高鐵隧道大直徑盾構鋼纖維混凝土管片設計和優勢簡析

孫斌，丁聰

（1.上海貝卡爾特-二鋼有限公司，上海 200131；2.東南大學材料科學與工程學院，南京 211189）

高鐵隧道大直徑盾構鋼纖維混凝土管片設計和優勢簡析

孫斌1，丁聰2

（1.上海貝卡爾特-二鋼有限公司，上海 200131；2.東南大學材料科學與工程學院，南京 211189）

為提高鋼筋混凝土管片的抗裂性能和服役壽命，本文依托望京高鐵隧道大直徑盾構研究項目闡述盾構鋼纖維鋼筋混凝土管片的結構設計，通過對比鋼纖維鋼筋混凝土管片和鋼筋混凝土管片的設計結果和成本優勢，得出增加鋼纖維減少鋼筋用量不但降低成本，而且減小混凝土裂縫寬度達26%，提升管片耐久性．鋼纖維鋼筋混凝土管片設計在國內是個創新，可為地下軌交建設鋼纖維混凝土預制管片一類工程的實際應用提供理論支持．

鋼纖維；混凝土；管片設計

盾構隧道襯砌結構中應用最廣泛的是鋼筋混凝土管片，但是由于混凝土保護層抗裂性和韌性差，會引起因運輸、施工、拼裝、圍巖受力變化、鋼筋銹蝕和接縫透水區域干濕循環等原因導致的管片混凝土開裂和破損，降低管片的服役壽命．鋼纖維混凝土管片或配筋纖維混凝土管片，因具有增韌、增強、阻裂、提升耐久性和安全性的獨特性能，使其較好地彌補前述鋼筋混凝土管片的缺點．其抗拉、抗彎強度、韌性和抗裂、耐沖擊、耐腐蝕、耐疲勞性、抗高溫災變等性能可得到提高，歐美國家都對其進行了深入的理論研究和廣泛的工程實踐，而我國高鐵盾構隧道使用鋼纖維混凝土管片和配筋鋼纖維混凝土管片的設計研究尚處于起步階段．基于望京隧道10 m大直徑管片結構設計要求，采用鋼纖維部分或全部取代鋼筋，提出該新型管片在盾構隧道不同埋深段的結構設計以及與傳統方案的優勢比較．

1 鋼纖維鋼筋混凝土管片計算

1.1 隧道概況和原初步設計方案

隧道全長8.1 km，隧道最大埋深39 m，盾構穿越地層主要為砂層、粘土、粉土和粉質粘土．采用明挖法、暗挖法和盾構施工法其中盾構段6.8 km，要求設計服役壽命100年．

鋼筋混凝土管片設計內徑9 m，外徑10 m，采用通用鍥形管片，管片分塊形式：“6+2+1”，管片厚500mm，寬2 m．通過對淺埋斷面的最大內力計算得到內外側最大配筋見表1．

表1 淺埋斷面配筋表（每環寬2.0 m）Tab.1 shallow buried section reinforcement

1.2 鋼纖維鋼筋混凝土管片承載力極限狀態驗算

已知管片h=500 mm，W=2 000 mm，內半徑ri=4.5 m，角度=43.2°（標準塊），管片弧長l=3.4 m，保護層厚度a=a'=35 mm，h0=465 mm，從表1獲悉內力最大處為管片內側即每延米軸力N=1 038.9 kN，彎矩M=798.1 kN m．根據鋼纖維鋼筋管片復合設計要求，在強度C55混凝土摻入佳密克絲4D型鋼纖維30kg/m3．對淺埋斷面1的內側進行驗算，步驟包括大小偏心判斷，鋼纖維鋼筋混凝土偏心受壓計算公式確定，受壓區高度計算和配筋計算．

1.2.1 判別大小偏心受壓

圖1 矩形正截面偏心受壓構件應力分布Fig.1 Stress of rectangle section under eccentric compression

1.2.2 偏心受壓計算公式

鋼纖維鋼筋混凝土管片大偏心受壓承載力計算方法依據混凝土結構設計標準[1]同時考慮鋼纖維在受拉區的貢獻，截面應力分布如圖1，具體計算按式(1)和式(2)．

式(2)中：C55鋼纖維混凝土抗壓強度同素混凝土設計值ffc=25.3 N/mm2；x為鋼纖維混凝土受壓區高度，mm；xt為鋼纖維混凝土受拉區高度，mm，xt=h x=500 x；fy為鋼筋設計強度360N/mm2；A'S為受壓區鋼筋；AS為受拉區鋼筋；fftu為鋼纖維混凝土抗拉強度設計值，N/mm2，根據ModelCode2010[3]，fftu=0.33 fR3/rF，fR3是對應小梁切口位移2.5mm的鋼纖維混凝土殘余抗彎強度標準值，fR3=3.95N/mm2，該值通過帶切口鋼纖維混凝土小梁試驗獲得，試驗方法根據ISO標準[4]，rF為受壓鋼纖維混凝土材料分項系數1.25，fftu= 0.33fR3/rF=1.04 N/mm2．

1.2.3 受壓區高度計算

對公式(4)左邊進行計算，考慮荷載系數1.35，則Nfue=1.35×1038.9×103e=1402.52×103e，e為軸向作用力至受拉鋼筋截面重心的偏心距計算按公式：

故e=1 003 mm．所以Nfue=1.41×109N mm，將所有數據代入公式(4)得x2931x+115287=0，解得x= 147 mm，即受壓區高度為147 mm．

1.2.4 配筋計算

對公式(3)計算，考慮荷載安全系數1.35，計算得AS=5 424 mm2，實選取28@100 mm，配筋面積AS=6 157 mm2．所以淺埋斷面1-管片內側采用C55混凝土摻入30 kg/m3佳密克絲4D型鋼纖維和28@100 mm，HRB400鋼筋滿足承載力設計要求．

1.3 正常使用極限狀態裂縫寬度驗算

1.4 其它不同埋深斷面計算原理和方法

同上，步驟略，計算結果見表2．

2 鋼纖維鋼筋混凝土管片優勢分析

1）傳統鋼筋混凝土管片和鋼纖維鋼筋混凝土管片材料成本分析如表3所示．

從表3得出如與傳統鋼筋混凝土管片比較，中埋段的鋼纖維鋼筋管片的成本優勢較大，節省達9.85%，淺埋和深埋段的鋼纖維鋼筋管片成本節省較少．

2）耐久性．從裂縫寬度的驗算結果得出在增加鋼纖維減少鋼筋用量的設計中淺埋管片的裂縫寬度由0.19 mm降低到0.14 mm即寬度減小26%，中埋管片裂縫寬度由0.16 mm降低0.13 mm減小了約18%，深埋管片的裂縫寬度接近．通過裂縫寬度減小顯著地提高了管片的耐久性．

表2 不同埋深斷面計算結果Tab.2 Design results of different section

表3 經濟分析Tab.3 Economy analysis

3 結論

通過對承載力極限狀態和正常使用極限狀態下鋼纖維鋼筋混凝土管片的計算結果分析，最終得出鋼纖維與鋼筋混凝土的復合設計方法不僅能減小裂縫寬度提高結構的耐久性及服役壽命且具有一定經濟優勢，所以鋼纖維混凝土管片這種新型結構材料和設計方法在地下軌交建設進行推廣和使用具有積極的作用．

[1]葉烈平．混凝土結構[M]．第2版．北京：清華大學出版社，2006．

[2]GB50010-2010，混凝土結構設計規范[S]．

[3]M odel code 2010 by International Federation for Structural Concrete（Fib）[S]．M ar．2012，Switzerland，234-246．

[4]ISO 13270，steel fiber for concrete-definitions and specifications[S]．Jan．2013，Switzerland．

[5]DafStb Technical Rule on Steel Fiber Reinforced Concrete by Din committee of[S]．2013，Germany，24-25

[6]中國工程建設標準化協會．鋼纖維混凝土結構技術規程（CECS 38：2004）[S]．北京：中國計劃出版社，2004．

[7]榮健林，聞毓民，吳強．鋼纖維混凝土盾構管片可行性分析[J]．建筑設備與建筑材料，2006，26（6）：158-159．

[8]蒲奧．纖維混凝土管片設計研究及工程運用[D]．成都：西南交通大學，2007．

[責任編輯 楊屹]

Design and advantage introduction of steel fiber concrete segments of shield tunnel high speed railway

SUN Bin1，DING Cong2

(1.ShanghaiBekaert Ergang Co Ltd,Shanghai 200131,China;2.School of MaterialsScienceand Engineering,SoutheastUniversity, Jiangsu Nanjing 211189,China)

To improve crack resistance and service life of concrete reinforcement segments,the thesis introduces structural design of steel fiber combined reinforcement concrete segments based on big diameter shield tunnel research of Wangjing high speed railway.By comparing design results and the costs between steel fiber combined reinforcement concrete segments and reinforcement concrete segments,we conclude that when adding steel fiber and reducing reinforcement,it not only reduces the cost,but also narrows 26%of the crack w idth,thus improving its durability.The design of steel fiber combinedw ith reinforcementconcrete segments,which is new in our country,can providea theoreticalsupportfor practice of the steel fiber concrete segment in construction of rail transit understructure.

steel fiber;concrete;segment design

U 454

A

1007-2373(2015)06-0112-04

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.06.022

2014-09-20

中國鐵路總公司科研開發計劃重點課題（2014G004-N）；國家自然科學基金（51378113）

孫斌（1970-），女（漢族），高級工程師．