装配式超高性能混凝土盾构隧道管片及其制备方法与流程

本发明涉及一种应用于隧道工程中的混凝土管片，特别是涉及一种装配式超高性能混凝土盾构隧道管片及其制备方法。

背景技术：

盾构法具有施工环境良好、开挖安全、掘进速度快、对环境影响小等优点，已经成为我国修建地铁隧道、跨江隧道和海底隧道的主要施工方法。盾构隧道管片是隧道结构的受力主体，是直接影响着隧道结构的安全性和耐久性的重要结构。

目前，盾构隧道中通常采用C50或者C60的普通钢筋混凝土管片。但是，由于普通混凝土抗拉强度低、脆性大等原因，其在运输和拼装过程中易于出现崩边、崩角等破损和裂缝的现象。此外，普通钢筋凝土管片厚度大、质量重，这样不仅提高了运输成本，而且严重影响了管片拼装的效率与质量。同时，在隧道运营过程中，普通混凝土管片易出现开裂渗水等现象，从而导致普通混凝土管片抗冻融、抗有害离子侵蚀、抗碳化能力变差。对于设置凹凸榫的盾构管片，其目的是提高接缝刚度、控制不均匀沉降、改善接缝防水性能。但是，在拼装过程中凹凸榫位置易出现应力集中发生破损或开裂，影响了削弱了管片的防水性能。上述问题，严重影响了隧道的耐久性、降低了隧道结构的安全性、缩短了隧道的使用寿命，大大提高了隧道的运营维护成本。

为解决普通钢筋混凝土存在的上述问题，国内外还有学者在混凝土管片中加入钢纤维或者合成纤维，改善管片韧性。但是，由于混凝土基体的内部结构及密实性并未得到明显改善，不能从根本上提高管片的力学性能和耐久性，也不能实现管片厚度的大幅降低和轻型化。

此外，管片外弧面为平整光滑面，其与注浆层的粘结力较弱，二者形成的衬砌结构整体性能较弱，共同抵抗围岩荷载的能力较差。因此，亟须研究一种高强、高耐久性以及整体性能优良的衬砌结构。

针对目前现有技术存在的问题，需要一种能够有效减小隧道开挖直径，降低管片运输成本，减少管片在运输、拼装过程中的碰撞破损及开裂，提高拼装效率和准确性，提高隧道结构的耐久性，大幅降低隧道运营维护成本的装配式超高性能混凝土盾构隧道管片。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明提供了一种强度大、韧性高、耐久性好、质量轻的装配式超高性能混凝土盾构隧道管片及其制备方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种装配式超高性能混凝土盾构隧道管片，包括：管片主体，采用超高性能混凝土，所述管片主体为弧面片状结构，且所述管片主体内设有钢筋骨架。

在本发明一些实施例中，所述的装配式超高性能混凝土盾构隧道管片，根据实际工程需要，还包括：加劲肋，设置在所述管片主体顶部弧面上，所述加劲肋沿隧道纵向设置至少1道，其顶部与管片主体顶部弧面平行。

在本发明一些实施例中，相邻的管片主体之间设置有相互匹配的榫，管片主体的边缘设有密封垫沟槽、嵌缝槽、环缝连接螺栓孔，以及纵缝连接螺栓孔，并且管片主体的弧面上设有手孔及注浆孔兼吊装孔，其中，所述注浆孔位于管片中间位置处，所述环缝连接螺栓孔、纵缝连接螺栓孔延伸至所述手孔。

在本发明一些实施例中，所述管片主体厚度H1为200mm～500mm、宽度B1为1500mm～2000mm、长度L1为3000mm～6000mm；所述加劲肋的高度H2为H1的0.1～0.3倍、宽度B2为H2的0.5～1倍。

在本发明一些实施例中，当加劲肋设置1道时，其在管片主体顶部弧面的中间环向布置，并在注浆孔处断开，其内侧端部距注浆孔的环向距离为50～200mm，其外侧端部距管片主体端部的环向距离为50～200mm；

当加劲肋设置2道时，其在管片主体顶部弧面注浆孔的前后对称布置，分别位于管片主体宽度B1的1/4和3/4处，其外侧端部距管片主体端部的距离均为50～200mm。

在本发明一些实施例中，所述加劲肋为实体结构或底部设有间续布置的“∩”型或“∧”型凹槽，所述“∩”型或“∧”型凹槽的高度H3为H2的0.6～0.8倍，其下开口宽度B3为H3的1～1.5倍，间续布置的净间距D为H3的0.5～1倍。

在本发明一些实施例中，所述钢筋骨架包括纵筋、分布筋、箍筋和腰筋，其中，纵筋采用高强钢筋HRB500级，配筋率为0.50％～3.0％。

在本发明一些实施例中，所述超高性能混凝土基于细观力学和最大密实度理论进行材料选型、颗粒级配优化和配合比设计，其抗压强度≥120MPa、抗拉强度≥8MPa、抗弯强度≥20MPa、弹性模量≥40GPa、收缩≤500με、抗氯离子渗透系数≤0.02×10-12m2/s、抗冻等级不低于F500、抗渗等级不低于P12，其组分包括水泥、矿物掺合料、砂、碎石、钢纤维、PVA纤维、高效减水剂和水，其中，矿物掺合料包括硅粉、粉煤灰和矿粉。

在本发明一些实施例中，所述超高性能混凝土的材料包括：

根据本发明的另一个方面，提供了一种装配式超高性能混凝土盾构隧道管片的制备方法，包括以下步骤：

S1.钢筋骨架成型：按照配筋计算要求，准备钢筋材料，并在胎架上焊接纵筋、分布筋和箍筋以及腰筋制作成钢筋骨架；

S2.模具准备：清理管片钢模，并进行精度测量，宽度允许偏差±0.4mm；

S3.超高性能混凝土制备：将水泥、矿物掺合料、砂、碎石、钢纤维、PVA纤维进行干混预拌，将高效减水剂及水混合均匀后加入到干混预拌料中，搅拌3～5分钟得到超高性能混凝土3混合料；

S4.浇筑成型：将超高性能混凝土混合料浇筑到钢模内，并采取边布料边振动的方式进行，振捣时间2～3分钟；

S5.管片养护：将成型好的模具连同产品一并放入温度在80℃～90℃之间、湿度不低于95％的蒸汽环境中养护48小时，脱模制得装配式超高性能混凝土盾构隧道管片。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明装配式超高性能混凝土盾构隧道管片及其制备方法至少具有以下有益效果其中之一：

(1)由于装配式超高性能混凝土盾构隧道管片强度大、韧性高、厚度小、质量轻、耐久性好，能够有效减小隧道开挖截面尺寸，从而降低隧道开挖量；能够提高管片的抗冲击性能，降低其运输成本和施工过程中的损伤，提升管片拼装效率和施工质量，同时能够减小管片在运营期的开裂、漏水等病害问题；

(2)通过在管片的顶部设置环向加劲肋，能够增加管片刚度，提高管片与注浆层之间的连接性能，增强了共同抵抗围岩荷载的能力，从而使管片与注浆层形成整体受力性能优异的复合衬砌结构；

(3)采用该方法能够大幅降低隧道工程施工期及运营期的安全风险，缩短施工工期，从而提升隧道的施工质量和运营品质，有效降低隧道的全生命周期成本。

附图说明

图1(a)为本发明实施例装配式超高性能混凝土盾构隧道管片顶部环向设置1道加劲肋的立体结构示意图。

图1(b)为本发明实施例装配式超高性能混凝土盾构隧道管片顶部环向设置2道加劲肋的立体结构示意图。

图1(c)为本发明实施例装配式超高性能混凝土盾构隧道管片不设置加劲肋的立体结构示意图。

图2(a)为本发明实施例装配式超高性能混凝土盾构隧道管片的管片结构形式构造的正视图。

图2(b)为本发明实施例装配式超高性能混凝土盾构隧道管片的管片结构形式构造的仰视图。

图3为本发明实施例装配式超高性能混凝土盾构隧道管片的加劲肋布置示意图。

图4(a)为本发明实施例装配式超高性能混凝土盾构隧道管片的环缝接缝布置示意图。

图4(b)为本发明实施例装配式超高性能混凝土盾构隧道管片的纵缝接缝布置示意图。

图5为本发明实施例装配式超高性能混凝土盾构隧道管片的钢筋骨架布置示意图。

图6为本发明实施例装配式超高性能混凝土盾构隧道管片的制备方法的流程图。

【符号说明】

1、管片主体； 2、加劲肋

3、超高性能混凝土； 4、钢筋骨架

5、榫 6、密封垫沟槽

7、嵌缝槽 8、环缝连接螺栓孔

9、纵缝连接螺栓孔 10、手孔

11、注浆孔 12、凹槽

13、纵筋 14、分布筋

15、箍筋 16、腰筋

具体实施方式

在本发明提供了一种装配式超高性能混凝土盾构隧道管片。为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本发明的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本发明满足适用的法律要求。

图1(a)～图1(c)为本发明实施例装配式超高性能混凝土盾构隧道管片立体结构示意图，其中图1(a)为管片顶部环向设置1道加劲肋的立体结构示意图，图1(b)为管片顶部环向设置2道加劲肋的立体结构示意图，图1(c)为不设置加劲肋的立体结构示意图；图2(a)～图2(b)为本发明实施例装配式超高性能混凝土盾构隧道管片的管片结构形式构造示意图，其中图2(a)为正视图，图2(b)为仰视图；本发明装配式超高性能混凝土盾构隧道管片包括：管片主体1和加劲肋2，二者均采用超高性能混凝土3，且所述管片主体内设有钢筋骨架4。

所述的管片主体1为弧面片状结构，其厚度H1为200mm～500mm、宽度B1为1500mm～2000mm、长度L1为3000mm～6000mm，相邻管片主体1之间设置相互匹配的榫5，管片主体1的边缘设有密封垫沟槽6、嵌缝槽7，以及环缝连接螺栓孔8、纵缝连接螺栓孔9，并且管片主体1的弧面上设有手孔10及注浆孔11兼吊装孔，其中，所述注浆孔11位于管片中间位置处，所述环缝连接螺栓孔8、纵缝连接螺栓孔9延伸至所述手孔10。

所述加劲肋2设置在管片主体1顶部弧面上，所述加劲肋2沿隧道纵向设置1～2道，其顶部与管片主体1顶部弧面平行，其为实体结构或底部设有间续布置的“∩”型或“∧”型凹槽12，加劲肋2的高度H2为H1的0.1～0.3倍、宽度B2为H2的0.5～1倍。所述加劲肋2能够增加管片刚度，提高管片与注浆层之间的连接性能，使二者形成整体受力性能优异的复合衬砌结构。根据实际工程需要，所述装配式超高性能混凝土盾构隧道管片可以只包含管片主体1，不设置加劲肋2。

当加劲肋2设置1道时，其在管片主体1顶部弧面的中间环向布置，并在注浆孔11处断开，其内侧端部距注浆孔11的环向距离为50～200mm，其外侧端部距管片主体1端部的环向距离为50～200mm；

当加劲肋2设置2道时，其在管片主体1顶部弧面注浆孔11的前后对称布置，分别位于管片主体1宽度B1的1/4和3/4处，其外侧端部距管片主体1端部的距离为50～200mm。

优选地，所述“∩”型或“∧”型凹槽12的高度H3为H2的0.6～0.8倍，其下开口宽度B3为H3的1～1.5倍，间续布置的净间距D为H3的0.5～1倍。

所述超高性能混凝土3基于细观力学和最大密实度理论进行材料选型、颗粒级配优化和配合比设计，其抗压强度≥120MPa、抗拉强度≥8MPa、抗弯强度≥20MPa、弹性模量≥40GPa、收缩≤500με、抗氯离子渗透系数≤0.2×10-12m2/s、抗冻等级不低于F500、抗渗等级不低于P12，其抗碱、抗硫酸盐、耐寒能力极强，具有优异的耐久性，寿命通常可达100年以上，其组分有水泥、矿物掺合料、砂、碎石、钢纤维、PVA纤维、高效减水剂和水，其中，矿物掺合料由硅粉、粉煤灰和矿粉组成。

优选地，所述超高性能混凝土3的一种材料配方为：

所述钢筋骨架4包括纵筋13、分布筋14、箍筋15和腰筋16，其中，纵筋采用高强钢筋HRB500级，配筋率为0.50％～3.0％。

在本发明的第一个示例性实施例中，该超高性能混凝土盾构管片为标准块，其宽度B1为1500mm，厚度H1为200mm，较传统钢筋混凝土管片(宽度为1500mm，厚度300mm)厚度减少1/3，长度L1为3174mm。本实施例一中采用1道环向加劲肋2，并在管片主体1顶部弧面的中间环向布置，如附图1和附图2所示。加劲肋2的高度H2为40mm、宽度B2为40mm，其内侧端部距注浆孔11和外侧端部距管片主体1端部的距离均为50mm。

图3为本实施例装配式超高性能混凝土盾构隧道管片的加劲肋布置示意图。如附图3所示，加劲肋1底部设有间续布置的“∩”型凹槽12。凹槽12的高度H3为30mm、宽度B3为30mm，间续布置的净间距D为30mm。

图4(a)～图4(b)为本实施例装配式超高性能混凝土盾构隧道管片的接缝布置示意图，其中图4(a)为环缝接缝的示例，图4(b)为纵缝接缝的示例；附图4为管片接缝防水结构示意图，本实施例中设置了密封垫沟槽6和嵌缝槽7的构造。

所述钢筋骨架4包括纵筋13、分布筋14、箍筋15和腰筋16，图5为本实施例装配式超高性能混凝土盾构隧道管片的钢筋骨架布置示意图。按照《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)进行纵筋13、分布筋14和箍筋15的配筋计算；纵筋13、分布筋14和腰筋16采用HRB500级，箍筋15则采用HPB300级钢筋。

如图6所示，所述装配式超高性能混凝土盾构隧道管片的制备方法包括以下步骤：

S1.钢筋骨架4成型：按照配筋计算要求，准备钢筋材料，并在胎架上焊接纵筋13、分布筋14和箍筋15以及腰筋16制作成钢筋骨架4；

S2.模具准备：清理管片钢模，并进行精度测量宽度允许偏差±0.4mm；

S3.超高性能混凝土3制备：将水泥、矿物掺合料、砂、碎石、钢纤维、PVA纤维进行干混预拌，将高效减水剂及水混合均匀后加入到干混预拌料中，搅拌3～5分钟得到超高性能混凝土3混合料；

S4.浇筑成型：将超高性能混凝土3混合料浇筑到钢模内，并采取边布料边振动的方式进行，振捣时间2～3分钟；

S5.管片养护：将成型好的模具连同产品一并放入温度在80℃～90℃之间、湿度不低于95％的蒸汽环境中养护48小时，脱模制得装配式超高性能混凝土盾构隧道管片。

当然，根据实际需要，本发明显示装置的制备方法还包含其他的工艺和步骤，由于同本发明的创新之处无关，此处不再赘述。

为了达到简要说明的目的，上述实施例中任何可作相同应用的技术特征叙述皆并于此，无需再重复相同叙述。

至此，本发明第一实施例装配式超高性能混凝土盾构隧道管片介绍完毕。

在本发明的第二实施例中，与前述第一实施例不同的是：根据实际工程需要，所述装配式超高性能混凝土盾构隧道管片可以只包含管片主体1，不设置加劲肋2。管片主体1采用超高性能混凝土3，且管片主体1内设有钢筋骨架4。为了达到简要说明的目的，上述实施例一中任何可作相同应用的技术特征叙述皆并于此，无需再重复相同叙述。管片主体1的几何尺寸及构造参见上述实施例。

至此，已经结合附图对本发明实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本发明的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。

类似地，应当理解，为了精简本发明并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。