李文俊

(中铁隧道集团有限公司技术中心，河南 洛阳 471009)

0 引言

挤压混凝土衬砌简称 ECL，是英文 Extruded Concrete Lining的缩写，即加压灌注混凝土衬砌［1］。该工法需要输送混凝土的机械和专门的开挖设备，如图1所示。

该工法已在欧洲和日本得到了广泛应用，并积累了成熟的施工经验。前苏联在1965年开始用于建涅格宁河总水管，随后又用于莫斯科、第比利斯、明斯克、高尔基和古比雪夫的地铁隧道;大约在1980年前，欧洲只是产生了挤压混凝土的理念，但未得到推广，后来才实现了用挤压混凝土衬砌替换管片衬砌系统;1981年，东京都下水道本田干线盾构工程首次采用ECL施工工法;1987年，日本采用此技术完成了枥木县小山市公用道路下内径为1 200 mm的隧洞工程。而后挤压混凝土衬砌施工进入了快速发展阶段。

图1 挤压混凝土衬砌盾构主要结构Fig.1 Main structure of shield with extruded concrete lining

宋克志等［1］对ECL技术在我国应用的可行性进行了研究，认为该技术在国内具有广阔的应用前景;顾国明等［2］系统地介绍了ECL工法的原理特点及基本施工方法，认为该工法具有一般盾构管片无法比拟的优点;朱敏等［3］结合挤压混凝土工法的开发过程与现状，重点分析了挤压混凝土衬砌的特点及常用盾构管片的优缺点，并列出挤压混凝土工法当前存在的问题和技术难题，认为ECL工法为当前隧道界最先进的工法之一，在我国的应用前景十分广阔。但现阶段我国对该技术研究还相对较少，挤压混凝土盾构技术和衬砌技术尚属空白。因此，需尽快引进和掌握运用挤压混凝土工法施工和衬砌技术，以填补盾构技术领域的空白。

与传统的盾构隧道管片工法相比:该工法具有对地表影响小，衬砌整体性好，无防水维修费，施工场地周边和沿线的建筑物受损小等特点。但要实现挤压混凝土衬砌施工，难点在于解决混凝土长时间高保坍(2～3 h，坍落度200 mm以上)与较高早期强度(1 d， 10 MPa以上)之间的矛盾关系，同时要求混凝土在此过程中不离析、不泌水。

本文主要从满足挤压混凝土各项性能的混凝土配合比设计及挤压压力控制方面进行研究，以期为国内挤压混凝土衬砌应用提供技术支持。

1 挤压混凝土配合比设计

1.1 挤压混凝土性能指标

1)高流动性:能有效填充盾构掘进形成的空隙; 2)高缓凝性:盾构掘进过程中不硬化;3)早强性:模板能有效循环利用，具有施工经济性;4)泵送性:通过泵送将混凝土输送到掘进形成的空腔;5)抗离析性:施工过程中不离析。

参考表1国外挤压混凝土性能指标，同时为满足混凝土有效填充盾构掘进形成的空腔，以及挤压混凝土衬砌施工时模具的高效循环利用等要求，本文提出试验时挤压混凝土的性能指标，如表2所示。

表1 国外挤压混凝土性能指标实例［4］Table 1 Performance indexes of extruded concrete in foreign countries

表2 本文提出的挤压混凝土性能指标Table 2 Performance indexes of extruded concrete proposed in the paper

1.2 原材料

考虑到研究成果的适用性，选择了不同厂家、不同强度等级的普通硅酸盐水泥，并对其进行初终凝时间、体积安定性及各龄期强度等相关试验，同时对不同品牌的水泥细度、颗粒级配、碱含量及主要成分C3A含量等进行分析，测定各水泥初始坍落度、保坍时间及其各龄期强度，最终选择水泥比表面积在330～350 m2/kg，碱含量小于0.6%，C3A含量小于8%的P·O42.5普通硅酸盐水泥。细骨料含泥量要求小于0.6%，通过测定不同掺量粉煤灰保坍时间及各龄期强度，最终确定粉煤灰掺量为20%。

通过测定不同外加剂的减水效率、保坍性能及各龄期强度指标，最终选择常用的FAC聚羧酸高效减水剂，要求其减水效率在30%左右，掺量为1.0%～1.8%。

1.3 挤压混凝土配合比优化设计

依据混凝土性能指标，参考JGJ 55—2000《普通混凝土配合比设计规程》，计算出挤压混凝土基准配合比(质量比)，即W∶C∶S∶G=240∶387∶592∶1 138。

采用正交试验方法对影响混凝土性能的各因素进行优化，通过正交试验极差分析，得出影响混凝土坍落度保持时间的主要因素及各因素的最优组合方式［6－9］。

坍落度保持时间极差分析。由坍落度极差计算结果(见表3)可知，影响坍落度保持时间的因素顺序为: A(水胶比)＞C(砂率)＞B(粉煤灰掺量)＞D(外加剂掺量)。

其中:A，C，B是主要影响因素，D为次要影响因素。影响坍落度保持时间的最优组合为:A1B3C3。

由图2可知，当水胶比为0.42、粉煤灰掺量为20%(胶凝材料质量)、砂率为38%、聚羧酸类高效减水剂掺量为1.5%(胶凝材料质量)时，坍落度保持为最优组合。

表3 L16(45)坍落度保持时间极差计算表Table 3 Range analyzing results of slump keep time of L16(45)

为了验证原试验结果的准确性及可靠性，沿位级趋势探寻的方案是否预测的有效、准确，进而补充验证试验，如表4所示。

对于表3中坍落度保持最高的3组(1#，5#和10#)进行重复试验，编号分别为17#，18#和19#。从趋势图上推断的最优条件为一个试验组，编号为20#。

补充试验结果表明:正交试验中的1#，5#和10#的试验结果具有可重复性。

试验组20#与17#相比，砂率较大，相应的水泥用量较小，从新鲜混凝土拌合物形态看，水泥砂浆能够更好地包裹粗骨料，和易性好;相比19#，20#粉煤灰掺量较大，同样可减少水泥用量。18#由于混凝土泌水较为严重，且外加剂掺量相对较高，尽管其坍落度保持时间较长，但综合考虑混凝土1d和28 d最终强度及施工经济性，优先选用20#配合比。

2 挤压混凝土挤压压力控制研究

对于挤压混凝土衬砌系统，通过挤压压力控制就能够使混凝土获得较高的早期强度，挤压压力控制是挤压混凝土衬砌施工过程中的关键工艺，包括挤压压力大小控制和保压时间控制2部分。通过对混凝土挤压脱水，排除混凝土中多余水分，使其获得较高的密实性，有利于提高混凝土衬砌早期强度。混凝土挤压脱水如图3所示。

图2 因素位级趋势图Fig.2 Trends of factors

表4 补充的试验内容Table 4 Supplementary testing results

图3 混凝土挤压脱水示意图Fig.3 Dehydration of concrete under extrusion

通过对挤压压力控制的研究，得出满足挤压混凝土衬砌施工的最佳挤压压力和保压时间，使挤压混凝土在满足施工所要求的大坍落度、高保坍时间的前提下，也能满足混凝土衬砌所需的早期及最终强度要求。

为尽可能模拟挤压混凝土盾构对混凝土的挤压脱水过程，设计制造了使用于挤压混凝土脱水的专用试验设备。试验采用厚15 mm，尺寸为150 mm×150 mm× 150 mm的钢模，并在钢模相邻两侧面随机位置各打4个直径为0.5 cm的脱水孔，万能试验机通过嵌入模具上部的挤压传力装置施加压力，对混凝土进行挤压脱水，如图4和图5所示。

按照最终得出的混凝土最优配合比配置混凝土，进行挤压压力在0.2～0.4 MPa，保压时间分别为10，20，30 min的压力控制试验。

2.1 0.2 MPa挤压压力控制试验

在挤压压力控制试验中，压力为0.2 MPa，分别进行时间为10，20，30 min的保压试验，不同保压时间的试验数据如表5所示。同时测定混凝土1 d和28 d时的强度，如图6和图7所示。

图4 混凝土挤压脱水Fig.4 Photo of dehydration of concrete under extrusion

图5 从脱水孔中排出的水Fig.5 Water extruded from dehydration holes

图6 0.2 MPa，不同保压时间下混凝土1 d强度Fig.6 1-day strength of concrete under 0.2 MPa extrusion pressure and different pressure keeping time

表5 挤压压力0.2 MPa，不同保压时间的试验数据Table 5 Data of tests made under 0.2 MPa extrusion pressure and different pressure keeping time

图7 0.2 MPa，不同保压时间下混凝土28 d强度Fig.7 28-day strength of concrete under 0.2 MPa extrusion pressure and different pressure keeping time

由于挤压后混凝土试件尺寸变为非标准尺寸，为精确地计算挤压后试件抗压强度，故需对挤压后试件尺寸进行测量。图8为对挤压后试件尺寸的测量，图9为破坏的混凝土形态。

图8 挤压后试件尺寸测量Fig.8 Specimen dimension measuring after extrusion

图9 破坏的混凝土形态Fig.9 Damaged concrete

2.2 其他挤压压力控制试验

采用同样的配合比，分别进行压力为0.3 MPa和0.4 MPa，保压为10，20，30 min的挤压控制试验。将试验结果绘制成折线图，如图10和图11所示。

通过挤压混凝土压力控制研究可知，随着挤压压力及保压时间的提高，混凝土可获得较高的早期(1 d)强度。但是，后期强度(28 d)随着挤压压力的增高、保压时间的延长，部分强度出现减低。

图10 不同压力及保压下，混凝土1 d强度Fig.10 1-day strength of concrete under different extrusion pressure and different pressure keeping time

图11 不同压力及保压下，混凝土28 d强度Fig.11 28-day strength of concrete under different extrusion pressure and different pressure keeping time

综上试验表明:挤压压力控制在0.3 MPa，保压时间为30 min，混凝土在满足衬砌早期(1 d)强度的同时，也可获得较高的后期(28 d)强度。

因此，通过试验研究得出，为使挤压混凝土衬砌获得较高的早期强度和后期强度，挤压压力宜控制在0.3 MPa，保压时间宜控制为30 min。

3 结论与讨论

3.1 结论

1)通过研究得出能够满足挤压混凝土施工各项性能指标的混凝土配合比为W∶C∶F∶M砂∶M石∶M外= 180∶343∶86∶673∶1 098∶6.4。采用该配合比的混凝土200 mm以上坍落度可保持150 min以上。

2)通过挤压压力控制试验研究，得出挤压压力大小宜控制在0.3 MPa，保压时间控制在30 min。在此条件下，混凝土在经过挤压脱水试验后，1 d强度可达10 MPa以上，28 d强度可达45 MPa以上，能够满足挤压混凝土衬砌施工要求。

3.2 讨论

1)适用于挤压混凝土水泥的选择较为关键，本文在原材料选择时，水泥的品种较少，选择的广度不够。现场试验及推广时，对水泥的要求严格，若水泥选择不当，容易造成挤压混凝土各项性能指标达不到预定要求，推广应用会受到一定的影响。

2)适用于挤压混凝土外加剂的选择也比较重要，尤其是其与水泥的适应性。本文在试验过程中缺少对挤压混凝土所适应的外加剂进行研究，且外加剂厂家单一，没有相关的替代品，实际推广应用时容易受外加剂质量(稳定性)的影响，也容易受制于外加剂厂家。同时对挤压混凝土的耐久性问题研究不够深入，可能导致现场及推广应用受限。

3)为了推广挤压混凝土衬砌施工技术，已跟中铁装备制造公司联合研制挤压混凝土盾构，在该样机制造出后，将利用该平台进行现场试验，并根据试验结果对室内试验成果进一步优化。

［1］ 宋克志，王梦恕.ECL技术在我国应用的可行性研究［J］.建井技术，2004，25(5):31－35.

［2］ 顾国明，陆运.隧道施工中的挤压混凝土衬砌法［J］.铁道建筑技术，2005(5):28－32.

［3］ 朱敏，牟瀚林.挤压混凝土衬砌综述［J］.隧道建设，2007，27(4):30－32，51.(ZHU Min，MU Hanlin.Comments on ECL(Extruded Concrete Lining)［J］.Tunnel Construction，2007，27(4):30－32，51.(in Chinese))

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［5］ 土木学会.隧道标准规范 (盾构篇)及解说 (2006年制定) ［M］.朱伟，译.北京:中国建筑工业出版社，2011.

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