高铁隧道大直径盾构钢纤维混凝土管片设计和优势简析

孙斌，丁聪

（1.上海贝卡尔特-二钢有限公司，上海 200131；2.东南大学材料科学与工程学院，南京 211189）

高铁隧道大直径盾构钢纤维混凝土管片设计和优势简析

孙斌1，丁聪2

（1.上海贝卡尔特-二钢有限公司，上海 200131；2.东南大学材料科学与工程学院，南京 211189）

为提高钢筋混凝土管片的抗裂性能和服役寿命，本文依托望京高铁隧道大直径盾构研究项目阐述盾构钢纤维钢筋混凝土管片的结构设计，通过对比钢纤维钢筋混凝土管片和钢筋混凝土管片的设计结果和成本优势，得出增加钢纤维减少钢筋用量不但降低成本，而且减小混凝土裂缝宽度达26%，提升管片耐久性．钢纤维钢筋混凝土管片设计在国内是个创新，可为地下轨交建设钢纤维混凝土预制管片一类工程的实际应用提供理论支持．

钢纤维；混凝土；管片设计

盾构隧道衬砌结构中应用最广泛的是钢筋混凝土管片，但是由于混凝土保护层抗裂性和韧性差，会引起因运输、施工、拼装、围岩受力变化、钢筋锈蚀和接缝透水区域干湿循环等原因导致的管片混凝土开裂和破损，降低管片的服役寿命．钢纤维混凝土管片或配筋纤维混凝土管片，因具有增韧、增强、阻裂、提升耐久性和安全性的独特性能，使其较好地弥补前述钢筋混凝土管片的缺点．其抗拉、抗弯强度、韧性和抗裂、耐冲击、耐腐蚀、耐疲劳性、抗高温灾变等性能可得到提高，欧美国家都对其进行了深入的理论研究和广泛的工程实践，而我国高铁盾构隧道使用钢纤维混凝土管片和配筋钢纤维混凝土管片的设计研究尚处于起步阶段．基于望京隧道10 m大直径管片结构设计要求，采用钢纤维部分或全部取代钢筋，提出该新型管片在盾构隧道不同埋深段的结构设计以及与传统方案的优势比较．

1 钢纤维钢筋混凝土管片计算

1.1 隧道概况和原初步设计方案

隧道全长8.1 km，隧道最大埋深39 m，盾构穿越地层主要为砂层、粘土、粉土和粉质粘土．采用明挖法、暗挖法和盾构施工法其中盾构段6.8 km，要求设计服役寿命100年．

钢筋混凝土管片设计内径9 m，外径10 m，采用通用锲形管片，管片分块形式：“6+2+1”，管片厚500mm，宽2 m．通过对浅埋断面的最大内力计算得到内外侧最大配筋见表1．

表1 浅埋断面配筋表（每环宽2.0 m）Tab.1 shallow buried section reinforcement

1.2 钢纤维钢筋混凝土管片承载力极限状态验算

已知管片h=500 mm，W=2 000 mm，内半径ri=4.5 m，角度=43.2°（标准块），管片弧长l=3.4 m，保护层厚度a=a'=35 mm，h0=465 mm，从表1获悉内力最大处为管片内侧即每延米轴力N=1 038.9 kN，弯矩M=798.1 kN m．根据钢纤维钢筋管片复合设计要求，在强度C55混凝土掺入佳密克丝4D型钢纤维30kg/m3．对浅埋断面1的内侧进行验算，步骤包括大小偏心判断，钢纤维钢筋混凝土偏心受压计算公式确定，受压区高度计算和配筋计算．

1.2.1 判别大小偏心受压

图1 矩形正截面偏心受压构件应力分布Fig.1 Stress of rectangle section under eccentric compression

1.2.2 偏心受压计算公式

钢纤维钢筋混凝土管片大偏心受压承载力计算方法依据混凝土结构设计标准[1]同时考虑钢纤维在受拉区的贡献，截面应力分布如图1，具体计算按式(1)和式(2)．

式(2)中：C55钢纤维混凝土抗压强度同素混凝土设计值ffc=25.3 N/mm2；x为钢纤维混凝土受压区高度，mm；xt为钢纤维混凝土受拉区高度，mm，xt=h x=500 x；fy为钢筋设计强度360N/mm2；A'S为受压区钢筋；AS为受拉区钢筋；fftu为钢纤维混凝土抗拉强度设计值，N/mm2，根据ModelCode2010[3]，fftu=0.33 fR3/rF，fR3是对应小梁切口位移2.5mm的钢纤维混凝土残余抗弯强度标准值，fR3=3.95N/mm2，该值通过带切口钢纤维混凝土小梁试验获得，试验方法根据ISO标准[4]，rF为受压钢纤维混凝土材料分项系数1.25，fftu= 0.33fR3/rF=1.04 N/mm2．

1.2.3 受压区高度计算

对公式(4)左边进行计算，考虑荷载系数1.35，则Nfue=1.35×1038.9×103e=1402.52×103e，e为轴向作用力至受拉钢筋截面重心的偏心距计算按公式：

故e=1 003 mm．所以Nfue=1.41×109N mm，将所有数据代入公式(4)得x2931x+115287=0，解得x= 147 mm，即受压区高度为147 mm．

1.2.4 配筋计算

对公式(3)计算，考虑荷载安全系数1.35，计算得AS=5 424 mm2，实选取28@100 mm，配筋面积AS=6 157 mm2．所以浅埋断面1-管片内侧采用C55混凝土掺入30 kg/m3佳密克丝4D型钢纤维和28@100 mm，HRB400钢筋满足承载力设计要求．

1.3 正常使用极限状态裂缝宽度验算

1.4 其它不同埋深断面计算原理和方法

同上，步骤略，计算结果见表2．

2 钢纤维钢筋混凝土管片优势分析

1）传统钢筋混凝土管片和钢纤维钢筋混凝土管片材料成本分析如表3所示．

从表3得出如与传统钢筋混凝土管片比较，中埋段的钢纤维钢筋管片的成本优势较大，节省达9.85%，浅埋和深埋段的钢纤维钢筋管片成本节省较少．

2）耐久性．从裂缝宽度的验算结果得出在增加钢纤维减少钢筋用量的设计中浅埋管片的裂缝宽度由0.19 mm降低到0.14 mm即宽度减小26%，中埋管片裂缝宽度由0.16 mm降低0.13 mm减小了约18%，深埋管片的裂缝宽度接近．通过裂缝宽度减小显著地提高了管片的耐久性．

表2 不同埋深断面计算结果Tab.2 Design results of different section

表3 经济分析Tab.3 Economy analysis

3 结论

通过对承载力极限状态和正常使用极限状态下钢纤维钢筋混凝土管片的计算结果分析，最终得出钢纤维与钢筋混凝土的复合设计方法不仅能减小裂缝宽度提高结构的耐久性及服役寿命且具有一定经济优势，所以钢纤维混凝土管片这种新型结构材料和设计方法在地下轨交建设进行推广和使用具有积极的作用．

[1]叶烈平．混凝土结构[M]．第2版．北京：清华大学出版社，2006．

[2]GB50010-2010，混凝土结构设计规范[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]中国工程建设标准化协会．钢纤维混凝土结构技术规程（CECS 38：2004）[S]．北京：中国计划出版社，2004．

[7]荣健林，闻毓民，吴强．钢纤维混凝土盾构管片可行性分析[J]．建筑设备与建筑材料，2006，26（6）：158-159．

[8]蒲奥．纤维混凝土管片设计研究及工程运用[D]．成都：西南交通大学，2007．

[责任编辑 杨屹]

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

中国铁路总公司科研开发计划重点课题（2014G004-N）；国家自然科学基金（51378113）

孙斌（1970-），女（汉族），高级工程师．