钢筋混凝土盾构管片预制环保型生产工艺研究

王田宇

（中铁三局集团第二工程有限公司，福建 福州）

引言

钢筋混凝土盾构管片作为盾构隧道的关键组成部分，其数量与质量要求严格，所以管片的预制生产工艺至关重要。然而，在管片实际预制生产过程中，受混凝土拌合物性能、生产工艺等因素的影响，生产出的盾构管片存在表面凹凸不平的问题，而且抗裂性能较差，受盾构机等荷载作用，极易出现裂缝甚至破损，严重影响整个盾构隧道的施工质量。因此，为解决上述问题，本研究针对钢筋混凝土盾构管片预制生产工艺展开研究，提升盾构管片耐久性，有利于地铁盾构隧道施工方便。

1 钢筋混凝土盾构管片预制环保型生产工艺

1.1 确定钢筋混凝土盾构管片生产参数

在进行钢筋混凝土盾构管片预制环保型生产时，需要确定相关生产参数[1]。一是盾构管片的结构形式，本研究依据我国隧道常见的断面形状，设计钢筋混凝土盾构管片的结构形式。盾构管片的结构形式主要分为单圆和双圆两种，单圆盾构管片是管片呈现单独的圆环状，每一环管片由6 片管片构成；双圆盾构管片是管片呈现双圆环状，两个圆环管片由11 片管片构成。在我国隧道盾构施工中，由于地下隧道主要为单圆隧道，所以本研究采用单元环结构形式来生产钢筋混凝土盾构管片。二是盾构管片的拼装形式，钢筋混凝土盾构管片的拼装形式主要分为通缝与错缝这两种拼装形式，其中通缝拼装更为简单，每一环管片的拼装角度均一致，在施工中无需变换角度即可完成单圆环的拼装，本研究采用错缝拼装形式进行钢筋混凝土盾构管片预制环保型生产。三是盾构管片的承载力，钢筋混凝土盾构管片不仅受盾构设备的荷载影响，而且在长期应用中会受到隧道岩石的荷载，所以为确保盾构管片长期稳定使用，需要对管片的荷载进行考虑，在确定钢筋混凝土盾构管片荷载时，本研究将管片应力图形简化为等效应力图，从而计算出受荷载区等效应力图的高度：

式中：h1表示钢筋混凝土盾构管片受荷载区的等效应力图形高度；H1表示盾构管片截面高度；h2表示按我国现行规范规定获取的盾构管片受荷载区的等效应力图形高度；ε表示等效系数。同时，计算出受荷载区等效应力图形的抗拉强度，计算公式如下：

式中：ξ表示摩擦系数；η表示荷载值；γ表示混凝土变异系数。根据式（1）与式（2）即可获取管片荷载，表达式如下：

式中：f 表示钢筋混凝土盾构管片的设计荷载；b 表示钢筋与混凝土抗压强度设计值的比值；L 表示钢筋混凝土的拉应力；P 表示盾构管片的轴心抗压强度；S 表示盾构管片受荷载区截面面积。经过上述计算，获取钢筋混凝土盾构管片的结构形式、拼装形式以及承载力等生产参数，为后续生产流程提供数据支撑。

1.2 制作钢筋骨架

钢筋骨架是钢筋混凝土盾构管片的重要组成部分，盾构管片的使用性能主要取决钢筋骨，钢筋骨架的成形基本经历钢筋加工与钢筋绑扎这两个工序[2]。在进行钢筋加工时，首先需要对钢筋原材料进行检验，本研究为提升钢筋混凝土盾构管片的承载能力，采用热轧光圆钢筋与热轧带肋钢筋为原材料，并在钢筋进场后，按批次检验钢筋的质量与力学性能，确保钢筋原材料经过拉伸与冷弯试验后，无任何裂纹产生，在钢筋原材料经过质量检验合格后，对钢筋进行加工。最后利用弯曲成型机将钢筋弯曲成弧形，弯曲弧度根据设计要求确定。在钢筋加工完成后，进行绑扎作业，根据钢筋混凝土盾构管片的设计图纸，正确计算钢筋数量与下料长度，再严格参考配料单，完成钢筋配筋。最后采用钢筋绑扎胎架流水绑扎工艺，在加工区对钢筋统一进行流水绑扎，形成完成的钢筋骨架，在钢筋骨架成形后，通过墙体胎架对钢筋骨架进行固定，确保骨架稳定。

1.3 安装模板

我国盾构隧道施工中，主要采用人工插入式振捣与附着式整体振捣这两种钢筋混凝土振捣形式，本研究在设计并安装钢模板时，主要采用人工插入式振捣方式，所以基于该振捣方式的特点，本研究采用由底座、侧板、端板以及其他组件构成的模板结构[3]，如图1所示。

图1 盾构管片钢模板结构

在确定盾构管片的钢模板相关测量数据后，即可制作出各个组件的构件，并将各构件对号入座，然后进行合模，合模过程中，需要将底座、侧板等组件的结合面清理干净，避免影响合模效果。在各组件合模后，利用锁紧螺栓将各组件紧固在一起，并在接缝处用玻璃胶纸密封，避免浇筑混凝土浆液时发生漏浆现象，最后将盖板盖好，即可进行下一步作业。

1.4 浇筑混凝土

根据文中上述内容，得到钢筋骨架与钢模板后，将钢筋骨架放置在模板中间，并做好底面保护，即可进行混凝土浇筑作业[4]。进行混凝土浇筑前，需要配制混凝土浆液，浆液的性能直接决定后续钢筋混凝土管片的耐久性[5]。在配制混凝土浆液时，本研究综合考虑原材料的物理与力学性能，以及管片生产的环保效益，决定采用普通硅酸盐水泥为主要原材料，并采用粉煤灰、骨料、钢纤维以及减水剂为辅料，具体配合比如表1 所示。

表1 盾构管片混凝土浆液配比

将表1 中所示原材料按照相关配比分别加入搅拌机内，开启搅拌机进行搅拌，待混凝土浆液搅拌均匀无返浆、冒泡等现象后，即可开始混凝土的浇筑作业。采用分区、分层的方式将混凝土灌入钢模板中，由模板两侧从上至下同时浇筑混凝土，并在混凝土灌入后，插入振捣棒，对混凝土进行振捣，振捣操作需要做到快插、慢拔，确保混凝土振捣均匀，这样才能避免混凝土成型后出现空洞等缺陷。在混凝土浇筑过程中，一定不能触碰钢筋骨架，避免钢筋骨架移位影响管片质量。待钢模板顶端的混凝土浆液不再显著下降，且无任何返浆等现象后，即可停止浇筑与振捣作业，静置管片钢模板，等待浆液冷凝成型，即可形成钢筋混凝土盾构管片。

2 实例分析

2.1 工程概况

本研究主要依托某城市地铁3 号线工程项目，该地铁线路总长约125 km，贯穿整个城市。在该项目中，主要采用盾构施工法进行隧道贯穿施工，施工中采用C45 强度的混凝土生产两种规格的管片共计15 099 环，详细数据如表2 所示。

表2 钢筋混凝土盾构管片预制生产规格

钢筋混凝土盾构管片易在外弧面与环向侧面出现裂缝，一旦管片开裂不仅影响盾构隧道抵抗外界物质侵入的能力，而且威胁隧道整体使用寿命。因此，在利用本研究工艺生产出表2 所示的钢筋混凝土盾构管片之后，通过荷载冲击试验来检验设计工艺所生产的管片质量，从而判断设计预制环保型生产工艺是否合理有效。

2.2 管片质量检验

基于以上内容，控制钢筋混凝土盾构管片的生产原材料与几何尺寸等基础条件保持一致，然后分别采用传统生产工艺与本研究设计的预制环保型生产工艺，生产出A 规格管片与B 规格管片的试件，再对试件做荷载冲击试验。一般来说，在盾构隧道施工过程中，如果千斤顶等设备作用在盾构管片上，管片上就会出现最大弯矩与外力，所以本次荷载冲击试验中，对盾构管片试件的单位做冲击模拟，而盾构管片的另一面做正常荷载的情形模拟，示意如图2 所示。

图2 钢筋混凝土盾构管片试件冲击荷载位置

根据图2 所示，考虑千斤顶等设备对盾构管片支撑的位置是随机的，所以在本次荷载冲击试验中，对盾构管片试件进行了两种类型的冲击：中心冲击、边缘冲击。根据以上设置的荷载冲击试验条件，采用产自法国的荷载冲击试验机，对各盾构管片试件展开荷载冲击试验，试件加载方式为位移加载法，冲击压力为500 kN，冲击速度保持在0.25 mm/min。本次冲击试验中，每种规格的盾构管片制作了4 个试件，其中传统工艺生产2 个试件：一个用于中心冲击、一个用于边缘冲击；本研究设计工艺生产2 个试件：一个用于中心冲击、一个用于边缘冲击。在荷载冲击试验后，观察到的盾构管片试件开裂情况如图3 所示。

图3 钢筋混凝土盾构管片试件开裂情况

从图3 中可以看出，传统工艺所生产的钢筋混凝土盾构管片，无论是在何种加载方式的冲击下，管片试件均发生脆性开裂，试件表面裂缝不仅数量较多，而且尺寸较大，说明传统工艺生产的管片试件质量较差。而本研究设计工艺所生产的钢筋混凝土盾构管片，无论是在何种加载方式的冲击下，管片试件的开裂程度较传统工艺生产的管片试件均较小，统计并整理各管片试件对应的裂缝参数如表3 所示。

表3 盾构管片试件裂缝参数

根据表3 中数据可知，与传统工艺生产的盾构管片试件相比，在管片试件遭受相同冲击荷载时，本研究设计工艺生产的盾构管片抗裂性能更加优越，无论是裂缝数量还是裂缝尺寸均有显著降低。这主要是因为本研究设计工艺生产的钢筋混凝土盾构管片表层结构致密、无任何明显缺陷，促使管片抵抗冲击荷载造成的损伤能力更强。由此可知，本研究设计的钢筋混凝土盾构管片预制环保型生产工艺是可行且可靠的，该技术所生产的管片质量良好，具有较强抗裂性能。

结束语

文章研究了钢筋混凝土盾构管片预制环保型生产工艺，及其与传统生产工艺相比的优势。经过本研究设计工艺所生产的钢筋混凝土试件质量良好，在不同荷载冲击下不会发生突然地脆性断裂，且裂缝尺寸显著降低，说明设计工艺生产的试件有着较强的抗裂性能。虽然本研究已经取得一定成果，但由于时间有限，文中还存在一定不足之处有待完善，目前文中仅对钢筋混凝土盾构管片生产的环保性与抗裂性进行了理论研究，今后将从经济角度出发，对盾构管片生产工艺进行优化，充分发挥钢筋混凝土盾构管片的应用优势。