混杂纤维混凝土大直径地铁盾构管片的前景分析

2018-12-28孔琳洁

浙江建筑 2018年12期

孔琳洁

(浙江建设职业技术学院,浙江杭州 311231)

1 概述

地铁作为城市快速轨道交通系统中的重要组成部分，由于其安全快捷、节约土地、少噪音、少污染、节约能源以及不受气候条件的影响等特点,已逐渐成为城市公共客运交通网络的主要力量。长三角珠三角等地区人口稠密、商业网点密集、城市交通繁忙,地面交通压力大,以广州市、上海市为例,部分地铁线路日均客运量都超过了30万人次。随着城市人口的发展,交通压力不断增加,大直径地铁隧道将成为城市地下轨道交通的必然趋势,未来大直径隧道工程将越来越多,由此可知工程对于大直径地铁管片的需求也将迅猛增加。地铁工程,百年大计,由此开展大直径高性能地铁盾构管片的关键技术研究十分必要。

目前的盾构管片主要以6 m口径的普通钢筋混凝土管片为主,通过实地考察和研究,发现一般1.2 m宽的A型钢筋混凝土管片重量约为4 t,在管片的运输和安装过程中出现大量开裂甚至破损,开裂和破损的管片无疑将严重影响隧道工程的安全性和耐久性。另一方面,对于地下工程而言,结构物本身的碳化、外界侵蚀质的腐蚀以及隧道中杂散电流的电化学腐蚀,使得盾构管片必须具备优秀的耐久性能。此外,隧道工程处于地下环境中,抗渗性能、耐腐蚀性能、耐火性能等又是盾构管片的重要指标。而这些都是普通钢筋混凝土管片较难克服的棘手问题。

大直径地铁盾构管片是近年来刚被重视和发展的新型复合管片,相较普通地铁盾构管片,具有更加优良的物理性能。如果用纤维混凝土代替普通混凝土,大直径地铁盾构管片的力学性能如抗拉强度、抗弯强度、耐磨性能、耐冲击性能、耐疲劳性能、韧性和抗裂性能将获得更高的提升,在耐久性方面也有普通钢筋混凝土管片无法比拟的优势,其抗破损能力、抗渗性、抗碳化性、抗侵蚀性介质的腐蚀性及抗火性等将得到本质性的改善。

2 普通钢筋混凝土大直径地铁盾构管片的缺陷

预制钢筋混凝土管片是隧道工程的主要衬砌结构。目前隧道工程的隧道直径逐渐加大,由此,使得衬砌分块也跟着逐渐加大,带来的最直接问题是管片在生产、运输和安装过程中常出现大面积裂纹和破损,直接影响隧道工程成型后的质量。从管片的破损规律分析,普通钢筋混凝土管片的裂缝主要有以下几种形式：

2.1 管片外弧面裂缝

这种类型的破坏往往出现在以下两种情况：一种是在水下养护之后管片外弧面出现龟裂缝,它属于表面微细裂缝；另一种是在蒸汽养护之后出现的浅表性裂缝,它属于混凝土收缩裂缝。其中第一种裂缝在管片生产过程中是普遍存在的,同时也是盾构管片最主要的裂缝形式,只在管片湿润的情况下才较容易看出；而第二种裂缝则是由于大直径地铁盾构管片为大体积混凝土,水化过程中表面温度不均而引起的。

2.2 管片侧面裂缝

这种裂缝产生的主要原因是混凝土在养护过程中干湿交替温度变化而引起的碳化收缩,是一种碳化收缩裂缝。虽然,混凝土的碳化比一些水化产物如C-S-H凝胶的碳化,往往需要较长时间,但是混凝土表面的碳化却可以在较短时间甚至在几个小时之内就能完成,再加上干缩的叠加作用,当表面混凝土的抗拉强度还不足以抵抗收缩所产生的拉应力时,就直接导致了混凝土的表面开裂,从而产生微细裂缝[1]。

2.3 管片手孔部位裂缝

这种裂缝主要是混凝土在蒸汽养护之后出现的,裂缝的主要形态为八字形,较细且连续。一般情况下,手孔越大裂缝越明显。其形成的主要原因是：一方面,混凝土在水化过程中产生了较大自收缩；另一方面,钢模受热膨胀产生较大的温度集中应力,两者叠加产生45°方向的表面收缩裂缝。

研究可得,普通钢筋混凝土大直径地铁盾构管片的裂缝以塑性收缩裂缝为主。裂缝产生的主要原因是由于大直径地铁盾构管片直径大、体积大、厚度厚且为弧形,极易产生表面收缩裂缝。从裂缝产生机理看,主要原因是由于混凝土养护过程中的收缩应力大于混凝土的抗拉强度。

除了以上在生产过程中产生的塑性收缩裂缝,由于普通钢筋混凝土大直径地铁盾构管片体积较大,质量较重,在运输以及施工过程中也常常出现破损。其破坏形式主要有以下几种：

1)管片崩角：它是指由于管片在转运和安装过程中的不慎,以及盾构机姿态控制不当引起的,盾体对管处的作用力不均导致的管片边角破损。

2)管片错台：它是指由于管片的环向及纵向接缝处两块管片之间不平整,盾构机姿态不良,管片选型不当,以及管片背后注浆不饱满及安装不慎所引起的破坏,一般不容易修复,只能在掘进过程中予以控制。

大直径地铁盾构管片的裂缝和破坏都将使得地铁衬砌结构发生整体性破坏,继而造成隧道渗漏和腐蚀,这对控制工程质量安全是很大的挑战。根据对多城市地铁的调查,普通钢筋混凝土管片的破损主要是因为冲击力和拉应力过大引起的[2],见图1。

图1 普通钢筋混凝土大直径地铁盾构管片破损原因

除了裂缝和破损,普通钢筋混凝土大直径地铁盾构管片在耐火性能和耐腐蚀性能方面也不太理想。耐火性能是隧道工程的一项重要指标,普通钢筋混凝土大直径管片未考虑耐火因素,其隧道工程的耐火能力得不到保障,存在严重的火灾安全隐患。此外,地铁工程由于其工程环境特殊,混凝土结构遭受的侵蚀要比普通工程更加复杂和严酷。因为地铁工程往往处于地下水丰富、透水性强的地层中,而我国地下水特别是浅层地下水受污染比较严重,富含氯离子、硫酸根离子等侵蚀性介质,因此地铁盾构管片作为长期处于地下水浸泡的结构,遭受着地下压力水的溶蚀和酸性地下水的侵蚀[3]。

3 混杂纤维混凝土应用于大直径地铁盾构管片的意义

混杂纤维混凝土(HFRC)是一种具有优良物理性能的新型复合建筑材料,与普通混凝土相比,其抗拉强度、抗弯强度、耐磨性、耐冲击性、耐腐蚀性、耐疲劳性、抗裂性、抗爆性等各方面性能都有显著提高。特别是混杂纤维混凝土突出的阻裂作用和抗变形能力,能使构件在相同的荷载作用下裂缝宽度大大减小,从而极大地弥补了普通钢筋混凝土的不足。同时混杂纤维混凝土具有较好的耐火性能,可有效地解决特殊工程比如隧道工程的耐火问题；再者混杂纤维混凝土优秀的耐腐蚀性能,又完全适合地下工程严峻的受腐蚀环境[4]。

考虑到普通钢筋混凝土大直径地铁盾构管片存在的诸多缺陷,采用混杂纤维混凝土代替普通混凝土无疑是提高隧道工程的安全性和耐久性的有效途径。利用弹性模量高的钢纤维与弹性模量低的聚丙烯纤维混合,可以取代普通管片中的部分或全部钢筋,这也使得混杂纤维大直径地铁盾构管片具有极大的经济效益。混杂纤维混凝土大直径地铁盾构管片主要的技术优势和经济优势有：

1)在抗拉、抗折和抗剪强度方面,具有更好的力学性能；

2)可有效减少管片生产过程中的塑性收缩裂缝；

3)改善了管片在运输和堆放过程中所需要的抗损坏性能；

4)改善大直径盾构管片的耐腐蚀性能；

5)有效改善大直径地铁盾构管的耐火性能,从而保障地铁工程的抗火性能；

6)节约生产成本,部分甚至全部取代钢筋无疑在很大程度上减少了管片的成本；

7)降低钢模具的损耗,通过部分或者彻底避免使用钢筋笼,提高了管片的工业化生产速度,产量可提高一倍以上；

8)节约后期维护费用,优良的性能,极大程度降低工程使用过程中的管片的破损。

总之,混杂纤维混凝土性能优异,能够较为全面地弥补普通钢筋混凝土大直径地铁盾构管片的不足之处。

4 混杂纤维用于地铁盾构管片的研究现状

随着各方学者对纤维混凝土研究的深入,和多年来对纤维混凝土材料应用过程中的成果积累,以及在工程实际中普通钢筋混凝土暴露出来的各种弊端,纤维混凝土取代普通钢筋混凝土应用于重要工程,已经成为必然趋势。虽然,在国内的隧道工程中,纤维混凝土的应用还处于试验研究阶段。但在很多欧美国家,纤维混凝土应用于隧道工程已经相当广泛,尤其是在欧洲各国,纤维混凝土地铁盾构管片技术已经相当成熟。

4.1 国外研究现状

随着普通钢筋混凝土盾构管片缺陷的不断暴露,很多西方国家开始着手研究纤维混凝土在地铁盾构管片中的应用,逐渐地,很多国家的隧道工程开始应用钢纤维混凝土代替原有的普通钢筋混凝土。特别是在欧洲国家,纤维混凝土管片的应用技术已经趋于成熟。目前已在一些隧道工程中尝试采用了混杂纤维混凝土预制管片的国外工程有：1997年,德国在埃森市地铁北线第34工区采用纤维混凝土预制片建造100 m长的试验线；1998年,荷兰在公路隧道“Second Heinenooed Tunnel”中采用混杂纤维混凝土管片建造了长度为16环的试验隧道；2000年,南美的厄瓜多尔在“Trasvases Manabi”输水隧道工程中使用了混杂纤维混凝土预制管片,隧道长11.4 km,直径4 m[5]，见表1。

表1 国外纤维混凝土管片应用的典型工程

4.2 国内研究现状

在国内,相关的研究较少,晏浩等[6]在《钢纤维混凝土在盾构隧道衬砌管片中应用的可行性研究》中提出：在盾构隧道中,混杂纤维混凝土盾构隧道衬砌管片与普通管片相比具有更好的工程技术效果和经济效益,是一项值得研究推广的新技术。吴鸣泉[7]在《钢纤维砼盾构管片在地铁隧道工程的应用研究》中提出：作为一种新型盾构管片,混杂纤维混凝土管片比普通钢筋混凝土管片具有更加优越的技术性能,而且经济上现实可行,为降低地铁的生产运营成本,延长地铁设备的寿命,应尽快开展这方面的研究工作。

目前国内主要的工程应用情况为：上海M6地铁线建设了长度为50 m的钢纤维混凝土管片试验段,通过各项隧道安全型监控系统,实时收集管片在施工及运行过程中的数据(变形、应力等),系统分析了钢纤维管片的优越性,监测数据表明该试验段工作状况良好,安全可靠。北京地铁10号线“北土城站—芍药居站”盾构区间也尝试应用钢纤维混凝土管片技术,工程实际表明,钢纤维混凝土管片在运输和安装过程中极少发现开裂现象,减少了大量的后期维修费用[8]。

从国内研究进展和应用状况看,目前对纤维混凝土应用于地铁盾构管片方面的研究还尚未成熟,特别是对于混杂纤维混凝土应用于盾构管片的研究更是刚刚起步。加之大直径地铁盾构管片的生产研发也同样处于萌芽阶段,因此研究混杂纤维混凝土应用于大直径地铁盾构管片具有良好的科研和产业前景。