南京地鐵某工程盾構隧道預制砼管片配合比設計計算

南京地鐵某工程盾構隧道預制砼管片配合比設計計算摘要：本文以南京地鐵某工程區(qū)間隧道為例，將所采用的盾構預制砼管片設計標準、設計要求、使用環(huán)境、防水等級等進行綜合考慮，按照砼配合比設計標準進行了詳細的設計和檢算，并通過試驗室試配情況和生產(chǎn)預制出來后的管片實際情況進行檢驗檢測，均滿足實際施工及使用的需要，希望以此能為類似工程項目提供一些參考。關鍵詞：地鐵盾構隧道預制砼管片配合比設計技術一、工程情況簡介南京地鐵某工程項目區(qū)間單線延長米2044.935m，覆土厚度11m~19m，采用盾構法施工，由盾構機選型可知，盾構機采用加泥式土壓平衡盾構機。隧道采用單圓斷面型式，錯縫拼裝預制鋼筋混凝土管片襯砌。盾構隧道管片采用錯縫拼裝，全環(huán)由6塊組成，即3塊標準塊（A型），2塊鄰接塊（B型）和1塊封頂塊（K型）；管片外徑6200mm，內(nèi)徑5500mm，厚350mm，環(huán)寬1.2m。為擬合曲線，管片設計有標準環(huán)、左轉(zhuǎn)彎環(huán)和右轉(zhuǎn)彎環(huán)三種類型，轉(zhuǎn)彎環(huán)管片楔形量為37.2mm。另外，聯(lián)絡通道處設置鋼管片和特殊襯砌環(huán)進行過渡；管片間采用彎曲螺栓連接，在管片環(huán)面外側設有彈性密封墊槽，內(nèi)側設嵌縫槽。環(huán)縫和縱縫均采用環(huán)向螺栓連接；管片強度等級為C50，防水等級為P10；盾構隧道的防水等級為二級標準，以管片混凝土自身防水，管片接縫防水，隧道與其它結構接頭防水為重點，盾構隧道管片采用彈性密封墊和嵌縫兩道防水并結合管片背后注漿的方式對隧道進行防水。根據(jù)以上情況，我們進行了砼配合比的設計和計算，并按照其防水性能指標分P10、P12兩種規(guī)格進行了試配。二、設計依據(jù)：1.《普通混凝土配合比設計規(guī)程》JGJ55-20002.《混凝土結構工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》GB50204-20023.《混凝土強度檢驗評定標準》GB/T50107-2010三、配合比設計技術條件1.使用部位：盾構管片2.拌合方法：機械攪拌3.要求坍落度：40-60mm4.設計強度等級：C505.抗?jié)B等級：P106.標準差：6.0Mpa7.試配強度：59.9MPa8.外加劑摻量：0.6%9.粉煤灰摻量：5%10．礦渣微粉摻量：5%四、使用原材料情況1.水泥：江南小野田P.II52.5級水泥2.砂：江西贛江中粗砂，細度模數(shù)2.63.碎石：石灰?guī)r，5-25mm碎石（句容峰家山)4.粉煤灰：I級粉煤灰(南京蘇力電力粉煤灰有限公司)5.礦渣微粉：S95級礦粉(南鋼嘉華）6.外加劑：20HE聚羧酸外加劑(西卡)7.拌合用水：飲用自來水五、原材料檢測結果1、砂：砂表觀密度：2600Kg/m3、砂堆積密度：1540Kg/m3、空隙率41%；砂含泥量1.4%、砂泥塊含量0.5；砂細度模數(shù)2.6；2、碎石：碎石表觀密度：2800Kg/m3、石子堆積密度：1540Kg/m3、空隙率45%；碎石壓碎值7.8%；碎石針片狀4%；碎石篩分合格；3、礦粉：礦粉表觀相對密度：2897Kg/m3；礦粉含水率：0.1%；4、粉煤灰：粉煤灰表觀相對密度：2200Kg/m3；粉煤灰含水率0.2%；5、水泥：水泥密度3039Kg/m3；水泥安定性合格；比表面積3770cm2/g；標準稠度用水量27.6%；凝結時間：初凝130min終凝205min3天抗折強度6.1MPa；28天抗折強度9.3MPa；3天抗壓強度33.3MPa；28天抗壓強度57.9MPa；六、P10混凝土配合比設計：1.混凝土配制強度fcu,o:fcu,o=fcu,k+1.645σ=50+1.645*6=59.9MPa其中fcu,o----------混凝土配制強度（MPa）fcu,k----------混凝土立方體抗壓強度標準值（MPa）σ----------混凝土強度標準差（MPa）2.C50混凝土水膠比計算W/C=аa*fce,g(fcu,o+аaаbfce,g)=0.46*52.5/(59.9+0.46*0.07*52.5)=24.15/61.59=0.392式中аa，аb————————回歸系數(shù)，分別取0.46、0.07fce,g————————水泥強度等級值（MPa）因管片混凝土屬于塑性混凝土，要求的坍落度較小，根據(jù)要求經(jīng)試配調(diào)整水膠比定為0.3253.單方混凝土的用水量根據(jù)外加劑的減水率及混凝土坍落度要求，試配調(diào)整（混凝土目標坍落度為4-6cm）確定單方混凝土的總用水量為mwo=136.5kg，外加劑的含固量20.3%，4.單方混凝土的膠凝材料用量mco=mwo/(W/C)=136.5/0.325=420（kg）5.單方混凝土粉煤灰用量：粉煤灰摻量為膠凝材料總量的5%，且等量取代水泥mFA=420*5%=21.0（kg）6.單方混凝土S95級礦渣微粉用量：礦渣微粉摻量為膠凝材料總量的5%，且等量取代水泥mS95=420*5%=21.0（kg）7.單方混凝土水泥用量：mC=mco-mFA-mS95=420-21.0-21.0=378（kg）8.單方混凝土外加劑用量：外加劑摻量為總膠凝材料用量0.6%，則單方混凝土外加劑用量為mAD=420*0.6%=2.52（kg）9.根據(jù)經(jīng)驗確定混凝土砂率βS為38%（體積砂率）10.采用體積法確定粗細骨料用量（ms,mg）mC/ρC+mg/ρg+ms/ρs+mw/ρw+mfa/ρfa+mS95/ρS95+0.01а=1βs=(ms/ρs)/(mg/ρg+ms/ρs)*100%=38%式中ρC——————水泥密度（kg/m3），取3039kg/m3ρg———粗骨料的表觀密度（kg/m3），取2800kg/m3ρs———細骨料的表觀密度（kg/m3），取2600kg/m3ρw———水的密度（kg/m3），取1000kg/m3ρfa———粉煤灰的密度（kg/m3），取2200kg/m3ρS95———礦渣微粉的密度（kg/m3），取2897kg/m3а——混凝土的含氣量百分數(shù)，外加劑為非引氣型，故а取為1ms=718kg,mg=1172kg單方混凝土的總用水量為mwo=136.5kg，外加劑的含固量為20.3%，則單方混凝土的凈用水量為m=136.5-2.52*0.797=135KgC50混凝土配合比如下：單位（Kg）/m³，塌落度：50㎜11、混凝土凝結時間：初凝3.5h終凝5.0h12、混凝土拌合物表觀密度：2490Kg/m313、混凝土泌水率：無泌水14、混凝土力學性試驗：抗壓強度：9個小時脫模強度：24.6MPa；24小時脫模：38.7MPa；R7=60.9MPa；R28=66.4MPa抗?jié)B滿足P10要求。七、P12混凝土配合比設計：1.混凝土配制強度fcu,o:fcu,o=fcu,k+1.645σ=50+1.645*6=59.9MPa其中fcu,o----------混凝土配制強度（MPa）fcu,k----------混凝土立方體抗壓強度標準值（MPa）σ----------混凝土強度標準差（MPa）2.C50混凝土水膠比計算W/C=аa*fce,g(fcu,o+аaаbfce,g)=0.46*52.5/(59.9+0.46*0.07*52.5)=24.15/61.59=0.392式中аa，аb——————回歸系數(shù)，分別取0.46、0.07fce,g————————水泥強度等級值（MPa）因管片混凝土屬于塑性混凝土，要求的坍落度較小，根據(jù)要求經(jīng)試配調(diào)整水膠比定為0.313.單方混凝土的用水量根據(jù)外加劑的減水率及混凝土坍落度要求，試配調(diào)整（混凝土目標坍落度為4-6cm）確定單方混凝土的總用水量為mwo=140kg，外加劑的含固量20.3%，4.單方混凝土的膠凝材料用量mco=mwo/(W/C)=140/0.31=450（kg）5.單方混凝土粉煤灰用量：粉煤灰摻量為膠凝材料總量的10%，且等量取代水泥mFA=450*10%=45.0（kg）6.單方混凝土S95級礦渣微粉用量：礦渣微粉摻量為膠凝材料總量的5%，且等量取代水泥mS95=450*5%=22.5（kg）7.單方混凝土水泥用量：mC=mco-mFA-mS95=450-45.0-22.5=382.5（kg）8.單方混凝土外加劑用量：外加劑摻量為總膠凝材料用量0.6%，則單方混凝土外加劑用量為mAD=450*0.6%=2.7（kg）9.根據(jù)經(jīng)驗確定混凝土砂率βS為38%（體積砂率）10.采用體積法確定粗細骨料用量（ms,mg）mC/ρC+mg/ρg+ms/ρs+mw/ρw+mfa/ρfa+mS95/ρS95+0.01а=1βs=(ms/ρs)/(mg/ρg+ms/ρs)*100%=38%式中ρC——————水泥密度（kg/m3），取3039kg/m3ρg———粗骨料的表觀密度（kg/m3），取2800kg/m3ρs———細骨料的表觀密度（kg/m3），取2600kg/m3ρw———水的密度（kg/m3），取1000kg/m3ρfa———粉煤灰的密度（kg/m3），取2200kg/m3ρS95———礦渣微粉的密度（kg/m3），取2897kg/m3а——混凝土的含氣量百分數(shù)，外加劑為非引氣型，故а取為1ms=724kg,mg=1181kg單方混凝土的總用水量為mwo=140kg，外加劑的含固量為20.3%，則單方混凝土的凈用水量為m=140-2.7*0.797=138KgC50混凝土配合比如下：單位（Kg）/m³11、混凝土凝結時間：初凝2.5h終凝4.5h12、混凝土拌合物表觀密度：2500Kg/m313、混凝土泌水率：無泌水14、試件成型情況：抗壓試件：3d,7d，28d各1組，抗?jié)B試件2組15混凝土力學性能試驗抗壓強度：R3=52.2MPa；R7=68.1MPa；R28=74.3MPa；抗?jié)B試件滿足P12要求。八、結束語根據(jù)本工程盾構區(qū)間地質(zhì)特點，盾構機需適應粉質(zhì)粘土、混合卵石土、強風化巖、局部中風化堅硬巖層，地質(zhì)土層變化大、軟硬交錯，對盾構管片砼的綜合性能要求很高，為此，我們專門對盾構預制砼管片配合比進行了設計和計算，通過試驗室試配以及現(xiàn)場實際施工檢驗情況，預制砼管片外