摘要：自密实混凝土是一种具有高流动度、不离析、均匀性和稳定性，浇筑时依靠其自重流动，无需振捣二达到密实的混凝土。结合此前在大、中断面隧道施工中自密实混凝土的应用经验，在石家庄地铁1号线电力配套电力隧道工程中，自密实混凝土被创造性地应用到小断面隧道二次衬砌混凝土施工中，取得了良好的效果。
关键词：自密实混凝土，电力隧道，小断面
1. 工程概况
石家庄地铁海世界110千伏输变电新建工程为海世界110kV主变电站和电力配套电力隧道工程。地铁1号线工程采用集中供电方式，海世界主变电站从城市电网高压变电站引入两路110kV电源，满足1号线用电需求的条件。
110kV暗挖线路长8.1km，采用初期支护+二次衬砌混凝土结构形式，二衬混凝土强度等级为C40P10，二衬厚度250mm。
2. 自密实混凝土的选用
2.1工程特点
石家庄地铁1号线电力隧道含三种断面形式（宽*高）：2.2×2.3m断面形式隧洞长2.83km；1.9×2.2m断面形式隧洞长3.82km，2.2×2.65m断面形式隧洞长1.41km。按照国际隧道协会（ITA）定义的隧道的横断面积的大小划分标准，本工程隧道全部属于小断面隧道（3-10㎡），具有操作空间小、混凝土厚度小、钢筋密度大的特点：
（1）操作空间小
隧道由仰拱、直墙、顶拱三部分组成，由于隧道断面尺寸大小和形状的限制，无法使用大、中断面隧道常用的整体性模板台车一次性浇筑。根据设计要求，选用先施工仰拱、后直墙顶拱一次性浇筑的施工步序（图1），采用组合钢模板与碗扣式钢管支架的形式对直墙顶拱模板进行支撑。
由于隧道本身断面狭小，且模板、支架、泵管占据了大部分洞内空间，使得施工人员在混凝土浇筑过程中的操作空间极度压缩。
图1 二衬混凝土施工步序示意图
（2）混凝土厚度小、钢筋密度大
二衬混凝土厚度为250mm，主筋采用HRB 400 18mm钢筋、分布筋采用HRB 400 14mm钢筋，拉筋采用HPB300 8mm钢筋梅花型布置。钢筋间距为200mm，具有砼厚度小，钢筋密度大等特点。
2.2自密实混凝土的选用
由于操作空间狭小，在浇筑过程中施工人员使用振捣棒或振动器对混凝土进行振捣十分困难；混凝土厚度小，钢筋密度大，给混凝土的流动造成阻碍，极易造成混凝土填充不密实，出现蜂窝、麻面甚至空洞等问题的出现。
为解决此问题，通过充分的调查、试验和认证，结合此前在其他项目大、中断面隧道施工中自密实混凝土的应用经验，拟采用自密实混凝土进行二衬直墙、顶拱的浇筑。相比于大、中断面隧道施工，小断面隧道采用自密实混凝土施工具有更多优越性，同时对混凝土自身和浇筑质量控制也有高的要求。
2.3 自密实混凝土简介
“自密实混凝土（Self-compacting Concrete，简称SCC），指混凝土拌合物不需要振捣仅依靠自重即能充满模板、包裹钢筋，并能够保持不离析和均匀性，达到充分密实和获得最佳的性能，属于高性能混凝土的一种。”
自密实混凝土的最主要的性质是能够在自重下不用振捣，自行流平、密实，尤其对于难以浇筑的部位，如异形部位、钢筋密集部位等，可避免由于振捣困难而造成的蜂窝、麻面等混凝土质量缺陷。此外，与普通混凝土相比，它还有良好的力学性能与耐久性能，“是一种从混凝土拌和物开始直至硬化后的使用期都被全面考虑的高性能混凝土”。
2.4 自密实混凝土在小断面隧道施工中的优越性
2.4.1 小断面隧道操作空间狭小，振捣困难，自密实混凝土自行流平、密实，无需振捣，施工人员无需进行振捣，给施工带来极大便利，提高施工效率，减少劳动强度。
2.4.2 小断面隧道混凝土厚度小、钢筋密集，普通混凝土流动阻碍很大，很难充满模板、包裹钢筋，极易造成蜂窝、麻面甚至空洞，自密实混凝土能更顺畅的通过并充分包裹钢筋，并能保持不离析和均匀性，达到充分密实并获得最佳性能。
2.5 自密实混凝土在石家庄地铁小断面隧道施工中的应用难点
2.5.1 由于自密实混凝土属于新型混凝土，石家庄市所有混凝土拌合站均没有大量供应自密实混凝土的成功经验，从原材料选择到配合比设计均为全新尝试，如何在当地选择符合标准的材料、如何设计出符合要求的配合比，并生产出质量稳定的自密实混凝土，是施工初期需要解决的首要难题。
2.5.2 相对于大、中断面隧道施工，小断面隧道混凝土钢筋更密集，施工混凝土厚度仅为250mm，薄壁结构不利于混凝土流动，要求自密实混凝土必须具有更好的流动性、抗离析性和填充性。
2.5.3 大、中断面隧道施工中，为确保混凝土浇筑质量，每仓混凝土浇筑段的长度设置为12m甚至更小。在石家庄地铁小断面隧道施工中，为达到质量、工期、效益的平衡，记过计算、论证，将分仓长度设置为30m，分仓长度的增加，对自密实混凝土质量控制的要求也相应提高。
针对以上三个应用难点，以下分别从三个方面进行阐述。
3. 自密实混凝土配合比设计
3.1 配合比设计
结合石家庄本地砂、石、水泥等原材料的供应情况，借鉴其他项目的成功经验，研究人员经过不断比选、适配和测试，寻找出满足流动性、稳定性以及通过钢筋间隙能力的最佳配合比，达到“高流动性”和“高稳定性”之间的平衡。
本工程采用的自密实混凝土强度等级为C40P10，经过反复试验，最终确定水胶比0.54，砂率为49%，配和比见下表：
表1 自密实混凝土配合比设计
3.2 原材料选择
3.2.1 水泥
除大体积自密实混凝土宜选用中热或低热硅酸盐水泥外，各种水泥都可用于自密实混凝土，品种的选择决定于对混凝土强度、耐久性等的要求。
本工程选用P.O42.5级水泥，28d实测抗压强度为58.0MPa。
3.2.2 骨料
骨料的选择对于自密实混凝土的物理力学性能和耐久性非常重要，选择时必须注意骨料的品种、尺寸、级配等。粗骨料的最大粒径不宜大于20mm，含泥量小于1.0%；自密实混凝土的砂率较大，宜选用第2级配区的中砂，砂的含泥量应小于3.0%，细度模数控制在2.6~3.2。
本工程粗骨料粒径5-20mm，含泥量0.5%；细骨料选用河砂，Ⅱ区砂，含泥量2%，细度模数2.9。
3.2.3 矿物掺合料
矿物掺合料是自密实混凝土中不可缺少的组分，最常用的主要为粉煤灰和磨细矿渣。粉煤灰作为一种工业废料，资源丰富，价格低廉，掺加粉煤灰不但能代替部分水泥，节省工程造价，还可以降低初期水化热，减少干缩，改善新拌混凝土的和易性，增加混凝土的后期强度；磨细矿渣可以改善和保持自密实混凝土的工作性，有利于硬化混凝土的耐久性。
3.2.4 外加剂
自密实混凝土的高流动性、高稳定性、间隙通过能力和填充性都需要以外加剂的手段来实现，对外加剂的主要要求为：与水泥的相容性好，减水率大，缓凝、保塑。宜采用减水率为20%以上的高效减水剂，聚羧酸系列高效减水剂最佳：具有能够提供强大的减水作用，具有优良的流动性、超强的粘聚性、高度的自密实型，能够增强早期强度的发展；同时，还需要掺加增粘剂，用于增加混凝土粘度，提高抗离析能力。
外加剂选用GK-3000聚羧酸高性能减水剂，掺量2%，减水率28.6%。
4. 自密实混凝土性能指标
自密实混凝土的自密实性能主要包括流动性、抗离析性和填充性，自密实性能等级分为三级，根据结构物的结构形状、尺寸、配筋状态等选用自密实的性能等级。由于本工程隧道二衬结构断面尺寸小、钢筋密集，选用一级自密实混凝土。
4.1 混凝土流动性
自密实混凝土拌合物具有较大的流动性，即要求混凝土具有较大的坍落度和扩展度，一级自密实混凝土要求扩展度为700±50mm，坍落度260±20mm。
4.1.1 进场混凝土坍落度、扩展度损失量测量
在自密实混凝土投入使用前，试验人员对自密实混凝土进行性能损失检测。在保持混凝土罐车连续搅拌的情况下，每20min测量一次混凝土性能。经现场试验，上午8：10混凝土出搅拌站，约90min内，混凝土坍落度、扩展度较为稳定，无明显变化，能满足自密实混凝土施工的各项技术指标要求，90min后混凝土扩展度开始损失，110min后损失速度加快，到130min后扩展度损失达到100mm，会对混凝土浇筑会产生一定的影响。（见图2）
图2 自密实混凝土坍落度、扩展度随时间变化曲线图
4.1.2 坍落度、扩展度卡控
（1）混凝土坍落度必须做到每车必测。拌合站驻场试验员负责对出厂前的混凝土坍落度扩展度进行测试，现场技术员在混凝土抵达浇筑现场入泵前对每车混凝土进行坍落度扩展度试验，检查各指标是否符合施工要求，并做好坍落度测试记录；同时对出厂和入泵前的坍落度扩展度数据进行统计对比，得到动态的指标损失量，用于自密实混凝土不断的调整和改进。
（2）根据CECS203-2006《自密实混凝土应用技术规程》相关要求及项目部进行的混凝土坍落度扩展度损失试验，规定本工程自密实混凝土自出场至浇筑完毕的最长时间限制在90min。
为实现出场90min内卸料完毕的要求，在混凝土调度时必须综合考虑施工部位的浇筑难易程度、施工队伍的技术水平、混凝土的状态、拌合站的供应情况、市政交通情况、天气情况等多方面条件。专门设置二衬施工管理小组，安排有经验的调度人员统一协调，对混凝土运输车载重方量、每车发车时间和行车路线进行针对性的调度安排。
4.2 混凝土抗离析性及填充性控制
自密实混凝土具有较大的抗离析性，可采用V型漏斗通过时间进行检测。一级自密实混凝土要求V型漏斗通过时间应为10-25s；采用U型箱试验进行填充性检测，一级自密实混凝土U型箱试验填充高度应为320mm以上（格栅型障碍1型）。
在每车混凝土浇筑前由试验人员进行V型漏斗试验和U型箱试验，试验结果不合格的混凝土可采取经试验确认的可靠方法进行调整，并形成试验记录。
5. 自密实混凝土的质量控制
5.1 原材料质量控制
原材料质量的不均匀，必然会引起混凝土质量的波动，细骨料的含泥量过大、粗骨料粒径过大对混凝土质量的影响极大。安排试验人员驻拌合站进行质量检查，每日检查混凝土各种组成材料的质量，水泥和外加剂在使用之前必须经过检验，并定期到砂石料供应厂家进行检查，严禁材料相互混合及混入泥土等杂质。原材料主要检测项目、频次和控制标准见下表。
表2 原材料主要检测项目、频次和控制标准
5.2 混凝土配合比控制
生产过程中，对混凝土配合比进行及时调整。经常测定骨料的含水率和混凝土拌合物的出机坍落度，了解运输过程中混凝土拌合物坍落度的损失，在保证水灰比不变的条件下，调整用水量、砂率和外加剂的掺加量，以保证混凝土的强度，
5.3 混凝土生产、运输控制
（1）相比于普通混凝土，自密实混凝土的拌合对原材料要求更高，拌合站设置专门的自密实混凝土砂石料仓，并设置自密实混凝土专用机组，避免普通混凝土的材料混入或混凝土拌合不符合要求，确保混凝土生产达标。
（2）拌合站驻站试验人员加强对搅拌过程的控制，严格按照投料顺序和投料时间投入原材料，生产过程中测定骨料的含水率，每一个工作班不少于2次，当含水率有显著变化时，增加测定次数，并依据检测结果及时调整用水量和骨料用量，不得随意改变配合比。
（3）混凝土配合比使用过程中，根据气候的变化、原材料的变化、混凝土质量的动态信息及时进行调整。
5.4 混凝土浇筑、养护控制
（1）衬砌全部采用泵送预拌混凝土，为保证混凝土泵送的连续性，泵送距离原则上不超过100米，根据现场实际情况，混凝土输送泵可以放置于地面或竖井井底，混凝土通过φ300钢管送入施工井井底的混凝土输送泵，混凝土输送泵在洞内用φ150泵管直接泵送入模。
（2）浇筑的混凝土应填充到钢筋、预埋件周围及模板内各角落，为防止浇筑不均匀及表面气泡，安排专人对模板进辅助敲打，使混凝土更加密实。
（3）自密实混凝土的泵送和浇筑保持连续性，当因停泵时间过长，混凝土不能达到要求的工作性时，及时清除泵和泵管中的混凝土，重新浇筑。
（4）混凝土分层浇筑，两侧对称下料，均衡上升，浇筑过程中，分层浇筑振捣厚度不得大于30cm，第一层浇筑到一定距离后，返回浇筑第二层，且第二层混凝土控制在第一层混凝土初凝前浇筑，依次向前浇筑各层。
（5）制定养护方案，派专人负责养护工作。混凝土浇筑完毕及时进行养护，安排专人不间断的进行洒水、喷雾，使隧洞内保持必要的湿度、温度，保证水泥水化正常进行，防止发生干缩裂缝。养护时间不少于14d。
6. 自密实混凝土的质量评定
拆模后对混凝土结构表面进行检查，发现混凝土表面光滑平整，未出现蜂窝、麻面、漏石、露筋现象；采用回弹法对现浇混凝土抗压强度进行现场检测，强度均能达到设计要求；进行钢筋保护层厚度检测，检测结果符合规范要求；用取芯机随机抽样检查，未发现混凝土结构内部有裂缝或不密实现象。
综上所述本工程小断面隧道自密实混凝土的施工质量能达到规范和设计要求，和以往普通混凝土施工的电力隧道相比，混凝土强度和普通混凝土差别不大，而结构表观质量、混凝土密实程度均较普通混凝土有了较大幅度的提升。
7. 结语
自密实混凝土在石家庄地铁1号线小断面隧道混凝土的应用，体现了良好的优越性，取得了令人满意的的效果。自密实混凝土具有普通混凝土无法比拟的优良性能，具有显著的经济效益、社会效益和生态效益。作为一种有前景的高性能混凝土，应在小断面隧道施工中广泛推广使用。
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论文作者:代彪
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第29期
论文发表时间:2018/3/9
标签：混凝土论文; 密实论文; 断面论文; 隧道论文; 钢筋论文; 骨料论文; 厚度论文; 《建筑学研究前沿》2017年第29期论文;