南京地铁某工程盾构隧道预制砼管片配合比设计计算

南京地铁某工程盾构隧道预制砼管片配合比设计计算摘要：本文以南京地铁某工程区间隧道为例，将所采用的盾构预制砼管片设计标准、设计要求、使用环境、防水等级等进行综合考虑，按照砼配合比设计标准进行了详细的设计和检算，并通过试验室试配情况和生产预制出来后的管片实际情况进行检验检测，均满足实际施工及使用的需要，希望以此能为类似工程项目提供一些参考。关键词：地铁盾构隧道预制砼管片配合比设计技术一、工程情况简介南京地铁某工程项目区间单线延长米2044.935m，覆土厚度11m~19m，采用盾构法施工，由盾构机选型可知，盾构机采用加泥式土压平衡盾构机。隧道采用单圆断面型式，错缝拼装预制钢筋混凝土管片衬砌。盾构隧道管片采用错缝拼装，全环由6块组成，即3块标准块（A型），2块邻接块（B型）和1块封顶块（K型）；管片外径6200mm，内径5500mm，厚350mm，环宽1.2m。为拟合曲线，管片设计有标准环、左转弯环和右转弯环三种类型，转弯环管片楔形量为37.2mm。另外，联络通道处设置钢管片和特殊衬砌环进行过渡；管片间采用弯曲螺栓连接，在管片环面外侧设有弹性密封垫槽，内侧设嵌缝槽。环缝和纵缝均采用环向螺栓连接；管片强度等级为C50，防水等级为P10；盾构隧道的防水等级为二级标准，以管片混凝土自身防水，管片接缝防水，隧道与其它结构接头防水为重点，盾构隧道管片采用弹性密封垫和嵌缝两道防水并结合管片背后注浆的方式对隧道进行防水。根据以上情况，我们进行了砼配合比的设计和计算，并按照其防水性能指标分P10、P12两种规格进行了试配。二、设计依据：1.《普通混凝土配合比设计规程》JGJ55-20002.《混凝土结构工程施工质量验收规范》GB50204-20023.《混凝土强度检验评定标准》GB/T50107-2010三、配合比设计技术条件1.使用部位：盾构管片2.拌合方法：机械搅拌3.要求坍落度：40-60mm4.设计强度等级：C505.抗渗等级：P106.标准差：6.0Mpa7.试配强度：59.9MPa8.外加剂掺量：0.6%9.粉煤灰掺量：5%10．矿渣微粉掺量：5%四、使用原材料情况1.水泥：江南小野田P.II52.5级水泥2.砂：江西赣江中粗砂，细度模数2.63.碎石：石灰岩，5-25mm碎石（句容峰家山)4.粉煤灰：I级粉煤灰(南京苏力电力粉煤灰有限公司)5.矿渣微粉：S95级矿粉(南钢嘉华）6.外加剂：20HE聚羧酸外加剂(西卡)7.拌合用水：饮用自来水五、原材料检测结果1、砂：砂表观密度：2600Kg/m3、砂堆积密度：1540Kg/m3、空隙率41%；砂含泥量1.4%、砂泥块含量0.5；砂细度模数2.6；2、碎石：碎石表观密度：2800Kg/m3、石子堆积密度：1540Kg/m3、空隙率45%；碎石压碎值7.8%；碎石针片状4%；碎石筛分合格；3、矿粉：矿粉表观相对密度：2897Kg/m3；矿粉含水率：0.1%；4、粉煤灰：粉煤灰表观相对密度：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；比表面积3770cm2/g；标准稠度用水量27.6%；凝结时间：初凝130min终凝205min3天抗折强度6.1MPa；28天抗折强度9.3MPa；3天抗压强度33.3MPa；28天抗压强度57.9MPa；六、P10混凝土配合比设计：1.混凝土配制强度fcu,o:fcu,o=fcu,k+1.645σ=50+1.645*6=59.9MPa其中fcu,o----------混凝土配制强度（MPa）fcu,k----------混凝土立方体抗压强度标准值（MPa）σ----------混凝土强度标准差（MPa）2.C50混凝土水胶比计算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————————回归系数，分别取0.46、0.07fce,g————————水泥强度等级值（MPa）因管片混凝土属于塑性混凝土，要求的坍落度较小，根据要求经试配调整水胶比定为0.3253.单方混凝土的用水量根据外加剂的减水率及混凝土坍落度要求，试配调整（混凝土目标坍落度为4-6cm）确定单方混凝土的总用水量为mwo=136.5kg，外加剂的含固量20.3%，4.单方混凝土的胶凝材料用量mco=mwo/(W/C)=136.5/0.325=420（kg）5.单方混凝土粉煤灰用量：粉煤灰掺量为胶凝材料总量的5%，且等量取代水泥mFA=420*5%=21.0（kg）6.单方混凝土S95级矿渣微粉用量：矿渣微粉掺量为胶凝材料总量的5%，且等量取代水泥mS95=420*5%=21.0（kg）7.单方混凝土水泥用量：mC=mco-mFA-mS95=420-21.0-21.0=378（kg）8.单方混凝土外加剂用量：外加剂掺量为总胶凝材料用量0.6%，则单方混凝土外加剂用量为mAD=420*0.6%=2.52（kg）9.根据经验确定混凝土砂率βS为38%（体积砂率）10.采用体积法确定粗细骨料用量（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———粗骨料的表观密度（kg/m3），取2800kg/m3ρs———细骨料的表观密度（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———矿渣微粉的密度（kg/m3），取2897kg/m3а——混凝土的含气量百分数，外加剂为非引气型，故а取为1ms=718kg,mg=1172kg单方混凝土的总用水量为mwo=136.5kg，外加剂的含固量为20.3%，则单方混凝土的净用水量为m=136.5-2.52*0.797=135KgC50混凝土配合比如下：单位（Kg）/m³，塌落度：50㎜11、混凝土凝结时间：初凝3.5h终凝5.0h12、混凝土拌合物表观密度：2490Kg/m313、混凝土泌水率：无泌水14、混凝土力学性试验：抗压强度：9个小时脱模强度：24.6MPa；24小时脱模：38.7MPa；R7=60.9MPa；R28=66.4MPa抗渗满足P10要求。七、P12混凝土配合比设计：1.混凝土配制强度fcu,o:fcu,o=fcu,k+1.645σ=50+1.645*6=59.9MPa其中fcu,o----------混凝土配制强度（MPa）fcu,k----------混凝土立方体抗压强度标准值（MPa）σ----------混凝土强度标准差（MPa）2.C50混凝土水胶比计算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——————回归系数，分别取0.46、0.07fce,g————————水泥强度等级值（MPa）因管片混凝土属于塑性混凝土，要求的坍落度较小，根据要求经试配调整水胶比定为0.313.单方混凝土的用水量根据外加剂的减水率及混凝土坍落度要求，试配调整（混凝土目标坍落度为4-6cm）确定单方混凝土的总用水量为mwo=140kg，外加剂的含固量20.3%，4.单方混凝土的胶凝材料用量mco=mwo/(W/C)=140/0.31=450（kg）5.单方混凝土粉煤灰用量：粉煤灰掺量为胶凝材料总量的10%，且等量取代水泥mFA=450*10%=45.0（kg）6.单方混凝土S95级矿渣微粉用量：矿渣微粉掺量为胶凝材料总量的5%，且等量取代水泥mS95=450*5%=22.5（kg）7.单方混凝土水泥用量：mC=mco-mFA-mS95=450-45.0-22.5=382.5（kg）8.单方混凝土外加剂用量：外加剂掺量为总胶凝材料用量0.6%，则单方混凝土外加剂用量为mAD=450*0.6%=2.7（kg）9.根据经验确定混凝土砂率βS为38%（体积砂率）10.采用体积法确定粗细骨料用量（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———粗骨料的表观密度（kg/m3），取2800kg/m3ρs———细骨料的表观密度（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———矿渣微粉的密度（kg/m3），取2897kg/m3а——混凝土的含气量百分数，外加剂为非引气型，故а取为1ms=724kg,mg=1181kg单方混凝土的总用水量为mwo=140kg，外加剂的含固量为20.3%，则单方混凝土的净用水量为m=140-2.7*0.797=138KgC50混凝土配合比如下：单位（Kg）/m³11、混凝土凝结时间：初凝2.5h终凝4.5h12、混凝土拌合物表观密度：2500Kg/m313、混凝土泌水率：无泌水14、试件成型情况：抗压试件：3d,7d，28d各1组，抗渗试件2组15混凝土力学性能试验抗压强度：R3=52.2MPa；R7=68.1MPa；R28=74.3MPa；抗渗试件满足P12要求。八、结束语根据本工程盾构区间地质特点，盾构机需适应粉质粘土、混合卵石土、强风化岩、局部中风化坚硬岩层，地质土层变化大、软硬交错，对盾构管片砼的综合性能要求很高，为此，我们专门对盾构预制砼管片配合比进行了设计和计算，通过试验室试配以及现场实际施工检验情况，预制砼管片外