混雜纖維混凝土大直徑地鐵盾構(gòu)管片的前景分析

孔琳潔

(浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,浙江 杭州 311231)

1 概 述

地鐵作為城市快速軌道交通系統(tǒng)中的重要組成部分，由于其安全快捷、節(jié)約土地、少噪音、少污染、節(jié)約能源以及不受氣候條件的影響等特點(diǎn),已逐漸成為城市公共客運(yùn)交通網(wǎng)絡(luò)的主要力量。長(zhǎng)三角珠三角等地區(qū)人口稠密、商業(yè)網(wǎng)點(diǎn)密集、城市交通繁忙,地面交通壓力大,以廣州市、上海市為例,部分地鐵線路日均客運(yùn)量都超過(guò)了30萬(wàn)人次。隨著城市人口的發(fā)展,交通壓力不斷增加,大直徑地鐵隧道將成為城市地下軌道交通的必然趨勢(shì),未來(lái)大直徑隧道工程將越來(lái)越多,由此可知工程對(duì)于大直徑地鐵管片的需求也將迅猛增加。地鐵工程,百年大計(jì),由此開(kāi)展大直徑高性能地鐵盾構(gòu)管片的關(guān)鍵技術(shù)研究十分必要。

目前的盾構(gòu)管片主要以6 m口徑的普通鋼筋混凝土管片為主,通過(guò)實(shí)地考察和研究,發(fā)現(xiàn)一般1.2 m寬的A型鋼筋混凝土管片重量約為4 t,在管片的運(yùn)輸和安裝過(guò)程中出現(xiàn)大量開(kāi)裂甚至破損,開(kāi)裂和破損的管片無(wú)疑將嚴(yán)重影響隧道工程的安全性和耐久性。另一方面,對(duì)于地下工程而言,結(jié)構(gòu)物本身的碳化、外界侵蝕質(zhì)的腐蝕以及隧道中雜散電流的電化學(xué)腐蝕,使得盾構(gòu)管片必須具備優(yōu)秀的耐久性能。此外,隧道工程處于地下環(huán)境中,抗?jié)B性能、耐腐蝕性能、耐火性能等又是盾構(gòu)管片的重要指標(biāo)。而這些都是普通鋼筋混凝土管片較難克服的棘手問(wèn)題。

大直徑地鐵盾構(gòu)管片是近年來(lái)剛被重視和發(fā)展的新型復(fù)合管片,相較普通地鐵盾構(gòu)管片,具有更加優(yōu)良的物理性能。如果用纖維混凝土代替普通混凝土,大直徑地鐵盾構(gòu)管片的力學(xué)性能如抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、耐磨性能、耐沖擊性能、耐疲勞性能、韌性和抗裂性能將獲得更高的提升,在耐久性方面也有普通鋼筋混凝土管片無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì),其抗破損能力、抗?jié)B性、抗碳化性、抗侵蝕性介質(zhì)的腐蝕性及抗火性等將得到本質(zhì)性的改善。

2 普通鋼筋混凝土大直徑地鐵盾構(gòu)管片的缺陷

預(yù)制鋼筋混凝土管片是隧道工程的主要襯砌結(jié)構(gòu)。目前隧道工程的隧道直徑逐漸加大,由此,使得襯砌分塊也跟著逐漸加大,帶來(lái)的最直接問(wèn)題是管片在生產(chǎn)、運(yùn)輸和安裝過(guò)程中常出現(xiàn)大面積裂紋和破損,直接影響隧道工程成型后的質(zhì)量。從管片的破損規(guī)律分析,普通鋼筋混凝土管片的裂縫主要有以下幾種形式：

2.1 管片外弧面裂縫

這種類(lèi)型的破壞往往出現(xiàn)在以下兩種情況：一種是在水下養(yǎng)護(hù)之后管片外弧面出現(xiàn)龜裂縫,它屬于表面微細(xì)裂縫；另一種是在蒸汽養(yǎng)護(hù)之后出現(xiàn)的淺表性裂縫,它屬于混凝土收縮裂縫。其中第一種裂縫在管片生產(chǎn)過(guò)程中是普遍存在的,同時(shí)也是盾構(gòu)管片最主要的裂縫形式,只在管片濕潤(rùn)的情況下才較容易看出；而第二種裂縫則是由于大直徑地鐵盾構(gòu)管片為大體積混凝土,水化過(guò)程中表面溫度不均而引起的。

2.2 管片側(cè)面裂縫

這種裂縫產(chǎn)生的主要原因是混凝土在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中干濕交替溫度變化而引起的碳化收縮,是一種碳化收縮裂縫。雖然,混凝土的碳化比一些水化產(chǎn)物如C-S-H凝膠的碳化,往往需要較長(zhǎng)時(shí)間,但是混凝土表面的碳化卻可以在較短時(shí)間甚至在幾個(gè)小時(shí)之內(nèi)就能完成,再加上干縮的疊加作用,當(dāng)表面混凝土的抗拉強(qiáng)度還不足以抵抗收縮所產(chǎn)生的拉應(yīng)力時(shí),就直接導(dǎo)致了混凝土的表面開(kāi)裂,從而產(chǎn)生微細(xì)裂縫[1]。

2.3 管片手孔部位裂縫

這種裂縫主要是混凝土在蒸汽養(yǎng)護(hù)之后出現(xiàn)的,裂縫的主要形態(tài)為八字形,較細(xì)且連續(xù)。一般情況下,手孔越大裂縫越明顯。其形成的主要原因是：一方面,混凝土在水化過(guò)程中產(chǎn)生了較大自收縮；另一方面,鋼模受熱膨脹產(chǎn)生較大的溫度集中應(yīng)力,兩者疊加產(chǎn)生45°方向的表面收縮裂縫。

研究可得,普通鋼筋混凝土大直徑地鐵盾構(gòu)管片的裂縫以塑性收縮裂縫為主。裂縫產(chǎn)生的主要原因是由于大直徑地鐵盾構(gòu)管片直徑大、體積大、厚度厚且為弧形,極易產(chǎn)生表面收縮裂縫。從裂縫產(chǎn)生機(jī)理看,主要原因是由于混凝土養(yǎng)護(hù)過(guò)程中的收縮應(yīng)力大于混凝土的抗拉強(qiáng)度。

除了以上在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的塑性收縮裂縫,由于普通鋼筋混凝土大直徑地鐵盾構(gòu)管片體積較大,質(zhì)量較重,在運(yùn)輸以及施工過(guò)程中也常常出現(xiàn)破損。其破壞形式主要有以下幾種：

1)管片崩角：它是指由于管片在轉(zhuǎn)運(yùn)和安裝過(guò)程中的不慎,以及盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制不當(dāng)引起的,盾體對(duì)管處的作用力不均導(dǎo)致的管片邊角破損。

2)管片錯(cuò)臺(tái)：它是指由于管片的環(huán)向及縱向接縫處兩塊管片之間不平整,盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)不良,管片選型不當(dāng),以及管片背后注漿不飽滿及安裝不慎所引起的破壞,一般不容易修復(fù),只能在掘進(jìn)過(guò)程中予以控制。

大直徑地鐵盾構(gòu)管片的裂縫和破壞都將使得地鐵襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生整體性破壞,繼而造成隧道滲漏和腐蝕,這對(duì)控制工程質(zhì)量安全是很大的挑戰(zhàn)。根據(jù)對(duì)多城市地鐵的調(diào)查,普通鋼筋混凝土管片的破損主要是因?yàn)闆_擊力和拉應(yīng)力過(guò)大引起的[2],見(jiàn)圖1。

圖1 普通鋼筋混凝土大直徑地鐵盾構(gòu)管片破損原因

除了裂縫和破損,普通鋼筋混凝土大直徑地鐵盾構(gòu)管片在耐火性能和耐腐蝕性能方面也不太理想。耐火性能是隧道工程的一項(xiàng)重要指標(biāo),普通鋼筋混凝土大直徑管片未考慮耐火因素,其隧道工程的耐火能力得不到保障,存在嚴(yán)重的火災(zāi)安全隱患。此外,地鐵工程由于其工程環(huán)境特殊,混凝土結(jié)構(gòu)遭受的侵蝕要比普通工程更加復(fù)雜和嚴(yán)酷。因?yàn)榈罔F工程往往處于地下水豐富、透水性強(qiáng)的地層中,而我國(guó)地下水特別是淺層地下水受污染比較嚴(yán)重,富含氯離子、硫酸根離子等侵蝕性介質(zhì),因此地鐵盾構(gòu)管片作為長(zhǎng)期處于地下水浸泡的結(jié)構(gòu),遭受著地下壓力水的溶蝕和酸性地下水的侵蝕[3]。

3 混雜纖維混凝土應(yīng)用于大直徑地鐵盾構(gòu)管片的意義

混雜纖維混凝土(HFRC)是一種具有優(yōu)良物理性能的新型復(fù)合建筑材料,與普通混凝土相比,其抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、耐磨性、耐沖擊性、耐腐蝕性、耐疲勞性、抗裂性、抗爆性等各方面性能都有顯著提高。特別是混雜纖維混凝土突出的阻裂作用和抗變形能力,能使構(gòu)件在相同的荷載作用下裂縫寬度大大減小,從而極大地彌補(bǔ)了普通鋼筋混凝土的不足。同時(shí)混雜纖維混凝土具有較好的耐火性能,可有效地解決特殊工程比如隧道工程的耐火問(wèn)題；再者混雜纖維混凝土優(yōu)秀的耐腐蝕性能,又完全適合地下工程嚴(yán)峻的受腐蝕環(huán)境[4]。

考慮到普通鋼筋混凝土大直徑地鐵盾構(gòu)管片存在的諸多缺陷,采用混雜纖維混凝土代替普通混凝土無(wú)疑是提高隧道工程的安全性和耐久性的有效途徑。利用彈性模量高的鋼纖維與彈性模量低的聚丙烯纖維混合,可以取代普通管片中的部分或全部鋼筋,這也使得混雜纖維大直徑地鐵盾構(gòu)管片具有極大的經(jīng)濟(jì)效益?；祀s纖維混凝土大直徑地鐵盾構(gòu)管片主要的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)有：

1)在抗拉、抗折和抗剪強(qiáng)度方面,具有更好的力學(xué)性能；

2)可有效減少管片生產(chǎn)過(guò)程中的塑性收縮裂縫；

3)改善了管片在運(yùn)輸和堆放過(guò)程中所需要的抗損壞性能；

4)改善大直徑盾構(gòu)管片的耐腐蝕性能；

5)有效改善大直徑地鐵盾構(gòu)管的耐火性能,從而保障地鐵工程的抗火性能；

6)節(jié)約生產(chǎn)成本,部分甚至全部取代鋼筋無(wú)疑在很大程度上減少了管片的成本；

7)降低鋼模具的損耗,通過(guò)部分或者徹底避免使用鋼筋籠,提高了管片的工業(yè)化生產(chǎn)速度,產(chǎn)量可提高一倍以上；

8)節(jié)約后期維護(hù)費(fèi)用,優(yōu)良的性能,極大程度降低工程使用過(guò)程中的管片的破損。

總之,混雜纖維混凝土性能優(yōu)異,能夠較為全面地彌補(bǔ)普通鋼筋混凝土大直徑地鐵盾構(gòu)管片的不足之處。

4 混雜纖維用于地鐵盾構(gòu)管片的研究現(xiàn)狀

隨著各方學(xué)者對(duì)纖維混凝土研究的深入,和多年來(lái)對(duì)纖維混凝土材料應(yīng)用過(guò)程中的成果積累,以及在工程實(shí)際中普通鋼筋混凝土暴露出來(lái)的各種弊端,纖維混凝土取代普通鋼筋混凝土應(yīng)用于重要工程,已經(jīng)成為必然趨勢(shì)。雖然,在國(guó)內(nèi)的隧道工程中,纖維混凝土的應(yīng)用還處于試驗(yàn)研究階段。但在很多歐美國(guó)家,纖維混凝土應(yīng)用于隧道工程已經(jīng)相當(dāng)廣泛,尤其是在歐洲各國(guó),纖維混凝土地鐵盾構(gòu)管片技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。

4.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

隨著普通鋼筋混凝土盾構(gòu)管片缺陷的不斷暴露,很多西方國(guó)家開(kāi)始著手研究纖維混凝土在地鐵盾構(gòu)管片中的應(yīng)用,逐漸地,很多國(guó)家的隧道工程開(kāi)始應(yīng)用鋼纖維混凝土代替原有的普通鋼筋混凝土。特別是在歐洲國(guó)家,纖維混凝土管片的應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)趨于成熟。目前已在一些隧道工程中嘗試采用了混雜纖維混凝土預(yù)制管片的國(guó)外工程有：1997年,德國(guó)在埃森市地鐵北線第34工區(qū)采用纖維混凝土預(yù)制片建造100 m長(zhǎng)的試驗(yàn)線；1998年,荷蘭在公路隧道“Second Heinenooed Tunnel”中采用混雜纖維混凝土管片建造了長(zhǎng)度為16環(huán)的試驗(yàn)隧道；2000年,南美的厄瓜多爾在“Trasvases Manabi”輸水隧道工程中使用了混雜纖維混凝土預(yù)制管片,隧道長(zhǎng)11.4 km,直徑4 m[5]，見(jiàn)表1。

表1 國(guó)外纖維混凝土管片應(yīng)用的典型工程

4.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

在國(guó)內(nèi),相關(guān)的研究較少,晏浩等[6]在《鋼纖維混凝土在盾構(gòu)隧道襯砌管片中應(yīng)用的可行性研究》中提出：在盾構(gòu)隧道中,混雜纖維混凝土盾構(gòu)隧道襯砌管片與普通管片相比具有更好的工程技術(shù)效果和經(jīng)濟(jì)效益,是一項(xiàng)值得研究推廣的新技術(shù)。吳鳴泉[7]在《鋼纖維砼盾構(gòu)管片在地鐵隧道工程的應(yīng)用研究》中提出：作為一種新型盾構(gòu)管片,混雜纖維混凝土管片比普通鋼筋混凝土管片具有更加優(yōu)越的技術(shù)性能,而且經(jīng)濟(jì)上現(xiàn)實(shí)可行,為降低地鐵的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)成本,延長(zhǎng)地鐵設(shè)備的壽命,應(yīng)盡快開(kāi)展這方面的研究工作。

目前國(guó)內(nèi)主要的工程應(yīng)用情況為：上海M6地鐵線建設(shè)了長(zhǎng)度為50 m的鋼纖維混凝土管片試驗(yàn)段,通過(guò)各項(xiàng)隧道安全型監(jiān)控系統(tǒng),實(shí)時(shí)收集管片在施工及運(yùn)行過(guò)程中的數(shù)據(jù)(變形、應(yīng)力等),系統(tǒng)分析了鋼纖維管片的優(yōu)越性,監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明該試驗(yàn)段工作狀況良好,安全可靠。北京地鐵10號(hào)線“北土城站—芍藥居站”盾構(gòu)區(qū)間也嘗試應(yīng)用鋼纖維混凝土管片技術(shù),工程實(shí)際表明,鋼纖維混凝土管片在運(yùn)輸和安裝過(guò)程中極少發(fā)現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象,減少了大量的后期維修費(fèi)用[8]。

從國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展和應(yīng)用狀況看,目前對(duì)纖維混凝土應(yīng)用于地鐵盾構(gòu)管片方面的研究還尚未成熟,特別是對(duì)于混雜纖維混凝土應(yīng)用于盾構(gòu)管片的研究更是剛剛起步。加之大直徑地鐵盾構(gòu)管片的生產(chǎn)研發(fā)也同樣處于萌芽階段,因此研究混雜纖維混凝土應(yīng)用于大直徑地鐵盾構(gòu)管片具有良好的科研和產(chǎn)業(yè)前景。

5 結(jié) 語(yǔ)

從城市發(fā)展的趨勢(shì)可見(jiàn),大直徑隧道工程是城市軌道交通的必然趨勢(shì)。從目前通用的普通鋼筋混凝土地鐵盾構(gòu)管片存在的眾多弊端來(lái)看,利用混雜纖維混凝土代替普通鋼筋混凝土制作大直徑地鐵盾構(gòu)管片,可顯著提高管片的力學(xué)性、耐久性和經(jīng)濟(jì)性。