CN201818314U - 一种梯度功能盾构衬砌管片 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种梯度功能盾构衬砌管片，其结构自上而下，依次包括钢筋混凝土外保护层、钢筋混凝土外结构层、钢纤维增强混凝土强韧化内结构层和钢纤维增强混凝土强韧化内保护层；所述的钢筋混凝土外保护层与钢筋混凝土外结构层连为一体，由强度等级≥C50、坍落度为30～70mm的高性能混凝土制成；所述的钢纤维增强混凝土强韧化内结构层和钢纤维增强混凝土强韧化内保护层连为一体，由强度等级≥C50、坍落度为30～70mm的钢纤维混凝土制成。本实用新型所述的功能梯度盾构衬砌管片在管片内侧受拉区和边角部位形成了强韧化结构层，提高了管片内侧边角部位的混凝土韧性和抗剪强度以及受拉区混凝土的抗裂性能，可大幅降低管片施工过程中的整体破损率，并提高管片的抗碳化性能；同时避免了全部采用强韧性混凝土导致单个管片生产成本大幅度提高的不足。

Description

一种梯度功能盾构衬砌管片 

(一)技术领域

本实用新型涉及一种梯度功能盾构衬砌管片，属隧道工程材料与制品技术领域。 

(二)背景技术

目前盾构法施工已成为城市软土地层中修建地下隧道、过江隧道和管道工程的主要方法。在盾构法中，由若干预制管片拼装而成隧道衬砌结构体，其中预制混凝土管片(以下简称管片)不仅是盾构隧道的主要结构形式，也是隧道防水、防火和耐久等综合性能的保证，因此，对管片强度、刚度以及耐久性等方面均提出了很高要求。 

由于城市建设需要，国外研制开发了多种新型盾构技术，但对盾构衬砌管片的研究相对缓慢，目前仍以钢筋混凝土管片为主。由于混凝土为脆性材料，抗拉性能差，因此，在运输、安装过程中，管片易发生破损。工程实践表明，钢筋混凝土管片破损现象一般发生在衬砌管片内侧角部，以表面混凝土在千斤顶顶力作用下发生局部剪切破坏为主，而在管片中部少有发生破损现象。通过采取有效技术措施，特别是控制钢筋混凝土管片拼装操作质量，管片破损现象发生几率可较原来减少50％左右，但始终无法完全解决，这是由混凝土本身呈脆性的致命弱点所决定的，因此，提高管片混凝土的抗冲击性能和抗拉、抗剪强度是解决管片破损问题的关键所在。 

鉴于钢筋混凝土管片在运输、安装过程中易发生破损的缺点，发展新型盾构衬砌管片正成为各国研究热点。近年来，一种新型盾构管片——钢纤维混凝土管片已在国外引起重视，并在一些工程中进行了试验性应用。与普通混凝土相比，钢纤维混凝土具有优良的抗冲击性能和抗剪强度，采用钢纤维混凝土制备的管片在施工期间破损率将大大降低，从而明显提高隧道衬砌的防水性能；由于钢纤维对混凝土开裂有抑制作用，在受力相同情况下，钢纤维混凝土开裂的情况将大大减少，裂缝的宽度亦缩小，从而可提高管片的耐久性。然而，钢纤维 材料价格较高，采用钢纤维混凝土将大幅增加管片初期投资成本，这是钢纤维混凝土管片的致命弱点。 

另一方面，地铁管片在环境中使用的长期耐久性也是人们普遍关注的重要问题。ZL200510120533.4提供了一种盾构隧道衬砌管片的制备方法，其结构是：从外侧向内侧，依次是高致密防水层、钢筋混凝土保护层、钢筋混凝土结构层和防火抗爆层，高致密防水层和保护层共同构成高防水抗渗层，其整体抗渗等级≥P30，Cl^-扩散系数≤1×10^-13m²/s，28d干缩值≤250个微应变。然而，对于深埋于地下(如地铁)、江底或海底(如过江隧道或海底隧道)的钢筋混凝土管片通常不存在由于氯离子渗透引起的钢筋锈蚀等问题，其原因是由于即使存在氯离子渗透等现象，但地下或水下含氧量很低；由于对管片进行了很好的防水处理，隧道内部的氧气也很难渗透到管片外侧，因而管片外侧的钢筋表面呈缺氧状态，其钢筋锈蚀问题在设计时一般不予考虑。对于氯离子环境中浅埋或与外部相连部分的管片，则需考虑氯离子渗透引起的钢筋锈蚀问题。对于管片内侧由于碳化引起的钢筋锈蚀也应引起足够的重视，这是由于隧道内部通风情况较差，隧道内的CO₂含量往往较高。同时，隧道内通常具有一定的湿度，混凝土碳化往往比较严重。因此如何提高管片内侧混凝土的抗碳化和抗裂性能是需要着重解决的关键问题。 

(三)发明内容

为解决现有钢筋混凝土管片存在的易破损、耐久性差、全部采用高韧性混凝土制备管片成本高等问题，本实用新型提供一种梯度功能盾构衬砌管片。 

为解决上述技术问题，本实用新型采取的技术方案是： 

一种梯度功能盾构衬砌管片，其结构自上而下，依次包括钢筋混凝土外保护层、钢筋混凝土外结构层、钢纤维增强混凝土强韧化内结构层和钢纤维增强混凝土强韧化内保护层；所述的钢筋混凝土外保护层与钢筋混凝土外结构层连为一体，由强度等级≥C50、坍落度为30～70mm的高性能混凝土制成；所述的钢纤维增强混凝土强韧化内结构层和钢纤维增强混凝土 强韧化内保护层连为一体，由强度等级≥C50、坍落度为30～70mm的钢纤维混凝土制成。 

一般而言，对于盾构衬砌管片，其中含有钢筋骨架，通常以钢筋骨架上的内外侧主筋区分结构层和保护层，内外侧主筋之间为结构层，外侧主筋以上为外保护层，内侧主筋以下为内保护层。 

本实用新型推荐所述的钢筋混凝土外保护层4与钢筋混凝土外结构层3的厚度分别为40～60mm和300～400mm；所述的钢纤维增强混凝土强韧化内结构层2和钢纤维增强混凝土强韧化内保护层1的厚度分别为20～90mm和50～60mm。 

进一步，本实用新型所述的钢筋混凝土外保护层4上还可以刷防腐涂层，由下列一种防腐涂料制成：环氧树脂防腐涂料、聚氨酯防腐涂料、JS防水涂料、有机硅混凝土保护剂。所述的防腐涂层的厚度推荐为0～5.0mm，所述的“0”表示可以无限趋近于零，但不为零。 

更进一步，本实用新型的优选方案为：所述的梯度功能盾构衬砌管片，其结构自上而下，依次为0～5.0mm的防腐涂层、40～60mm的钢筋混凝土外保护层、300～400mm的钢筋混凝土外结构层、20～90mm钢纤维增强混凝土强韧化内结构层和50～60mm的钢纤维增强混凝土强韧化内保护层。 

本实用新型所述的钢纤维混凝土由制备原料混合搅拌而成，其采用现有技术进行制备，所述钢纤维混凝土的制备原料通常包括胶凝材料、钢纤维、天然砂、级配为5～25mm的石子、高效减水剂或高性能减水剂和水，各原料的投料量以质量份表示为：胶凝材料1.00份、钢纤维0.10～0.18份、天然砂1.50～2.50份、级配为5～25mm的石子2.50～3.20份、高效减水剂或高性能减水剂0.01～0.02份、水0.30～0.35份；所述的胶凝材料为水泥或者水泥与粉煤灰、矿渣微粉中的一种或两种的混合物。 

进一步，所述的钢纤维混凝土的制备原料中粉煤灰的投料量为0～0.15份。 

进一步，所述的钢纤维混凝土的制备原料中矿渣微粉的投料量为0～0.30份。 

本实用新型所述的高性能混凝土由制备原料混合搅拌而成，其采用现有技术进行制备， 所述高性能混凝土的制备原料通常包括胶凝材料、砂、级配为5～25mm的石子、高效减水剂或高性能减水剂和水，各原料的投料量以质量份表示为：胶凝材料1.00份、砂1.50～1.90份、级配为5～25mm的石子2.50～3.20份、高效减水剂或高性能减水剂0.01～0.02份、水0.25～0.35份；所述的胶凝材料为水泥或者水泥与粉煤灰、矿渣微粉中的一种或两种的混合物。 

进一步，所述的高性能混凝土的制备原料中粉煤灰的投料量为0～0.15份。 

进一步，所述的高性能混凝土的制备原料中矿渣微粉的投料量为0～0.30份。 

与现有技术相比，本实用新型所述的功能梯度盾构衬砌管片的有益效果主要体现在：(1)在管片内侧受拉区和边角部位形成了强韧化结构层，提高了管片内侧边角部位的混凝土韧性和抗剪强度以及受拉区混凝土的抗裂性能，可大幅降低管片施工过程中的整体破损率，并提高管片的抗碳化性能；(2)避免了全部采用强韧性混凝土导致单个管片生产成本大幅度提高的不足；(3)在管片外侧形成防腐保护层，大幅提高管片外侧混凝土的抗渗性和抗氯离子渗透能力，提高管片耐久性。 

(四)说明书附图 

图1所示为本实用新型实施例8-10的梯度功能盾构衬砌管片功能设计示意图，其中1钢纤维增强混凝土强韧化内保护层；2钢纤维增强混凝土强韧化内结构层；3钢筋混凝土外结构层；4钢筋混凝土外保护层；5防腐涂层，并且钢纤维增强混凝土强韧化内保护层1和钢纤维增强混凝土强韧化内结构层2之间为内侧主筋，钢筋混凝土外结构层3和钢筋混凝土外保护层4之间为外侧主筋。 

图2所示为梯度功能盾构衬砌管片制备工艺流程图。 

(五)具体实施方式

本实用新型是一种基于梯度功能设计原理进行分层设计，采用分层浇注和一次喷涂工艺制备而成的用于隧道工程的盾构衬砌管片。下面结合具体实施例对本实用新型进行进一步描 述，但本实用新型的保护范围并不仅限于此。 

制备的梯度功能盾构衬砌管片结构如图1和图2所示：自上而下，依次是钢筋混凝土管片防腐涂层1、钢筋混凝土外保护层2和外结构层3、钢纤维增强混凝土强韧化内结构层2和内保护层1。 

上述钢筋混凝土管片防腐涂层5由防腐涂料经喷涂而成，厚度为0～4.0mm。钢筋混凝土外保护层4和钢筋混凝土外结构层3厚度分别为300～400mm和40～60mm。钢纤维增强混凝土强韧化内结构层2和钢纤维增强混凝土强韧化内保护层1厚度分别为50～60mm和20～90mm。 

本实用新型梯度功能盾构衬砌管片的制备方法是：在钢筋混凝土管片钢模中先根据设计要求安放钢筋笼及相关预埋件，然后浇注强度等级≥C50、坍落度为30～70mm的钢纤维混凝土，振捣密实，形成连为一体的强韧化内保护层1和内结构层2，浇注厚度为分别为50～60mm和20～90mm，然后在钢筋混凝土管片内侧强韧化结构层2上继续浇筑强度等级≥C50、坍落度为30～70mm的高性能混凝土，并振捣密实，形成连为一体的钢筋混凝土结构层3和钢筋混凝土外保护层4，浇筑厚度分别为300～400mm和40～60mm；浇筑完毕后立即进行表面粗光，待混凝土收水后进行中光，待混凝土接近初凝时，进行精光，混凝土全部初凝后静养2～3h，然后进行蒸汽养护，2～3h内升温至35～45℃，恒温2～3h，降温2～3h至室温后，采用真空吸盘起模，外观检查和检修后进行水养护。水养护7～14d后吊装至管片堆场，自然干燥2～5d后，根据需要在自然干燥后的管片外侧喷涂钢筋混凝土管片防腐涂层，其厚度为0～4.0mm。制备工艺流程见图2。 

实施例1～3： 

采用海螺PII52.5水泥、剪切平直微扭型钢纤维(嘉兴市经纬钢纤维有限公司生产)、II级粉煤灰、沙钢S95矿渣微粉、天然中砂、5～25mm碎石和HG-PCA600型高性能减水剂配制C50钢纤维混凝土和C50普通混凝土，并用于梯度功能盾构衬砌管片的生产，混凝土配合比 分别见表1。 

表1 

实施例4～7： 

采用海螺PII52.5水泥、嘉兴经纬剪切平直微扭型钢纤维、II级粉煤灰、沙钢S95矿渣微粉、天然中砂、5～25mm碎石、HG-PCA600型高性能减水剂配制钢纤维混凝土和普通混凝土，并用于梯度功能盾构衬砌管片的生产。生产得到的梯度功能管片水养护7～14d后吊装至管片堆场，分别自然干燥2d、4d和5d后，在管片外侧涂刷881-H04型环氧树脂涂层、JS防水涂层、881-Y01型聚氨酯防水涂层和PC-40型有机硅浸入型混凝土保护剂，其涂刷厚度分别为2.0mm、4.0mm、0.3mm。混凝土配合比分别见表3。 

表3 

对实施例所生产的管片混凝土性能进行测试，测试的性能包括： 

(1)管片生产时，成型高性能混凝土和高性能钢纤维混凝土标准立方体试件，同条件养护3d和28d后，按《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2002)规定的方法测试混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度； 

(2)成型150×150×550mm棱柱体试件，养护28d后，在混凝土底部切割出深度约为10mm的切口，然后采用电液伺服万能试验机测定混凝土荷载-变形曲线，并记录混凝土断裂荷载。混凝土断裂韧性按下式计算： 

$K_{\mathrm{IC}}=\frac{3\mathrm{Pl}}{{2h}^{2}b}\sqrt{\mathrm{\πa}}F\left(\frac{a}{d}\right)$

其中 $F\left(\frac{a}{h}\right)=1.09-1.735\left(\frac{a}{h}\right)+8.2{\left(\frac{a}{h}\right)}^2-14.18{\left(\frac{a}{h}\right)}^3+14.57{\left(\frac{a}{h}\right)}^4$

式中h为试件高度，a为切口深度，P为断裂荷载，l为跨度，b为试件宽度。 

(3)成型100×100×400mm试件，养护28d后，按《钢纤维混凝土试验方法》(CECS 13：89)，测定混凝土的抗剪强度。 

(4)成型175mm×185mm×150mm圆台形试件，养护28d后，按《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》(GB50082-1985)测定其抗渗等级。 

(5)对管片进行岩芯取样后，按ASTM C1202测试样品的抗氯离子渗透性。 

各实施例生产得到的管片性能测试结果如表4所示。 

表4管片各项性能测试指标 

由表4可见，在配合比基本相同条件下，通过掺加钢纤维，可大幅度提高钢筋混凝土管片内保护层混凝土的抗剪强度，抗剪强度提高幅度高达70～80％以上，复合掺加聚合物乳液和有机纤维，管片内保护层混凝土抗剪强度进一步提高，因此可显著改善钢筋混凝土的抗破损能力。实际拼装也表明，得到的梯度功能隧道衬砌管片的破损率大幅度下降，破损率可比普通混凝土管片降低50～80％以上。 

由表4也可以看出，梯度功能管片混凝土外保护层表面未涂刷防腐涂层时，其氯离子渗透性指标6h电通量均在1000C以上，根据美国材料实验协会标准ASTM C1202，其氯离子渗透性属于低氯离子渗透范围，但经进一步涂刷环氧树脂涂层、JS防水涂层、聚氨酯涂层和有机硅烷后，外侧混凝土芯样抗氯离子渗透性指标6h电通量分别下降为159.3C、586.4C、395.8C和725.1C，其氯离子渗透性属于很低氯离子渗透范围，具有很好的抗腐蚀性，可用于存在氯离子渗透引起钢筋锈蚀隐患的隧道工程。 

Claims (6)

1.一种梯度功能盾构衬砌管片，其结构自上而下，依次包括钢筋混凝土外保护层、钢筋混凝土外结构层、钢纤维增强混凝土强韧化内结构层和钢纤维增强混凝土强韧化内保护层；所述的钢筋混凝土外保护层与钢筋混凝土外结构层连为一体，由强度等级≥C50、坍落度为30～70mm的高性能混凝土制成；所述的钢纤维增强混凝土强韧化内结构层和钢纤维增强混凝土强韧化内保护层连为一体，由强度等级≥C50、坍落度为30～70mm的钢纤维混凝土制成。

2.如权利要求1所述的梯度功能盾构衬砌管片，其特征在于所述的钢筋混凝土外保护层上还有防腐涂层，所述防腐涂层由下列一种防腐涂料制成：环氧树脂防腐涂料、聚氨酯防腐涂料、JS防水涂料、有机硅混凝土保护剂。

3.如权利要求1或2所述的梯度功能盾构衬砌管片，其特征在于所述的钢筋混凝土外保护层和钢筋混凝土外结构层的厚度分别为40～60mm和300～400mm；所述的钢纤维增强混凝土强韧化内结构层和钢纤维增强混凝土强韧化内保护层的厚度分别为20～90mm和50～60mm。

4.如权利要求2所述的梯度功能盾构衬砌管片，其特征在于所述的防腐涂层的厚度为0～5.0mm。

5.如权利要求3所述的梯度功能盾构衬砌管片，其特征在于所述的防腐涂层的厚度为0～5.0mm。

6.如权利要求5所述的梯度功能盾构衬砌管片，其特征在于所述的梯度功能盾构衬砌管片，其结构自上而下，依次为0～5.0mm的防腐涂层、40～60mm的钢筋混凝土外保护层、300～400mm的钢筋混凝土外结构层、20～90mm钢纤维增强混凝土强韧化内结构层和50～60mm的钢纤维增强混凝土强韧化内保护层。

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