鋼纖維混凝土在盾構(gòu)隧道管片中的應(yīng)用綜述

朱麒璇， 劉晨曦， 梁麗青， 武丹丹， 王雯倩

(廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西南寧 530000)

鋼纖維混凝土(SteelFiberReinforcedConcrete)是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的一種新型復(fù)合材料，纖維的直徑或等效直徑為0.3～0.7mm，長(zhǎng)度為15～60mm，長(zhǎng)徑比為40～100。鋼纖維隨機(jī)分散在混凝土基體內(nèi)部從而阻滯基體微裂縫的擴(kuò)展與宏觀裂縫的發(fā)生與發(fā)展，使混凝土基體的機(jī)械性能在不同程度得到增強(qiáng)。

鋼纖維混凝土的優(yōu)良性能已有許多專家、學(xué)者所證實(shí)：孟龍[2]經(jīng)過(guò)試驗(yàn)得出鋼纖維的摻入使混凝土的抗剪強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度都得到明顯的提升；周佳媚[3]通過(guò)分析荷載-撓度變化規(guī)律曲線發(fā)現(xiàn)摻入鋼纖維的混凝土荷載二次峰值初裂荷載提升41.5 %；李義發(fā)[4]對(duì)鋼纖維混凝土的性能與應(yīng)用作出總結(jié)。

對(duì)于鋼纖維在襯砌結(jié)構(gòu)中的適宜參量與鋼筋共同使用問(wèn)題，蒙國(guó)往[5]通過(guò)研究縱向配筋量和鋼纖維摻量對(duì)盾構(gòu)管片性能的影響，得出鋼筋與鋼纖維的組合使用是加固的最好選擇；A.Caratelli[6]初步證明采用鋼纖維混凝土且不添加傳統(tǒng)鋼筋進(jìn)行加固的可能性；S.Abbas[7]研究發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)鋼筋籠與鋼纖維共同加固的綜合體系可以獲得更好的結(jié)構(gòu)性能。本文通過(guò)整理前人文獻(xiàn)，為鋼纖維混凝土管片的進(jìn)一步推廣提供理論支持。

1 鋼纖維的增強(qiáng)機(jī)理

鋼纖維均勻、隨機(jī)分布在混凝土基體內(nèi)部，在基體開(kāi)裂后進(jìn)行應(yīng)力的重新分配，阻滯裂縫的開(kāi)展，減小裂縫寬度，顯著提升了管片抗拉強(qiáng)度。摻入鋼纖維也能有效減少盾構(gòu)管片因溫度收縮、干燥收縮等引起的微裂縫，提高管片裂后剛度與延性。相同試驗(yàn)條件下的不同混凝土裂縫比較如圖 1所示[8]。

圖1 不同混凝土裂縫比較

除此之外，鋼纖維摻入可以一定程度上減少盾構(gòu)管片含筋量，縮小管片體積，省去部分鋼筋與膠凝材料用量，并且避免無(wú)筋區(qū)的存在、減少管片邊緣剝落損壞現(xiàn)象。

研究表明，材料的強(qiáng)度隨著鋼纖維的長(zhǎng)徑比的增加而顯著提升，目前有纖維間距理論和復(fù)合力學(xué)理論可以解釋這一結(jié)果。纖維間距理論表明材料的抗裂強(qiáng)度受到纖維間距的影響，鋼纖維在裂紋端部可以產(chǎn)生粘結(jié)力阻滯微裂縫發(fā)展[9]。復(fù)合力學(xué)理論指出：鋼纖維與混凝土復(fù)合而成的材料中，最有效增強(qiáng)混凝土抗拉強(qiáng)度的方法是使鋼纖維分布方向與混凝土受拉方向平行(圖2)[10]。

圖2 復(fù)合力學(xué)計(jì)算模型

2 鋼纖維混凝土盾構(gòu)管片的優(yōu)良性能

2.1 強(qiáng)度性能

鋼纖維混凝土盾構(gòu)管片在強(qiáng)度性能方面的優(yōu)勢(shì)已有許多學(xué)者進(jìn)行證實(shí)。崔強(qiáng)[11]通過(guò)對(duì)比少筋鋼纖維混凝土管片與普通鋼筋混凝土管片裂縫發(fā)展情況以及裂縫寬度，發(fā)現(xiàn)少筋鋼纖維混凝土管片的抗裂性能滿足正常使用極限下的設(shè)計(jì)要求；申晉[1]通過(guò)總結(jié)國(guó)外相關(guān)試驗(yàn)得出：摻量為30kg/m3、50kg/m3的鋼纖維混凝土盾構(gòu)管片出現(xiàn)第一條裂縫時(shí)的荷載分別比素混凝土高32 %、46 %，極限荷載增加分別高37 %和52 %；尤志國(guó)[10]對(duì)不同摻量下50mm鋼纖維的比例極限進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)鋼纖維自密實(shí)混凝土的抗彎性能隨著纖維摻量的增大而提升。

特別要注意的是，雖然鋼纖維混凝土在溫度較低時(shí)呈現(xiàn)更好的抗壓性能，在500 ℃后強(qiáng)度損失卻多于普通混凝土[12]，如圖 3所示。

圖3 混凝土的殘余抗壓強(qiáng)度與溫度的關(guān)系

2.2 韌性

鋼纖維可以承受部分拉應(yīng)力而提高基體的抗拉能力，并且吸收部分開(kāi)裂處的能量，因此具有更好的韌性。實(shí)驗(yàn)表明，鋼纖維混凝土盾構(gòu)管片的抗壓韌性與彎曲沖擊韌性相比傳統(tǒng)混凝土盾構(gòu)管片增加幾倍，抗彎韌性與沖擊韌性可以增加到幾十倍。

丁聰[13]對(duì)比不同系列的鋼纖維混凝土的Load-CMOD曲線，發(fā)現(xiàn)鋼纖維在發(fā)生脫粘、拔出和拔斷的過(guò)程中會(huì)吸收更多的能量來(lái)抑制裂縫的擴(kuò)展；郭艷華[14]經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)鋼纖維噴射混凝土具有較好的韌性，在開(kāi)裂后不會(huì)發(fā)生脆性破壞，可應(yīng)用于隧道初期支護(hù)施工中；崔光耀[15]對(duì)軟弱圍巖隧道鋼纖維混凝土襯砌承載特性進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)參入鋼纖維的襯砌韌性增強(qiáng)，相較素混凝土與鋼筋混凝土可承受更大的變形；明維[16]進(jìn)行混凝土四點(diǎn)抗彎性能試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)混凝土的韌性和等效曲撓強(qiáng)度在摻入鋼纖維后提高達(dá)300 %～500 %。

2.3 耐久性

鋼纖維混凝土盾構(gòu)管片具有更優(yōu)的耐久性和安全性。孫斌[17]從裂縫寬度的驗(yàn)算結(jié)果得出：在增加鋼纖維減少鋼筋用量的設(shè)計(jì)中混凝土的裂縫寬度減少了18 %～26 %，耐久性顯著提高。張捷[18]基于JC法對(duì)鋼纖維混凝土管片的可靠度進(jìn)行求解，發(fā)現(xiàn)鋼纖維的可靠度一直維持在較高水平，安全度優(yōu)于普通混凝土。

鋼纖維可減輕環(huán)境溫度下的開(kāi)裂，提高抗拉強(qiáng)度和延性，同時(shí)利于控制暴露于高溫環(huán)境時(shí)裂縫的擴(kuò)展，從而提升管片的總體性能[19]。張龍[20]經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)研究得出混凝土的最大凍融次數(shù)隨鋼纖維摻量的增加先增加再減少，最大凍融次數(shù)在鋼纖維摻量為60kg/m3時(shí)達(dá)到最大值，為600次。

鋼纖維混凝土盾構(gòu)管片具有優(yōu)良的抗腐蝕性能。Kakooei[21]等通過(guò)四電極法研究抗?jié)B性得出結(jié)論，總體上隨著纖維摻量的增加，混凝土抗?jié)B效果得到進(jìn)一步的提升。王志杰等[22]對(duì)纖維噴射混凝土進(jìn)行快速碳化試驗(yàn)，結(jié)果表明，一定量的纖維可以提高混凝土的密實(shí)度和抗碳化性能，降低碳化的速度，減小碳化深度。

2.4 管片接頭性能

管片節(jié)點(diǎn)在襯砌結(jié)構(gòu)中是薄弱部位，強(qiáng)度、剛度都較低且容易滲漏,鋼纖維混凝土盾構(gòu)管片節(jié)點(diǎn)經(jīng)常有更高的極限承載力和抗裂能力，可以替代傳統(tǒng)管片在盾構(gòu)隧道中進(jìn)行應(yīng)用[24]。龔琛杰[25]采用足尺試驗(yàn)方法對(duì)承鋼纖維混凝土管片載能力進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)相比鋼筋混凝土管片接頭的開(kāi)裂荷載，鋼纖維混凝土管片接頭提高12.9 %，具有優(yōu)良抗裂能力，除此之外，如圖 4所示，接頭達(dá)到極限承載狀態(tài)時(shí)，鋼纖維混凝土管片街頭的極限撓度也相對(duì)減小了64.2 %[25]；周龍[26]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)SFRC高剛性接頭達(dá)到正常使用極限狀態(tài)時(shí)的荷載抗力為RC高剛性接頭的1.2倍，承載力提高約15 %；鋼纖維混凝土管片隧道的抗震分析表明，鋼纖維混凝土管片節(jié)點(diǎn)的抗彎強(qiáng)度和延性均有所提高[27]。

圖4 荷載-接頭撓度曲線

3 經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)

雖然鋼纖維的造價(jià)比鋼筋要高，但是采用鋼纖維混凝土盾構(gòu)管片可以省去鋼筋籠的制作工藝，除此之外，鋼纖維混凝土管片發(fā)生破損、滲漏的情況將大幅減少，可以大量減少后期維護(hù)費(fèi)用。因此，在進(jìn)一步計(jì)算鋼纖維合理?yè)饺肓康幕A(chǔ)上，鋼纖維混凝土盾構(gòu)管片的使用具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

N.Buratti[28]考慮了鋼纖維混凝土盾構(gòu)襯砌在加入普通鋼筋與不加鋼筋情況下的性能，提出了襯砌厚度設(shè)計(jì)的優(yōu)化準(zhǔn)則；榮建林[23]以北京地鐵某標(biāo)段盾構(gòu)管片進(jìn)行分析，在管片厚度不變的情況下適當(dāng)減少配筋量、提高鋼纖維摻量，鋼纖維摻量分別為30kg/m3、40kg/m3的方案中的施工成本相比傳統(tǒng)方案只需要追加7.2 %和9.2 %；孫斌[17]將鋼纖維混凝土管片與傳統(tǒng)鋼筋混凝土管片進(jìn)行比較，中埋段的成本優(yōu)勢(shì)可以達(dá)到9.85 %。

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 國(guó)外應(yīng)用實(shí)例

美國(guó)混凝土協(xié)會(huì)(ACI)544委員會(huì)在1980年代末制定了《鋼纖維混凝土試驗(yàn)方法》，為鋼纖維混凝土的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)，鋼纖維的制備技術(shù)也在同步提升以支持鋼纖維混凝土管片的進(jìn)一步推廣[17]。鋼纖維混凝土盾構(gòu)管片在國(guó)外工程案例見(jiàn)表 1。

4.2 國(guó)內(nèi)應(yīng)用實(shí)例

我國(guó)現(xiàn)有的與管片相關(guān)的工程規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)有GB/T2 2082-2017《預(yù)制混凝土襯砌管片》、GB50446-2017《盾構(gòu)法隧道施工及驗(yàn)收規(guī)范》等[17]。但國(guó)內(nèi)應(yīng)用仍然較少，目前已有一些成功應(yīng)用實(shí)例以及理論分析證實(shí)實(shí)踐的可能性。

表1 鋼纖維混凝土盾構(gòu)管片在國(guó)外的應(yīng)用實(shí)例

三峽臨時(shí)船閘壩段疊梁門槽主軌二期工程、三峽EL120m棧橋工程分別采用了CF60、CF50鋼纖維混凝土[29]。上海地鐵建設(shè)公司與同濟(jì)大學(xué)混凝土材料研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在上海M6地鐵線建設(shè)鋼纖維混凝土管片試驗(yàn)段，試驗(yàn)段長(zhǎng)50m，后期使用狀況良好[30]。北京市軌道交通十號(hào)線在一段盾構(gòu)區(qū)間使用纖維混凝土管片,管片在運(yùn)輸與施工的過(guò)程中均發(fā)現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象[31]。望京高鐵隧道大直徑盾構(gòu)研究項(xiàng)目對(duì)比傳統(tǒng)管片和鋼纖維混凝土管片的使用性能，發(fā)現(xiàn)鋼纖維可以減少混凝土26 %的裂縫[17]。深圳市軌道交通7號(hào)線工程應(yīng)用采用無(wú)筋混凝土管片方案，鋼纖維的摻量為45kg/m3，靠近西麗湖站盾構(gòu)區(qū)間隧道段建立的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段(包含15節(jié)管片，共長(zhǎng)22.5m)驗(yàn)證了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方案合理性[32]。鋼纖維混凝土被應(yīng)用于南昆鐵路西段宜良縣境內(nèi)樂(lè)善村二號(hào)隧道處，襯砌厚度減薄900mm，隧道開(kāi)挖量進(jìn)而減少21 %，襯砌污工量減少62 %，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益[23]；2013年，鋼纖維混凝土襯砌管片在家竹箐隧道的應(yīng)用有效的控制了隧道變形[33]；常州軌道交通1號(hào)線一期工程南段科教城南站科教城北站盾構(gòu)區(qū)間[34]、上海市軌道交通6號(hào)線浦電路區(qū)間也都使用了鋼纖維混凝土盾構(gòu)管片[35]。結(jié)果表明:鋼纖維混凝土管片有廣泛的應(yīng)用前景。

5 進(jìn)一步研究的方向

(1)鋼纖維混凝土需要更長(zhǎng)的振搗時(shí)間以達(dá)到鋼纖維在混凝土中的均勻分布，同時(shí)要選擇最適宜的鋼纖維的長(zhǎng)徑比，在攪拌、運(yùn)輸、澆筑和振搗的過(guò)程中避免纖維相互纏繞成團(tuán)。除此之外，在不同施工條件及目的的下，鋼纖維的最佳摻量、最佳長(zhǎng)徑比還有待進(jìn)一步研究。

(2)雖然鋼纖維混凝土盾構(gòu)管片具有許多優(yōu)良性能，但在嚴(yán)重火災(zāi)情況下，鋼纖維混凝土管片性能劣于傳統(tǒng)鋼筋混凝土管片，極限承載力較低且具有更高的開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)[36]。鋼纖維混凝土襯砌在集中大應(yīng)力的下的抗彎強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度以及爆破能力不如傳統(tǒng)鋼筋混凝土襯砌[35]。

(3)對(duì)于如何設(shè)計(jì)鋼纖維混凝土管片的厚度能進(jìn)一步優(yōu)化成本，需要做更多的相關(guān)試驗(yàn)探究，制定和完善各種纖維含量的設(shè)計(jì)和規(guī)定，同時(shí)針對(duì)鋼纖維與鋼筋之間合理配比進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)管片在安全性和經(jīng)濟(jì)性的統(tǒng)一。

(4)未來(lái)可以結(jié)合大數(shù)據(jù)分析以及BIM技術(shù)對(duì)鋼纖維混凝土盾構(gòu)管片應(yīng)用可行性進(jìn)行模擬，在實(shí)際工程中進(jìn)行更多的相關(guān)性能試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證鋼纖維混凝土盾構(gòu)管片的優(yōu)良性能。

6 總論

鋼纖維混凝土盾構(gòu)管片相較于鋼筋混凝土管片具有更加優(yōu)良的力學(xué)性能與經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，采用鋼纖維混凝土管片替代傳統(tǒng)鋼筋混凝土管片可以大大節(jié)省鋼筋綁扎和勞動(dòng)力成本，具備進(jìn)一步投入應(yīng)用的可能性,目前需要做好實(shí)驗(yàn)和理論研究，以提出一種完整的管片設(shè)計(jì)和施工方法，并結(jié)合經(jīng)濟(jì)性，在保證其性能和使用要求的前提下降低成本；同時(shí)應(yīng)加快制定行業(yè)規(guī)范速度，為國(guó)內(nèi)鋼纖維混凝土的推廣打下基礎(chǔ)。