专利名称：盾构隧道衬砌管片及其制备方法
技术领域：
本发明是一种盾构隧道衬砌管片及其制备方法。
背景技术：
21世纪是地下空间开发时代。在未来数十年中，我国越江跨海隧道和城市轨道交通将进行大规模建设，其中有很多隧道工程要采用盾构工法。在盾构隧道中，管片是最重要和最关键的结构构件，管片性能的优劣对隧道工程质量和服役寿命具有决定性的影响。因此，提高管片使用寿命有利于提高盾构隧道的服役寿命，符合经济可持续发展战略需求。
管片的使用寿命与管片的防水、抗渗、抗蚀性能直接相关。目前，国内外盾构隧道基本上是采用单层设计和制备技术，如在高性能混凝土中配制钢筋笼、单层设计的钢筋混凝土管片，或者在高性能混凝土中是采用钢纤维和聚丙烯复合纤维替代钢筋笼、单层设计的复合纤维混凝土管片。采用单层设计和制备的管片的抗渗等级一般不超过P12，其Cl-离子扩散系数通常在2～4×10-12m2/s，导致管片使用寿命低，很不利于盾构隧道服役寿命的提高。
同时，在大多数隧道工程设计标准中，如美国NFPA 502-2004《Standard For Road Tunnels，Bridges and Other Limited Access Highways》、我国TB 10063-99《铁路工程设计防火规范》，都明确规定隧道结构的耐火极限应不小于4h。由于钢筋混凝土材料自身的一些缺陷，导致普通的钢筋混凝土管片的耐火极限远不能达到上述要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种盾构隧道衬砌管片及其制备方法，以提高管片使用寿命，进而延长盾构隧道工程的服役寿命。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是本发明提供的盾构隧道衬砌管片，其结构是自上而下，依次是高致密防水层、钢筋混凝土保护层、钢筋混凝土结构层和防火抗爆层；高致密防水层和保护层共同构成高防水抗渗层；该管片的整体抗渗等级≥P30，Cl-离子扩散系数≤1×10-13m2/s，28d干缩值≤250个微应变。
上述的盾构隧道衬砌管片，其制备方法是在钢筋混凝土管片钢模中，先后浇注高性能混凝土形成连为一体的结构层和保护层，对其进行蒸养和水养护；然后，在保护层的上表面喷涂高效渗透结晶型防水材料形成高致密防水层，堆放一段时间后，将其用盾构机装入盾构隧道内；最后，在结构层的下表面喷涂防火涂料形成防火抗爆层。
本发明由于采用了将防水材料良好的防水性能与防火涂料良好的耐火性能和钢筋混凝土材料的结构自防水功能结合在一起的技术方案，因此，与传统的管片单层设计和制备技术相比，具有如下的显著效果
其一.在隧道衬砌管片内层喷涂防火涂料，可以显著改善其耐火极限、抗冲击能力和内层防火抗爆能力，从而提高隧道在火灾、爆炸等各种偶发因素下的抵抗能力。
其二.采用功能梯度材料设计原理，在管片的外层加上一层由高致密防水层和保护层共同构成的高防水抗渗层。犹如在钢管上镀锌以提高钢管使用寿命一样，高防水抗渗层可大幅度提高管片的使用寿命。
其三.集管片外层高致密防水、保护层高抗渗抗蚀、结构层高强高性能、内层防火抗爆功能于一体，可以大大延长盾构隧道工程的服役寿命。
总之，本发明采用钢筋混凝土材料、按功能梯度材料设计原理进行分层设计和制备而成的隧道衬砌管片，具有高防水、高抗渗、高抗蚀、高耐火性能。这种梯度功能设计和制备的高性能管片，国内外目前尚未见报道。
图1是梯度功能设计管片示意图。
图2是梯度功能设计管片实物模拟图。
图3是本发明梯度功能设计的高性能管片制备工艺流程图。
具体实施例方式
本发明是一种用于盾构隧道的衬砌管片，其按功能梯度材料设计原理进行分层设计，并且采用两次浇注和两次喷涂工艺制成。
下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明。
盾构隧道衬砌管片的结构如图1和图2所示自上而下，依次是高致密防水层1、钢筋混凝土保护层2、钢筋混凝土结构层3和防火抗爆层4，高致密防水层和保护层共同构成高防水抗渗层。
上述高致密防水层1可由高效渗透结晶型防水材料制成，厚度为0～4.0mm。钢筋混凝土保护层2和钢筋混凝土结构层3，其厚度分别为0～80.0、300.0～500.0mm，均由强度等级≥C50的高性能混凝土制成。防火抗爆层由超薄型或厚涂型防火涂料制成，厚度为1.0～4.0mm或8.0～16.0mm。
本发明盾构隧道衬砌管片的制备方法是在钢筋混凝土管片钢模中，先后浇注高性能混凝土形成连为一体的结构层和保护层，对其进行蒸养和水养护；然后，在保护层的上表面喷涂高效渗透结晶型防水材料形成高致密防水层，堆放一段时间后，将其用盾构机装入盾构隧道内；最后，在结构层的下表面喷涂防火涂料形成防火抗爆层。其制备工艺流程图见图3。
具体制备方法是在钢筋混凝土管片钢模中浇注高性能混凝土至钢筋笼上表面，并插捣，然后用刮尺沿钢筋笼上表面刮平，形成厚度为300.0～500.0mm的结构层3；在结构层3上浇注高性能混凝土至钢模上表面，并插捣，然后用刮尺沿钢模上表面抹面，形成厚度为0～80.0mm的保护层2；蒸养管片，并按养护工艺对管片进行水养护；管片水养护完毕后，在其外表面即保护层2的上表面喷涂高效渗透结晶型防水材料，形成厚度为0～4.0mm的高致密防水层1；管片堆放一段时间后，运到盾构隧道施工现场，用盾构机把管片装入隧道；管片安装完成后，在其内表面即结构层3的下表面喷涂防火涂料，形成厚度为1.0～4.0mm或8.0～16.0mm的防火抗爆层4。
保护层2可由具有高抗渗、高抗蚀性能、强度等级≥C50的高性能混凝土制备而成；该混凝土的水胶比为0.28～0.32，水泥用量为380～420kg/m3，每立方混凝土掺入25～60kg比表面积＞180,000cm2/g的高活性SiO2微粉、80～160kg比表面积＞4,000cm2/g的高活性微矿粉、0.5～2.0kg的有机混杂纤维。高活性SiO2微粉、微矿粉和混杂纤维主要用来改善混凝土的抗渗、抗裂、抗蚀性能。
结构层3可由强度等级≥C50的高性能混凝土制备而成；该混凝土的水胶比为0.28～0.34，水泥用量为330～380kg/m3，每立方混凝土掺入100～150kg比表面积＞4,000cm2/g的高活性微矿粉。大掺量高活性微矿粉可以降低混凝土内部水化温升，减少温度应力引起的裂缝；减少混凝土内部界面过渡区的Ca(OH)2含量，改善界面过渡区，提高混凝土抗渗性能；同时也提高了钢筋握裹力。
高效渗透结晶型防水材料，可采用市售的水泥基渗透结晶型防水材料或有机硅防水材料，如市售的DPS防水材料、FAG-100有机硅防水剂等材料。高效渗透结晶型防水材料能渗入混凝土内部，与水泥内部的碱类物质反应，形成不溶于水的凝胶体，堵塞空隙和毛细孔通道，形成致密的永久防水层。同时，高致密防水层能减少混凝土表面水份挥发，防止混凝土表面局部干燥或产生裂纹。
防火涂料可采用市售的超薄型或厚涂型防火涂料。
本发明盾构隧道衬砌管片的技术参数为整体抗渗等级≥P30，Cl-离子扩散系数≤1×10-13m2/s，28d干缩值≤250个微应变。
为了对比，根据本方法制备了由高致密防水层、保护层、结构层、防火抗爆层等功能层组成的高性能管片(S1和S2)，各层所用材料和厚度如表1和表2。并采用单层技术设计和制备了普通的钢筋混凝土管片(S0)，其所用材料和厚度如表1和表2。其中养护制度均为蒸养9小时后水养护7天，再喷淋养护至28天。具体蒸养制度为静停2小时；升温2小时，升温速率＜15℃；恒温3小时，恒温温度为55℃；降温2小时，降温速率＜15℃。
管片测试包括管片蒸养9小时后的强度测试以及7天强度测试；单块管片的抗渗试验测试；管片岩芯取样后样品的Cl-离子扩散系数和耐火极限测试，并按国际通用的采用Cl-离子扩散系数来预测钢筋混凝土使用寿命的方法，对管片进行了寿命预测。
从管片各项测试指标可以看出，S1和S2的抗压强度与S0的相差不大，均能满足混凝土强度设计要求；S1和S2的保护层和结构层的收缩性能匹配的很好，其收缩值也比S0小；S1和S2的耐火极限、抗渗等级均远高于S0的；S1和S2的Cl-离子扩散系数远小于S0的，若采用Cl-离子扩散系数来预测钢筋混凝土管片使用寿命，则S1和S2的使用寿命超过200年，远远高于S0的60年使用寿命。
附表说明表1管片各层所用材料及其要求。
表2管片各层厚度。
表3管片各项测试指标。
表1 管片各层所用材料及其要求
表2 管片各层厚度
表3 管片各项测试指标
权利要求
1.一种盾构隧道衬砌管片，其特征在于自上而下，依次是高致密防水层(1)、钢筋混凝土保护层(2)、钢筋混凝土结构层(3)和防火抗爆层(4)；高致密防水层和保护层共同构成高防水抗渗层。
2.根据权利要求1所述的盾构隧道衬砌管片，其特征是高致密防水层(1)由高效渗透结晶型防水材料制成，厚度为0～4.0mm。
3.根据权利要求1所述的盾构隧道衬砌管片，其特征在于钢筋混凝土保护层(2)和钢筋混凝土结构层(3)，其厚度分别为0～80.0、300.0～500.0mm，均由强度等级≥C50的高性能混凝土制成。
4.根据权利要求1所述的盾构隧道衬砌管片，其特征是防火抗爆层由超薄型或厚涂型防火涂料制成，厚度为1.0～4.0mm或8.0～16.0mm。
5.盾构隧道衬砌管片的制备方法，其特征是按功能梯度材料设计原理进行分层设计，并且采用两次浇注和两次喷涂工艺制成，即在钢筋混凝土管片钢模中浇注高性能混凝土至钢筋笼上表面，然后沿钢筋笼上表面刮平，形成厚度为300.0～500.0mm的结构层(3)；在结构层(3)上浇注高性能混凝土至钢模上表面，然后沿钢模上表面抹面，形成厚度为0～80.0mm的保护层(2)；蒸养管片，并按养护工艺对管片进行水养护；管片水养护完毕后，在其外表面即保护层(2)的上表面喷涂高效渗透结晶型防水材料，形成厚度为0～4.0mm的高致密防水层(1)；管片堆放一段时间后，运到盾构隧道施工现场，用盾构机把管片装入隧道；管片安装完成后，在其内表面即结构层(3)的下表面喷涂防火涂料，形成厚度为1.0～4.0mm或8.0～16.0mm的防火抗爆层(4)。
6.根据权利要求5盾构隧道衬砌管片的制备方法，其特征在于保护层(2)由具有高抗渗、高抗蚀性能、强度等级≥C50的高性能混凝土制备而成；该混凝土的水胶比为0.28～0.32，水泥用量为380～420kg/m3，每立方混凝土掺入25～60kg比表面积＞180,000cm2/g的高活性SiO2微粉、80～160kg比表面积＞4,000cm2/g的高活性微矿粉、0.5～2.0kg的有机混杂纤维。
7.根据权利要求5盾构隧道衬砌管片的制备方法，其特征在于结构层(3)由强度等级≥C50的高性能混凝土制备而成；该混凝土的水胶比为0.28～0.34，水泥用量为330～380kg/m3，每立方混凝土掺入100～150kg比表面积＞4,000cm2/g的高活性微矿粉。
8.根据权利要求5盾构隧道衬砌管片的制备方法，其特征在于所述的高效渗透结晶型防水材料，采用市售的水泥基渗透结晶型防水材料或有机硅防水材料。
9.根据权利要求5盾构隧道衬砌管片的制备方法，其特征在于防火涂料采用市售的超薄型或厚涂型防火涂料。
10.根据权利要求5盾构隧道衬砌管片的制备方法，其特征在于盾构隧道衬砌管片的技术参数为整体抗渗等级≥P30，Cl-离子扩散系数≤1×10-13m2/s，28d干缩值≤250个微应变。
全文摘要
本发明盾构隧道衬砌管片的结构是自上而下，依次是高致密防水层(1)、钢筋混凝土保护层(2)、钢筋混凝土结构层(3)和防火抗爆层(4)；高致密防水层和保护层共同构成高防水抗渗层；该管片整体抗渗等级≥P30，Cl
文档编号E21D11/38GK1789664SQ20051012053
公开日2006年6月21日 申请日期2005年12月27日 优先权日2005年12月27日
发明者马保国, 王信刚, 胡曙光, 王凯, 丁庆军, 穆松 申请人:武汉理工大学