钢纤维混凝土盾构管片可行性分析

钢纤维混凝土盾构管片可行性分析

进入21世纪,我国在北京、上海、广州、南京等大城市进行着大规模的地铁建设,并且有相当一部分标段采用盾构法施工。由于盾构隧道施工技术可以最大限度的减少对城市其他设施的影响,所以正逐渐成为地铁隧道施工的主流技术。

目前的盾构管片主要以钢筋混凝土管片为主,而在实际使用中发现,一般1.2m宽的A型钢筋混凝土管片重量约为4t,运输和安装中容易破损和开裂,管片的破损和裂缝对隧道的安全性和耐久性产生不利影响,这是盾构法中较棘手但又必须解决的问题。研究和试验发现,掺入钢纤维后的混凝土具有良好的力学性能,能较好地解决以上的问题,在国外已有采用钢纤维混凝土盾构管片的实例。但钢纤维材料较高的价格,是其应用的主要制约因素,本文就其可行性进行简要分析。

1钢纤维混凝土的力学性能

钢纤维混凝土(SteelFiberReinforcedConcrete,简称SFRC)是一种多向复合建筑材料,与普通混凝土相比,钢纤维混凝土的主要优点有:

①有较高的拉伸强度,弯曲强度和剪切强度;

②有较好的韧性及耐冲击性;

③有较强的约束裂纹扩展能力,变形能大;

④有极好的耐磨性能及较好的抗冻融性和耐热性;

⑤边缘和转角部位的碎裂少,不易产生爆裂。

2钢纤维混凝土盾构管片的优势

2.1承载能力提高

(1)钢筋混凝土构件受拉区混凝土开裂后即失去作用,而开裂后的钢纤维混凝土还能承受一部分拉力;

(2)通常结构设计遵循的原则是按承载能力极限状态法进行设计,按正常使用极限状态法验算。而钢纤维混凝土结构最大裂缝宽度的验算公式[1]为:

式中:

wfmax———按荷载效应的标准组合并考虑长期作用影响计算的钢筋钢纤维混凝土构件的最大裂缝宽度;

wmax———同等级钢筋混凝土,按现行混凝土结构设计规范计算的构件的最大裂缝宽度;

βcw———钢纤维对构件裂缝宽度的影响系数,对于偏心受压结构,βcw=0.35;

λf———钢纤维的特征参数,,,与钢纤维长径比(L/D)、体积率(ρf)有关。对于盾构管片,ρf一般为0.4%~0.6%。

因此在同样内力条件下,计算所需的含钢量将明显减少(从表1可以看出),也就是说,在同样配筋情况下,钢纤维混凝土结构的承载力将显著提高。

2.2安全性和耐久性

对于地下结构而言,结构物的碳化以及侵蚀性介质的腐蚀是影响其耐久性的重要因素,此外,地铁隧道中杂散电流的电化学腐蚀也是其重要的

影响因素。

杂散电流的腐蚀主要通过电化学反应,在钢筋与混凝土的界面处产生可溶的碱式硅酸盐或铝酸盐,使结合强度显著降低。在电流离开钢筋返回混凝土的部位,钢筋呈阳极并发生腐蚀。腐蚀产物在阳极处的堆积产生机械胀力而使混凝土开裂。这同自然环境下的钢筋锈蚀产生的锈胀力使混凝土开裂的机理相同。

因此,混凝土中的钢筋锈蚀是造成混凝土结构耐久性损伤的最主要因素。试验研究发现[2],快速碳化龄期为28d(在正常大气条件下,混凝土自然存放龄期50年的自然碳化深度,相当于按国家标准方法快速碳化28d 的碳化深度)时,纤维混凝土的碳化深度比素混凝土的碳化深度小,大约降低了50%;钢纤维掺量为30kg/m3时,钢纤维混凝土的锈胀开裂时间大约是素混凝土开裂时间的1.5倍,在保护层厚度、钢筋直径不变的情况下,当钢纤维掺量达到60kg/m3时,保护层开裂时间是0掺量的1.7倍,故掺入纤维可以延长钢筋混凝土的使用寿命。

2.3钢纤维混凝土管片成本

2.3.1初期投资成本

现以北京地铁某标段的盾构管片为例进行简要分析,假设整环管片的截面配筋情况相同。原设计的A型钢筋混凝土管片内半径Ri为2.7m,厚300mm,宽度1.2m,上下截面各配8Φ18螺纹钢筋,配筋率ρ为1.13%。采用钢纤维混凝土管片进行设计,有两种选择方案:一种为管片厚度不变,截面配筋为8Φ14螺纹筋,钢纤维掺量为30kg/m3,另一种为上下截面各

配8Φ12螺纹筋,钢纤维掺量为40kg/m3。依次记以上三种方案为①、②、③,实际中材料单价比为砼(m3):钢筋(t):钢纤维(t)=1:8:20。由于土石方量相差不大,故不考虑在内。以混凝土单价350元/m3计,在此仅计材料费用,其他费用假定相同,其初期投资概算(每环)见表1。

由上表可见,采用钢纤维混凝土管片其总投资增加并不明显,与钢筋混凝土管片相比,②、③方案所需追加的投资分别为原钢筋混凝土管片项目投资的7.2%和9.2%。

2.3.2全寿命周期成本

虽然钢纤维混凝土初期投资成本有所增加,但掺加钢纤维后,由于混凝土抗冲击性和抗拉强度的提高,管片发生破损从而导致渗漏的情况将大幅减少,从而降低防水堵漏成本和长期维护费用;同时,钢纤维混凝土的耐久性亦优于钢筋混凝土,因而能使该项工程的使用寿命得以延长。从地铁隧道结构安全、运营维护费及配套设备的全寿命周期成本考虑,采用钢纤维混凝土管片在经济上是可行的。

2.3.3钢纤维价格预测

制约钢纤维应用的主要因素是钢纤维的价格。由于目前钢纤维价格昂贵,在我国只用在部分重点工程或部分工程的重点部位,因此钢纤维需求量并不大,现有的钢纤维生产厂家就能满足需求量。但钢纤维在国内被广泛采用是一种趋势,若国内的钢纤维出现了明显的竞争势态,势必会引起优质钢纤维的价格下降。

据悉,国内比较优秀的钢纤维多在7000~8000元/吨,贝卡钢纤维报价为

14000~15000元/吨,但是贝卡钢纤维在国外的报价却大约折合人民币在6000~7000元/吨,因此在价格上存在较大的弹性。如果钢纤维价格能有所降低,钢纤维混凝土质构管片的优势将更加明显。

3结论

综上所述,钢纤维混凝土管片作为一种新型的盾构管片,具有比普通钢筋混凝土管片优越的性能,从地铁隧道结构安全、运营维护费用及配套设施的全寿命周期成本考虑,采用钢纤维混凝土管片是可行的。另一方面,建设部门在考虑钢纤维混凝土的应用时,不应只计一次性投资,而应考虑节省的间接费用,钢纤维混凝土的优良使用性能,较低的维修费用和使用寿命延长所取得的综合经济效益。其潜在价值不可低估。