CN200952394Y - 抗爆裂复合盾构隧道管片 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种抗爆裂复合盾构隧道管片，所述管片由混凝土构成，所述混凝土管片分为内外两层，外层为普通混凝土层，内层为掺有聚丙烯纤维的混凝土层。在内层中设置了钢丝网，钢丝网上固定有钢丝弯钩，所述钢丝弯钩插入外层中，确保了内层掺聚丙烯纤维混凝土层与外层普通混凝土层的紧密结合，同时增强了内层掺聚丙烯纤维混凝土层的抗爆裂能力。与普通混凝土管片相比，在不改变管片尺寸、不降低管片抗渗性能的条件下，所述管片具备了较高的耐火抗爆裂性能，而且成本较低。同时，由于避免了混凝土的爆裂，也间接为内侧受力主筋提供了足够的隔热保护层。

Description

抗爆裂复合盾构隧道管片

技术领域

本实用新型涉及一种隧道管片，特别是涉及一种具有耐火抗爆裂能力的隧道管片。

背景技术

火灾高温会导致隧道衬砌结构混凝土发生爆裂，这一现象在历次的火灾事故中表现的非常突出(如英法海峡隧道火灾、丹麦大贝尔特隧道火灾、勃朗峰隧道火灾等)。混凝土爆裂的机理是：混凝土表面受热后，表层混凝土内的水分形成蒸汽，并向温度较低的混凝土内层流动，进入内层孔隙。这种水分和蒸汽的迁移速度决定于内层混凝土孔隙结构和加热升温速率。一旦温度迅速升高，外层的饱和蒸汽不能及时地进入内层孔隙结构，就会使蒸汽压力急速增大，在混凝土内部产生拉应力，如果混凝土的抗拉强度不足以抵抗蒸汽产生的拉应力，混凝土表层的薄层就会突然脱落，形成爆裂，同时新裸露的混凝土又暴露于高温之中，从而引发进一步的爆裂。爆裂是一个普遍现象，不论是普通混凝土还是高强混凝土都可能发生，特别是越密实的混凝土越容易发生爆裂。爆裂是一个随机过程，目前还无法预测爆裂的发生以及可能的爆裂深度。

爆裂是火灾高温对隧道衬砌结构的主要损害形式，这是由于：1)隧道火灾升温速度快，最高温度高，使得隧道衬砌结构非常易于爆裂，且衬砌结构内的温度梯度非常大；2)隧道衬砌结构混凝土一般等级较高、密实性好，特别是对于盾构隧道衬砌；3)隧道衬砌结构往往主要承受压应力，特别是对于盾构隧道衬砌；4)衬砌结构体系刚度较大，火灾时会在衬砌结构内产生巨大的热应力。此外，由于隧道火灾持续时间较长，不断发生的爆裂还会使内侧受力钢筋暴露于火灾高温中，严重降低衬砌结构的承载力和可靠性，甚至导致隧道衬砌结构坍塌。

为了保护隧道衬砌结构在火灾高温下的安全性，目前常用的方法有安装防火板、防火喷涂料等隔热防护的方法以及在衬砌混凝土中通体掺加聚丙烯纤维(钢纤维)的方法。

其中，利用防火板、防火喷涂料隔断或者减弱施加到衬砌结构上的热荷载的方法，是目前国内外隧道工程中应用最普遍的方法。以国内为例，上海市延安东路越江隧道首次大面积使用了防火隔热涂料(拱顶全部喷涂了2.5cm厚的防火涂料)，此后，考虑到喷涂层在隧道这种恶劣环境下容易失效，为了获得更好的耐久性，在上海新建的几条隧道采用了防火板。表面隔热防护的方法根据隔热材料布置的不同，可以有多种形式。

单就对衬砌结构的保护而言，防火板、防火喷涂料是非常有效的方法，当达到合适的厚度后，不仅可以降低混凝土表面的温度、避免爆裂，同时也可以有效的保护接头等隧道衬砌的薄弱环节，有关的试验也证实了这一点。但是，尽管防火板、防火喷涂料等隔热防护方法对隧道衬砌结构的防护效果非常明显，并在隧道工程中得到了广泛的应用，仍存在如下的缺点和不足：

(1)安装了防火板和防火喷涂料后，无法及时的发现隧道衬砌表面的渗漏、裂缝的出现及位置，也无法对隧道衬砌表面的状况进行直观的检查；

(2)为了安装防火板和防火喷涂料，需要扩大隧道开挖断面，增加了工程造价和工程量。据估算，安装防火板、防火涂料会使得隧道直径增加8-10cm，相应增加开挖工作量1.5％-2％；

(3)防火板和防火喷涂料的运输、安装(喷涂)增加了工程施工时间；

(4)使用防火板和防火喷涂料时会影响隧道内风机、信号设施、交通灯、监控设备等的安装；

(5)由于技术水平的限制，现有的防火板和防火喷涂料尚难以满足工程全寿命的要求(如100年)，一般需要在工程的全寿命期中更新2-3次，增加了维护成本；

(6)防火板和防火喷涂料不能保护隧道衬砌结构在施工时的火灾安全。如上海市地铁盾构隧道火灾和丹麦大贝尔特隧道火灾均是施工时由于设备(操作失误)起火，对隧道衬砌造成了严重的破坏；

(7)防火板和防火喷涂料的组成材料在火灾时会产生有毒气体，影响人员的逃生和火灾救援；

(8)在隧道环境下，车辆排出的废气、强风、振动及电腐蚀等会导致防火板和防火喷涂料不能有效发挥功用；此外，在进行隧道清洗时，防火板和防火喷涂料可能会由于高压水、清洗剂等作用而失效；

(9)从全局的观点看，尽管防火板和防火喷涂料有效的减弱(或隔断)了热量向隧道衬砌结构的传递，但是却使大量的热集聚在隧道内，使得隧道内温度迅速升高，火灾规模进一步扩大，恶化了隧道内人员逃生和火灾消防救援的条件。

对于在衬砌混凝土中通体掺加聚丙烯纤维的方法而言，虽然能够有效的避免混凝土的高温爆裂，但是同时严重降低了混凝土高温后的抗渗耐久性(由于隧道衬砌结构处在水土包围中，保持高的抗渗耐久性是必须的)；此外，聚丙烯纤维的造价相对较高，在衬砌混凝土中通体掺加聚丙烯纤维会较多的增加工程造价；同时，该方法也没有提供对管片手孔及接头的保护方法。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种具有较高耐火抗爆裂性能而且成本较低的盾构隧道管片。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：一种抗爆裂复合盾构隧道管片，所述管片由混凝土构成，所述混凝土管片分为内外两层，外层为普通混凝土层，内层为掺有聚丙烯纤维的混凝土层。

本实用新型的复合管片与采用防火板(防火喷涂料)防护或通体掺聚丙烯纤维防护相比，具有如下优点：

(1)常温下，由于聚丙烯纤维的掺加，提高了混凝土的密实性和抗裂能力，使得对内侧钢筋的保护作用增强。

(2)与通体掺加聚丙烯纤维相比，本实用新型的复合管片不仅可以抑制爆裂的发生，同时，由于是局部掺加纤维，不会明显降低高温后衬砌结构的抗渗耐久性。

(3)与安装防火板和防火喷涂料相比，本实用新型的复合管片的内层除了作为耐火层外，同时与外层一起承担外荷载，因此无需增厚衬砌，进而无需增加隧道开挖断面。

(4)防火板和防火喷涂料安装(或喷涂)增加了工程施工时间，而本实用新型的复合管片的拼装与普通管片一样，无需增加额外施工时间。

(5)与安装防火板和防火喷涂料相比，本实用新型的复合管片进行风机、信号设施、交通灯、监控设备等的安装非常方便。

(6)与安装防火板和防火喷涂料相比，本实用新型的复合管片可以满足工程全寿命的要求，无需中途更新。

(7)本实用新型的复合管片提供了从施工到运营全程的耐火抗爆裂能力。

(8)与安装防火板和防火喷涂料相比，本实用新型的复合管片火灾高温时不会产生有毒气体，不会影响人员的逃生和消防灭火活动。

(9)与安装防火板和防火喷涂料相比，本实用新型的复合管片不受车辆废气、强风、振动、清洗等影响，同时，也不影响对隧道表面状况的检查和修复。

(10)与通体掺加聚丙烯纤维相比，本实用新型的复合管片由于只在内层内使用聚丙烯纤维，因此用量较少，造价上不会增加太多，成本较低，性价比高。

作为上述技术方案的一种优选方案，所述外层混凝土中设有受力主筋，内层的中间位置设有钢丝网，钢丝网上固定有钢丝弯钩，所述钢丝弯钩插入外层中。内层钢丝网的设置增强了内层混凝土的抗爆裂能力，钢丝网上固定钢丝弯钩可以确保内层与外层的紧密结合，由于避免了混凝土的爆裂，间接为内侧受力主筋提供了足够的隔热层。

在上述优选方案中，所述钢丝网的网格为方形，网格的边长n＞2d_max，其中d_max为混凝土骨料的最大粒径。

在上述优选方案中，所述钢丝弯钩的长度L≥(α-d)+3φ，其中α为内侧钢筋保护层的厚度，d为钢丝网到管片内表面的距离，φ为受力主筋的直径。

在上述优选方案中，所述内层的厚度D＜α，α为内侧钢筋保护层的厚度。

在上述方案中，所述聚丙烯纤维的掺加量为2kg/m³。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明。

图1是本实用新型抗爆裂复合盾构隧道管片的结构示意图。

图2是本实用新型抗爆裂复合盾构隧道管片的截面示意图。

图3是图2中I处的局部放大图。

图4是本实用新型抗爆裂复合盾构隧道管片手孔和接缝耐火措施的示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型的一种抗爆裂复合盾构隧道管片分为内外两层，外层1为普通混凝土层，内层3为掺有聚丙烯纤维的混凝土层。外层1与普通的混凝土管片结构没有多大区别，其中也设有受力主筋2，管片的两端设有用于拼接的螺栓孔7和手孔4。内层3位于受力主筋2的内侧，即受力主筋2完全埋设在外层之中。内层3虽然也是由混凝土构成，但掺加了2kg/m³的聚丙烯纤维，为了增强抗爆裂的性能，聚丙烯选用长细比大、长度长的分散状单丝纤维，并搅拌均匀，使纤维高度分散在混凝土中。同时，内层3中混凝土的骨料粒径也较小(≤25mm)。内层3由喷混凝土设备将掺有聚丙烯纤维的混凝土在管片钢模内喷射到设计厚度而成。

为了增强内层混凝土的抗爆裂能力，并确保内层3与外层1的紧密结合，内层3的中间位置设有钢丝网5，如图2所示，钢丝网5上固定有钢丝弯钩6，钢丝弯钩6插入外层1中。内层3中由于聚丙烯纤维和钢丝网的设置避免了混凝土的爆裂，间接为受力主筋2提供了足够的隔热保护层。钢丝网5的网格可以是方形，如图3所示，网格的边长n＞2d_max(以保证混凝土喷射均匀)，其中d_max为混凝土骨料的最大粒径。而钢丝弯钩6的长度L≥(α-d)+3φ(保证钢丝弯钩6在外层1中有足够的锚固长度)，其中α为内侧受力主筋保护层的厚度，d为钢丝网到管片内表面的距离，φ为受力主筋的直径。

内层3的厚度D应根据设定的火灾场景(最高温度、持续时间)计算衬砌混凝土的温度场分布来确定，取爆裂发生的时间范围内，衬砌截面上温度达到爆裂发生温度范围的混凝土深度为内层3的厚度D，其中，混凝土发生爆裂的温度可取为250℃-420℃，爆裂发生的时间范围取为起火后的30分钟内(表1给出了不同爆裂时间、不同火灾最高温度下，内层3厚度D的建议值)；同时内层3的厚度D应该小于内侧钢筋保护层的厚度α，这样既可以为受力主筋2提供足够厚度的隔热保护层，又可以避免受力主筋2正好通过内层3与外层1的分界面。

      表1不同爆裂时间、不同火灾最高温度下内层3厚度的建议值(mm)

注：表中小值对应于爆裂温度的上限(420℃)；大值对应于爆裂温度的下限(250℃)。

为了提高衬砌结构的整体耐火性能，本实用新型的管片在拼接后，最好对手孔4和接缝8部位进行混凝土填充保护，所填充的混凝土中掺加钢纤维和聚丙烯纤维来增强抗爆裂能力，如图4所示。

本实用新型抗爆裂复合盾构隧道管片耐火抗爆裂的机理在于：

(1)掺入聚丙烯纤维的内层3和安设在内层中的细钢丝网5能够有效的抑制混凝土的爆裂。同时，由于避免了混凝土的爆裂，间接为外层中的受力主筋提供了足够的隔热层。

(2)聚丙烯纤维的掺入对混凝土高温时(高温后)的力学性能影响很小。因此，从力学性能角度考虑，内层3与外层1一样都可以有效承担外荷载的作用。

(3)钢丝弯钩6和钢丝网5一起增强了内外层间的结合力。

(4)由于只在内层3中掺有聚丙烯纤维，因此，抗渗耐久性的降低远小于通体掺加聚丙烯纤维的方法，其降低的程度与普通混凝土管片相近。

Claims (6)

1.一种抗爆裂复合盾构隧道管片，所述管片由混凝土构成，其特征是：所述混凝土管片分为内外两层，外层(1)为普通混凝土层，内层(3)为掺有聚丙烯纤维的混凝土层。

2.根据权利要求1所述的抗爆裂复合盾构隧道管片，其特征是：所述外层(1)混凝土中设有受力主筋(2)，内层(3)的中间位置设有钢丝网(5)，钢丝网(5)上固定有钢丝弯钩(6)，所述钢丝弯钩(6)插入外层(1)中。

3.根据权利要求2所述的抗爆裂复合盾构隧道管片，其特征是：所述钢丝网(5)的网格为方形，网格的边长n＞2d_max，其中d_max为混凝土骨料的最大粒径。

4.根据权利要求2所述的抗爆裂复合盾构隧道管片，其特征是：所述钢丝弯钩(6)的长度L≥(α-d)+3φ，其中α为内侧钢筋保护层的厚度，d为钢丝网(5)到管片内表面的距离，φ为受力主筋(2)的直径。

5.根据权利要求2所述的抗爆裂复合盾构隧道管片，其特征是：所述内层(3)的厚度D＜α，α为内侧钢筋保护层的厚度。

6.根据权利要求1或2所述的抗爆裂复合盾构隧道管片，其特征是：所述聚丙烯纤维的掺加量为2kg/m³。

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