鋼纖維混凝土在盾構隧道管片中的應用綜述

朱麒璇， 劉晨曦， 梁麗青， 武丹丹， 王雯倩

(廣西大學土木建筑工程學院，廣西南寧 530000)

鋼纖維混凝土(SteelFiberReinforcedConcrete)是20世紀70年代發(fā)展起來的一種新型復合材料，纖維的直徑或等效直徑為0.3～0.7mm，長度為15～60mm，長徑比為40～100。鋼纖維隨機分散在混凝土基體內部從而阻滯基體微裂縫的擴展與宏觀裂縫的發(fā)生與發(fā)展，使混凝土基體的機械性能在不同程度得到增強。

鋼纖維混凝土的優(yōu)良性能已有許多專家、學者所證實：孟龍[2]經過試驗得出鋼纖維的摻入使混凝土的抗剪強度、抗彎強度、抗壓強度都得到明顯的提升；周佳媚[3]通過分析荷載-撓度變化規(guī)律曲線發(fā)現(xiàn)摻入鋼纖維的混凝土荷載二次峰值初裂荷載提升41.5 %；李義發(fā)[4]對鋼纖維混凝土的性能與應用作出總結。

對于鋼纖維在襯砌結構中的適宜參量與鋼筋共同使用問題，蒙國往[5]通過研究縱向配筋量和鋼纖維摻量對盾構管片性能的影響，得出鋼筋與鋼纖維的組合使用是加固的最好選擇；A.Caratelli[6]初步證明采用鋼纖維混凝土且不添加傳統(tǒng)鋼筋進行加固的可能性；S.Abbas[7]研究發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)鋼筋籠與鋼纖維共同加固的綜合體系可以獲得更好的結構性能。本文通過整理前人文獻，為鋼纖維混凝土管片的進一步推廣提供理論支持。

1 鋼纖維的增強機理

鋼纖維均勻、隨機分布在混凝土基體內部，在基體開裂后進行應力的重新分配，阻滯裂縫的開展，減小裂縫寬度，顯著提升了管片抗拉強度。摻入鋼纖維也能有效減少盾構管片因溫度收縮、干燥收縮等引起的微裂縫，提高管片裂后剛度與延性。相同試驗條件下的不同混凝土裂縫比較如圖 1所示[8]。

圖1 不同混凝土裂縫比較

除此之外，鋼纖維摻入可以一定程度上減少盾構管片含筋量，縮小管片體積，省去部分鋼筋與膠凝材料用量，并且避免無筋區(qū)的存在、減少管片邊緣剝落損壞現(xiàn)象。

研究表明，材料的強度隨著鋼纖維的長徑比的增加而顯著提升，目前有纖維間距理論和復合力學理論可以解釋這一結果。纖維間距理論表明材料的抗裂強度受到纖維間距的影響，鋼纖維在裂紋端部可以產生粘結力阻滯微裂縫發(fā)展[9]。復合力學理論指出：鋼纖維與混凝土復合而成的材料中，最有效增強混凝土抗拉強度的方法是使鋼纖維分布方向與混凝土受拉方向平行(圖2)[10]。

圖2 復合力學計算模型

2 鋼纖維混凝土盾構管片的優(yōu)良性能

2.1 強度性能

鋼纖維混凝土盾構管片在強度性能方面的優(yōu)勢已有許多學者進行證實。崔強[11]通過對比少筋鋼纖維混凝土管片與普通鋼筋混凝土管片裂縫發(fā)展情況以及裂縫寬度，發(fā)現(xiàn)少筋鋼纖維混凝土管片的抗裂性能滿足正常使用極限下的設計要求；申晉[1]通過總結國外相關試驗得出：摻量為30kg/m3、50kg/m3的鋼纖維混凝土盾構管片出現(xiàn)第一條裂縫時的荷載分別比素混凝土高32 %、46 %，極限荷載增加分別高37 %和52 %；尤志國[10]對不同摻量下50mm鋼纖維的比例極限進行實驗，發(fā)現(xiàn)鋼纖維自密實混凝土的抗彎性能隨著纖維摻量的增大而提升。

特別要注意的是，雖然鋼纖維混凝土在溫度較低時呈現(xiàn)更好的抗壓性能，在500 ℃后強度損失卻多于普通混凝土[12]，如圖 3所示。

圖3 混凝土的殘余抗壓強度與溫度的關系

2.2 韌性

鋼纖維可以承受部分拉應力而提高基體的抗拉能力，并且吸收部分開裂處的能量，因此具有更好的韌性。實驗表明，鋼纖維混凝土盾構管片的抗壓韌性與彎曲沖擊韌性相比傳統(tǒng)混凝土盾構管片增加幾倍，抗彎韌性與沖擊韌性可以增加到幾十倍。

丁聰[13]對比不同系列的鋼纖維混凝土的Load-CMOD曲線，發(fā)現(xiàn)鋼纖維在發(fā)生脫粘、拔出和拔斷的過程中會吸收更多的能量來抑制裂縫的擴展；郭艷華[14]經過研究發(fā)現(xiàn)鋼纖維噴射混凝土具有較好的韌性，在開裂后不會發(fā)生脆性破壞，可應用于隧道初期支護施工中；崔光耀[15]對軟弱圍巖隧道鋼纖維混凝土襯砌承載特性進行試驗，發(fā)現(xiàn)參入鋼纖維的襯砌韌性增強，相較素混凝土與鋼筋混凝土可承受更大的變形；明維[16]進行混凝土四點抗彎性能試驗，發(fā)現(xiàn)混凝土的韌性和等效曲撓強度在摻入鋼纖維后提高達300 %～500 %。

2.3 耐久性

鋼纖維混凝土盾構管片具有更優(yōu)的耐久性和安全性。孫斌[17]從裂縫寬度的驗算結果得出：在增加鋼纖維減少鋼筋用量的設計中混凝土的裂縫寬度減少了18 %～26 %，耐久性顯著提高。張捷[18]基于JC法對鋼纖維混凝土管片的可靠度進行求解，發(fā)現(xiàn)鋼纖維的可靠度一直維持在較高水平，安全度優(yōu)于普通混凝土。

鋼纖維可減輕環(huán)境溫度下的開裂，提高抗拉強度和延性，同時利于控制暴露于高溫環(huán)境時裂縫的擴展，從而提升管片的總體性能[19]。張龍[20]經過實驗研究得出混凝土的最大凍融次數隨鋼纖維摻量的增加先增加再減少，最大凍融次數在鋼纖維摻量為60kg/m3時達到最大值，為600次。

鋼纖維混凝土盾構管片具有優(yōu)良的抗腐蝕性能。Kakooei[21]等通過四電極法研究抗?jié)B性得出結論，總體上隨著纖維摻量的增加，混凝土抗?jié)B效果得到進一步的提升。王志杰等[22]對纖維噴射混凝土進行快速碳化試驗，結果表明，一定量的纖維可以提高混凝土的密實度和抗碳化性能，降低碳化的速度，減小碳化深度。

2.4 管片接頭性能

管片節(jié)點在襯砌結構中是薄弱部位，強度、剛度都較低且容易滲漏,鋼纖維混凝土盾構管片節(jié)點經常有更高的極限承載力和抗裂能力，可以替代傳統(tǒng)管片在盾構隧道中進行應用[24]。龔琛杰[25]采用足尺試驗方法對承鋼纖維混凝土管片載能力進行研究，發(fā)現(xiàn)相比鋼筋混凝土管片接頭的開裂荷載，鋼纖維混凝土管片接頭提高12.9 %，具有優(yōu)良抗裂能力，除此之外，如圖 4所示，接頭達到極限承載狀態(tài)時，鋼纖維混凝土管片街頭的極限撓度也相對減小了64.2 %[25]；周龍[26]通過研究發(fā)現(xiàn)SFRC高剛性接頭達到正常使用極限狀態(tài)時的荷載抗力為RC高剛性接頭的1.2倍，承載力提高約15 %；鋼纖維混凝土管片隧道的抗震分析表明，鋼纖維混凝土管片節(jié)點的抗彎強度和延性均有所提高[27]。

圖4 荷載-接頭撓度曲線

3 經濟優(yōu)勢

雖然鋼纖維的造價比鋼筋要高，但是采用鋼纖維混凝土盾構管片可以省去鋼筋籠的制作工藝，除此之外，鋼纖維混凝土管片發(fā)生破損、滲漏的情況將大幅減少，可以大量減少后期維護費用。因此，在進一步計算鋼纖維合理摻入量的基礎上，鋼纖維混凝土盾構管片的使用具有經濟優(yōu)勢。

N.Buratti[28]考慮了鋼纖維混凝土盾構襯砌在加入普通鋼筋與不加鋼筋情況下的性能，提出了襯砌厚度設計的優(yōu)化準則；榮建林[23]以北京地鐵某標段盾構管片進行分析，在管片厚度不變的情況下適當減少配筋量、提高鋼纖維摻量，鋼纖維摻量分別為30kg/m3、40kg/m3的方案中的施工成本相比傳統(tǒng)方案只需要追加7.2 %和9.2 %；孫斌[17]將鋼纖維混凝土管片與傳統(tǒng)鋼筋混凝土管片進行比較，中埋段的成本優(yōu)勢可以達到9.85 %。

4 應用實例

4.1 國外應用實例

美國混凝土協(xié)會(ACI)544委員會在1980年代末制定了《鋼纖維混凝土試驗方法》，為鋼纖維混凝土的應用提供了理論基礎，鋼纖維的制備技術也在同步提升以支持鋼纖維混凝土管片的進一步推廣[17]。鋼纖維混凝土盾構管片在國外工程案例見表 1。

4.2 國內應用實例

我國現(xiàn)有的與管片相關的工程規(guī)范、標準有GB/T2 2082-2017《預制混凝土襯砌管片》、GB50446-2017《盾構法隧道施工及驗收規(guī)范》等[17]。但國內應用仍然較少，目前已有一些成功應用實例以及理論分析證實實踐的可能性。

表1 鋼纖維混凝土盾構管片在國外的應用實例

三峽臨時船閘壩段疊梁門槽主軌二期工程、三峽EL120m棧橋工程分別采用了CF60、CF50鋼纖維混凝土[29]。上海地鐵建設公司與同濟大學混凝土材料研究國家重點實驗室在上海M6地鐵線建設鋼纖維混凝土管片試驗段，試驗段長50m，后期使用狀況良好[30]。北京市軌道交通十號線在一段盾構區(qū)間使用纖維混凝土管片,管片在運輸與施工的過程中均發(fā)現(xiàn)開裂現(xiàn)象[31]。望京高鐵隧道大直徑盾構研究項目對比傳統(tǒng)管片和鋼纖維混凝土管片的使用性能，發(fā)現(xiàn)鋼纖維可以減少混凝土26 %的裂縫[17]。深圳市軌道交通7號線工程應用采用無筋混凝土管片方案，鋼纖維的摻量為45kg/m3，靠近西麗湖站盾構區(qū)間隧道段建立的現(xiàn)場試驗段(包含15節(jié)管片，共長22.5m)驗證了現(xiàn)場測試方案合理性[32]。鋼纖維混凝土被應用于南昆鐵路西段宜良縣境內樂善村二號隧道處，襯砌厚度減薄900mm，隧道開挖量進而減少21 %，襯砌污工量減少62 %，取得了明顯的經濟效益[23]；2013年，鋼纖維混凝土襯砌管片在家竹箐隧道的應用有效的控制了隧道變形[33]；常州軌道交通1號線一期工程南段科教城南站科教城北站盾構區(qū)間[34]、上海市軌道交通6號線浦電路區(qū)間也都使用了鋼纖維混凝土盾構管片[35]。結果表明:鋼纖維混凝土管片有廣泛的應用前景。

5 進一步研究的方向

(1)鋼纖維混凝土需要更長的振搗時間以達到鋼纖維在混凝土中的均勻分布，同時要選擇最適宜的鋼纖維的長徑比，在攪拌、運輸、澆筑和振搗的過程中避免纖維相互纏繞成團。除此之外，在不同施工條件及目的的下，鋼纖維的最佳摻量、最佳長徑比還有待進一步研究。

(2)雖然鋼纖維混凝土盾構管片具有許多優(yōu)良性能，但在嚴重火災情況下，鋼纖維混凝土管片性能劣于傳統(tǒng)鋼筋混凝土管片，極限承載力較低且具有更高的開裂風險[36]。鋼纖維混凝土襯砌在集中大應力的下的抗彎強度、抗拉強度以及爆破能力不如傳統(tǒng)鋼筋混凝土襯砌[35]。

(3)對于如何設計鋼纖維混凝土管片的厚度能進一步優(yōu)化成本，需要做更多的相關試驗探究，制定和完善各種纖維含量的設計和規(guī)定，同時針對鋼纖維與鋼筋之間合理配比進行研究，實現(xiàn)管片在安全性和經濟性的統(tǒng)一。

(4)未來可以結合大數據分析以及BIM技術對鋼纖維混凝土盾構管片應用可行性進行模擬，在實際工程中進行更多的相關性能試驗來驗證鋼纖維混凝土盾構管片的優(yōu)良性能。

6 總論

鋼纖維混凝土盾構管片相較于鋼筋混凝土管片具有更加優(yōu)良的力學性能與經濟優(yōu)勢，采用鋼纖維混凝土管片替代傳統(tǒng)鋼筋混凝土管片可以大大節(jié)省鋼筋綁扎和勞動力成本，具備進一步投入應用的可能性,目前需要做好實驗和理論研究，以提出一種完整的管片設計和施工方法，并結合經濟性，在保證其性能和使用要求的前提下降低成本；同時應加快制定行業(yè)規(guī)范速度，為國內鋼纖維混凝土的推廣打下基礎。