鋼筋混凝土盾構(gòu)管片預(yù)制環(huán)保型生產(chǎn)工藝研究

王田宇

（中鐵三局集團(tuán)第二工程有限公司，福建 福州）

引言

鋼筋混凝土盾構(gòu)管片作為盾構(gòu)隧道的關(guān)鍵組成部分，其數(shù)量與質(zhì)量要求嚴(yán)格，所以管片的預(yù)制生產(chǎn)工藝至關(guān)重要。然而，在管片實(shí)際預(yù)制生產(chǎn)過程中，受混凝土拌合物性能、生產(chǎn)工藝等因素的影響，生產(chǎn)出的盾構(gòu)管片存在表面凹凸不平的問題，而且抗裂性能較差，受盾構(gòu)機(jī)等荷載作用，極易出現(xiàn)裂縫甚至破損，嚴(yán)重影響整個(gè)盾構(gòu)隧道的施工質(zhì)量。因此，為解決上述問題，本研究針對(duì)鋼筋混凝土盾構(gòu)管片預(yù)制生產(chǎn)工藝展開研究，提升盾構(gòu)管片耐久性，有利于地鐵盾構(gòu)隧道施工方便。

1 鋼筋混凝土盾構(gòu)管片預(yù)制環(huán)保型生產(chǎn)工藝

1.1 確定鋼筋混凝土盾構(gòu)管片生產(chǎn)參數(shù)

在進(jìn)行鋼筋混凝土盾構(gòu)管片預(yù)制環(huán)保型生產(chǎn)時(shí)，需要確定相關(guān)生產(chǎn)參數(shù)[1]。一是盾構(gòu)管片的結(jié)構(gòu)形式，本研究依據(jù)我國隧道常見的斷面形狀，設(shè)計(jì)鋼筋混凝土盾構(gòu)管片的結(jié)構(gòu)形式。盾構(gòu)管片的結(jié)構(gòu)形式主要分為單圓和雙圓兩種，單圓盾構(gòu)管片是管片呈現(xiàn)單獨(dú)的圓環(huán)狀，每一環(huán)管片由6 片管片構(gòu)成；雙圓盾構(gòu)管片是管片呈現(xiàn)雙圓環(huán)狀，兩個(gè)圓環(huán)管片由11 片管片構(gòu)成。在我國隧道盾構(gòu)施工中，由于地下隧道主要為單圓隧道，所以本研究采用單元環(huán)結(jié)構(gòu)形式來生產(chǎn)鋼筋混凝土盾構(gòu)管片。二是盾構(gòu)管片的拼裝形式，鋼筋混凝土盾構(gòu)管片的拼裝形式主要分為通縫與錯(cuò)縫這兩種拼裝形式，其中通縫拼裝更為簡單，每一環(huán)管片的拼裝角度均一致，在施工中無需變換角度即可完成單圓環(huán)的拼裝，本研究采用錯(cuò)縫拼裝形式進(jìn)行鋼筋混凝土盾構(gòu)管片預(yù)制環(huán)保型生產(chǎn)。三是盾構(gòu)管片的承載力，鋼筋混凝土盾構(gòu)管片不僅受盾構(gòu)設(shè)備的荷載影響，而且在長期應(yīng)用中會(huì)受到隧道巖石的荷載，所以為確保盾構(gòu)管片長期穩(wěn)定使用，需要對(duì)管片的荷載進(jìn)行考慮，在確定鋼筋混凝土盾構(gòu)管片荷載時(shí)，本研究將管片應(yīng)力圖形簡化為等效應(yīng)力圖，從而計(jì)算出受荷載區(qū)等效應(yīng)力圖的高度：

式中：h1表示鋼筋混凝土盾構(gòu)管片受荷載區(qū)的等效應(yīng)力圖形高度；H1表示盾構(gòu)管片截面高度；h2表示按我國現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定獲取的盾構(gòu)管片受荷載區(qū)的等效應(yīng)力圖形高度；ε表示等效系數(shù)。同時(shí)，計(jì)算出受荷載區(qū)等效應(yīng)力圖形的抗拉強(qiáng)度，計(jì)算公式如下：

式中：ξ表示摩擦系數(shù)；η表示荷載值；γ表示混凝土變異系數(shù)。根據(jù)式（1）與式（2）即可獲取管片荷載，表達(dá)式如下：

式中：f 表示鋼筋混凝土盾構(gòu)管片的設(shè)計(jì)荷載；b 表示鋼筋與混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的比值；L 表示鋼筋混凝土的拉應(yīng)力；P 表示盾構(gòu)管片的軸心抗壓強(qiáng)度；S 表示盾構(gòu)管片受荷載區(qū)截面面積。經(jīng)過上述計(jì)算，獲取鋼筋混凝土盾構(gòu)管片的結(jié)構(gòu)形式、拼裝形式以及承載力等生產(chǎn)參數(shù)，為后續(xù)生產(chǎn)流程提供數(shù)據(jù)支撐。

1.2 制作鋼筋骨架

鋼筋骨架是鋼筋混凝土盾構(gòu)管片的重要組成部分，盾構(gòu)管片的使用性能主要取決鋼筋骨，鋼筋骨架的成形基本經(jīng)歷鋼筋加工與鋼筋綁扎這兩個(gè)工序[2]。在進(jìn)行鋼筋加工時(shí)，首先需要對(duì)鋼筋原材料進(jìn)行檢驗(yàn)，本研究為提升鋼筋混凝土盾構(gòu)管片的承載能力，采用熱軋光圓鋼筋與熱軋帶肋鋼筋為原材料，并在鋼筋進(jìn)場后，按批次檢驗(yàn)鋼筋的質(zhì)量與力學(xué)性能，確保鋼筋原材料經(jīng)過拉伸與冷彎試驗(yàn)后，無任何裂紋產(chǎn)生，在鋼筋原材料經(jīng)過質(zhì)量檢驗(yàn)合格后，對(duì)鋼筋進(jìn)行加工。最后利用彎曲成型機(jī)將鋼筋彎曲成弧形，彎曲弧度根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定。在鋼筋加工完成后，進(jìn)行綁扎作業(yè)，根據(jù)鋼筋混凝土盾構(gòu)管片的設(shè)計(jì)圖紙，正確計(jì)算鋼筋數(shù)量與下料長度，再嚴(yán)格參考配料單，完成鋼筋配筋。最后采用鋼筋綁扎胎架流水綁扎工藝，在加工區(qū)對(duì)鋼筋統(tǒng)一進(jìn)行流水綁扎，形成完成的鋼筋骨架，在鋼筋骨架成形后，通過墻體胎架對(duì)鋼筋骨架進(jìn)行固定，確保骨架穩(wěn)定。

1.3 安裝模板

我國盾構(gòu)隧道施工中，主要采用人工插入式振搗與附著式整體振搗這兩種鋼筋混凝土振搗形式，本研究在設(shè)計(jì)并安裝鋼模板時(shí)，主要采用人工插入式振搗方式，所以基于該振搗方式的特點(diǎn)，本研究采用由底座、側(cè)板、端板以及其他組件構(gòu)成的模板結(jié)構(gòu)[3]，如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)管片鋼模板結(jié)構(gòu)

在確定盾構(gòu)管片的鋼模板相關(guān)測量數(shù)據(jù)后，即可制作出各個(gè)組件的構(gòu)件，并將各構(gòu)件對(duì)號(hào)入座，然后進(jìn)行合模，合模過程中，需要將底座、側(cè)板等組件的結(jié)合面清理干凈，避免影響合模效果。在各組件合模后，利用鎖緊螺栓將各組件緊固在一起，并在接縫處用玻璃膠紙密封，避免澆筑混凝土漿液時(shí)發(fā)生漏漿現(xiàn)象，最后將蓋板蓋好，即可進(jìn)行下一步作業(yè)。

1.4 澆筑混凝土

根據(jù)文中上述內(nèi)容，得到鋼筋骨架與鋼模板后，將鋼筋骨架放置在模板中間，并做好底面保護(hù)，即可進(jìn)行混凝土澆筑作業(yè)[4]。進(jìn)行混凝土澆筑前，需要配制混凝土漿液，漿液的性能直接決定后續(xù)鋼筋混凝土管片的耐久性[5]。在配制混凝土漿液時(shí)，本研究綜合考慮原材料的物理與力學(xué)性能，以及管片生產(chǎn)的環(huán)保效益，決定采用普通硅酸鹽水泥為主要原材料，并采用粉煤灰、骨料、鋼纖維以及減水劑為輔料，具體配合比如表1 所示。

表1 盾構(gòu)管片混凝土漿液配比

將表1 中所示原材料按照相關(guān)配比分別加入攪拌機(jī)內(nèi)，開啟攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌，待混凝土漿液攪拌均勻無返漿、冒泡等現(xiàn)象后，即可開始混凝土的澆筑作業(yè)。采用分區(qū)、分層的方式將混凝土灌入鋼模板中，由模板兩側(cè)從上至下同時(shí)澆筑混凝土，并在混凝土灌入后，插入振搗棒，對(duì)混凝土進(jìn)行振搗，振搗操作需要做到快插、慢拔，確保混凝土振搗均勻，這樣才能避免混凝土成型后出現(xiàn)空洞等缺陷。在混凝土澆筑過程中，一定不能觸碰鋼筋骨架，避免鋼筋骨架移位影響管片質(zhì)量。待鋼模板頂端的混凝土漿液不再顯著下降，且無任何返漿等現(xiàn)象后，即可停止?jié)仓c振搗作業(yè)，靜置管片鋼模板，等待漿液冷凝成型，即可形成鋼筋混凝土盾構(gòu)管片。

2 實(shí)例分析

2.1 工程概況

本研究主要依托某城市地鐵3 號(hào)線工程項(xiàng)目，該地鐵線路總長約125 km，貫穿整個(gè)城市。在該項(xiàng)目中，主要采用盾構(gòu)施工法進(jìn)行隧道貫穿施工，施工中采用C45 強(qiáng)度的混凝土生產(chǎn)兩種規(guī)格的管片共計(jì)15 099 環(huán)，詳細(xì)數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 鋼筋混凝土盾構(gòu)管片預(yù)制生產(chǎn)規(guī)格

鋼筋混凝土盾構(gòu)管片易在外弧面與環(huán)向側(cè)面出現(xiàn)裂縫，一旦管片開裂不僅影響盾構(gòu)隧道抵抗外界物質(zhì)侵入的能力，而且威脅隧道整體使用壽命。因此，在利用本研究工藝生產(chǎn)出表2 所示的鋼筋混凝土盾構(gòu)管片之后，通過荷載沖擊試驗(yàn)來檢驗(yàn)設(shè)計(jì)工藝所生產(chǎn)的管片質(zhì)量，從而判斷設(shè)計(jì)預(yù)制環(huán)保型生產(chǎn)工藝是否合理有效。

2.2 管片質(zhì)量檢驗(yàn)

基于以上內(nèi)容，控制鋼筋混凝土盾構(gòu)管片的生產(chǎn)原材料與幾何尺寸等基礎(chǔ)條件保持一致，然后分別采用傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝與本研究設(shè)計(jì)的預(yù)制環(huán)保型生產(chǎn)工藝，生產(chǎn)出A 規(guī)格管片與B 規(guī)格管片的試件，再對(duì)試件做荷載沖擊試驗(yàn)。一般來說，在盾構(gòu)隧道施工過程中，如果千斤頂?shù)仍O(shè)備作用在盾構(gòu)管片上，管片上就會(huì)出現(xiàn)最大彎矩與外力，所以本次荷載沖擊試驗(yàn)中，對(duì)盾構(gòu)管片試件的單位做沖擊模擬，而盾構(gòu)管片的另一面做正常荷載的情形模擬，示意如圖2 所示。

圖2 鋼筋混凝土盾構(gòu)管片試件沖擊荷載位置

根據(jù)圖2 所示，考慮千斤頂?shù)仍O(shè)備對(duì)盾構(gòu)管片支撐的位置是隨機(jī)的，所以在本次荷載沖擊試驗(yàn)中，對(duì)盾構(gòu)管片試件進(jìn)行了兩種類型的沖擊：中心沖擊、邊緣沖擊。根據(jù)以上設(shè)置的荷載沖擊試驗(yàn)條件，采用產(chǎn)自法國的荷載沖擊試驗(yàn)機(jī)，對(duì)各盾構(gòu)管片試件展開荷載沖擊試驗(yàn)，試件加載方式為位移加載法，沖擊壓力為500 kN，沖擊速度保持在0.25 mm/min。本次沖擊試驗(yàn)中，每種規(guī)格的盾構(gòu)管片制作了4 個(gè)試件，其中傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)2 個(gè)試件：一個(gè)用于中心沖擊、一個(gè)用于邊緣沖擊；本研究設(shè)計(jì)工藝生產(chǎn)2 個(gè)試件：一個(gè)用于中心沖擊、一個(gè)用于邊緣沖擊。在荷載沖擊試驗(yàn)后，觀察到的盾構(gòu)管片試件開裂情況如圖3 所示。

圖3 鋼筋混凝土盾構(gòu)管片試件開裂情況

從圖3 中可以看出，傳統(tǒng)工藝所生產(chǎn)的鋼筋混凝土盾構(gòu)管片，無論是在何種加載方式的沖擊下，管片試件均發(fā)生脆性開裂，試件表面裂縫不僅數(shù)量較多，而且尺寸較大，說明傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的管片試件質(zhì)量較差。而本研究設(shè)計(jì)工藝所生產(chǎn)的鋼筋混凝土盾構(gòu)管片，無論是在何種加載方式的沖擊下，管片試件的開裂程度較傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的管片試件均較小，統(tǒng)計(jì)并整理各管片試件對(duì)應(yīng)的裂縫參數(shù)如表3 所示。

表3 盾構(gòu)管片試件裂縫參數(shù)

根據(jù)表3 中數(shù)據(jù)可知，與傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的盾構(gòu)管片試件相比，在管片試件遭受相同沖擊荷載時(shí)，本研究設(shè)計(jì)工藝生產(chǎn)的盾構(gòu)管片抗裂性能更加優(yōu)越，無論是裂縫數(shù)量還是裂縫尺寸均有顯著降低。這主要是因?yàn)楸狙芯吭O(shè)計(jì)工藝生產(chǎn)的鋼筋混凝土盾構(gòu)管片表層結(jié)構(gòu)致密、無任何明顯缺陷，促使管片抵抗沖擊荷載造成的損傷能力更強(qiáng)。由此可知，本研究設(shè)計(jì)的鋼筋混凝土盾構(gòu)管片預(yù)制環(huán)保型生產(chǎn)工藝是可行且可靠的，該技術(shù)所生產(chǎn)的管片質(zhì)量良好，具有較強(qiáng)抗裂性能。

結(jié)束語

文章研究了鋼筋混凝土盾構(gòu)管片預(yù)制環(huán)保型生產(chǎn)工藝，及其與傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝相比的優(yōu)勢。經(jīng)過本研究設(shè)計(jì)工藝所生產(chǎn)的鋼筋混凝土試件質(zhì)量良好，在不同荷載沖擊下不會(huì)發(fā)生突然地脆性斷裂，且裂縫尺寸顯著降低，說明設(shè)計(jì)工藝生產(chǎn)的試件有著較強(qiáng)的抗裂性能。雖然本研究已經(jīng)取得一定成果，但由于時(shí)間有限，文中還存在一定不足之處有待完善，目前文中僅對(duì)鋼筋混凝土盾構(gòu)管片生產(chǎn)的環(huán)保性與抗裂性進(jìn)行了理論研究，今后將從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，對(duì)盾構(gòu)管片生產(chǎn)工藝進(jìn)行優(yōu)化，充分發(fā)揮鋼筋混凝土盾構(gòu)管片的應(yīng)用優(yōu)勢。