时间差，没有完全硬化的混凝土早期较为脆弱。②围岩的渗流面渗入混凝土分层后形成了自由水，随着积水越多产生一定的水压，这样沿混凝土分层处形成水压裂缝。

(3)气泡问题成因分析。衬砌混凝土产生气泡的原因主要有以下几方面：①冬季施工时温度低，混凝土在搅拌、运输过程中带入空气而产生的气泡不易排出。②外加剂使混凝土产生气泡。③混凝土入仓振捣后，混凝土温度升高，气泡遇热膨胀在混凝土内部不易破裂。④混凝土水化过程中有多余的自由水，受自由水和受热气泡的作用，容易在粗骨料和砂浆之间形成局部通道，从而形成了局部气泡。

3.2 优化措施方法

针对上述存在的外观质量问题，主要采取以下三种措施对混凝土进行调整：

(1)调整外加剂用量。一方面调整减水剂的用量；另一方面对减水剂进行消泡和破泡处理，具体措施为在减水剂中掺入0.1%消泡剂，控制不掺引气剂前混凝土含气量在3%以内；然后掺入0.05%的引气剂，使混凝土含气量达到4.7%左右。

(2)调整胶凝材料用量。在保持混凝土强度和水胶比不变的条件下，降低混凝土用水量，减少混凝土内部的自由水和混凝土浆体体积，降低水化热。同时，考虑到混凝土抗压强度指标具有较大富余量，减小混凝土胶凝材料用量，降低衬砌混凝土经济成本。

(3)优化施工工艺。现场施工中，将混凝土分层厚度控制在50 cm以内。同时加强振捣，让混凝土内气泡从混凝土分层面处排出，减少气泡通道。

3.3 配合比优化结果

基于上述优化措施，在满足衬砌混凝土强度、耐久性等各项性能和指标的基础上，各标段结合现场实际情况，对混凝土材料进行相关调整和优化，得出系列优化后的配合比数据，具体如表4所示：

表4 优化后的混凝土配合比Tab.4 Optimized mix proportion of concrete

(1)由表4可知，在混凝土材料构成中，水泥、水和砂每立方米的用量均有所减小，其中水泥用量从327 kg/m3最低降低至300 kg/m3左右，每立方米混凝土节约水泥达25 kg，极大地降低了工程造价。

(2)对上述优化配合比后的混凝土进行外观质量进行检测，发现混凝土裂缝和气泡均明显减少，混凝土外观质量得到了明显改善。数据如图4所示。

由图4可知，对于裂缝，混凝土配合比优化前检测出每100 m裂缝的条数为11.1条，混凝土配合比优化后平均每100 m裂缝的条数为2.6条，减少比例为76.6%。对于气泡，混凝土配合比优化前检测出每仓混凝土气泡的面积为19 m2，混凝土配合比优化后每仓混凝土气泡的面积为9 m2，气泡面积减少比例为52.6%。

图4 衬砌混凝土配合比优化前后外观质量检测Fig.4 Appearance quality test results of lining concrete before and after optimization

4 结 语

本研究立足于理论结合实践，对特长水工隧洞衬砌混凝土的配合比进行优化研究。通过对混凝土配合比进行计算、试拌、调整以及优化研究，在满足衬砌混凝土设计要求的强度、耐久性以及外观质量等各项性能和指标条件下，经济合理地选择出了各种材料的用量，为隧洞混凝土衬砌施工的顺利进行提供了有效保证。同时，这也说明在混凝土材料的制备中，不能只着重考虑强度指标而忽略其他性能指标，对配合比进行优化研究极有必要。

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