1、談鋼纖維噴射混凝土在隧道工程中的應(yīng)用【摘要】本文分析了鋼纖維噴射混凝土的發(fā)展，結(jié)合鋼纖維噴射混凝土的特性，鋼纖維的韌性及與隧道新奧法錨噴支護(hù)中相關(guān)的主要力學(xué)性能，并且結(jié)合其在隧道工程中的應(yīng)用，分析其在隧道工程中取得的經(jīng)濟(jì)效益，說(shuō)明鋼纖維噴射混凝土是種理想的支護(hù)材料，借此展望未來(lái)我國(guó)在鋼纖維噴射混凝土技術(shù)發(fā)展方向。【關(guān)鍵詞】鋼纖維噴射混凝土；隧道工程；新奧法；韌性；支護(hù)材料一引言 自1963年以來(lái)，鋼纖維混凝土踏入實(shí)用化時(shí)代，在隧道工程中得到廣泛的應(yīng)用，節(jié)約了大規(guī)模投資的同時(shí)也提高了結(jié)構(gòu)的使用壽命。此外，鋼纖維噴射混凝土在歐洲、日本等國(guó)已成為隧道支護(hù)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)形式和施工方法。我國(guó)干噴法鋼纖維混凝

2、土近年來(lái)發(fā)展的也較快，然而和歐美、日本等國(guó)相應(yīng)的研究、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相比起來(lái)仍然存在些許滯后。由于我國(guó)國(guó)內(nèi)暫且缺少相應(yīng)的測(cè)試和檢驗(yàn)的細(xì)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)，因此雖頻繁引鑒國(guó)外的標(biāo)準(zhǔn)，尚沒(méi)有足夠借鑒工程應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)。二 鋼纖維噴射混凝土的特性鋼纖維混凝土是由水、水泥中骨料、粗砂、鋼纖維并且需要時(shí)加進(jìn)摻和料遵循相應(yīng)的比例調(diào)制而成。，鋼纖維是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外相對(duì)高端的外摻料，其一，提高了混凝土的韌性、強(qiáng)度以及抗裂性等；其二，讓混凝土的特性完成脆性向彈塑性轉(zhuǎn)變。因此鋼纖維混凝土具備優(yōu)良的總體力學(xué)性能。鋼纖維可以分為不銹鋼和普通碳素鋼這兩種類型，其中后者得到比較廣泛應(yīng)用。21 韌性之所以摻加鋼纖維噴射在混凝土中，大體是為了使噴射混

3、凝土的韌性有所提高。韌性指的是鋼纖維噴射混凝土在承載過(guò)程中吸取與收納變形的能力，因此，韌性是鋼纖維噴射混凝土的關(guān)鍵特性之一。22 其它關(guān)鍵力學(xué)性能鋼纖維噴射混凝土中隨意分布的短纖維起到阻制混凝土里微裂縫的擴(kuò)展以及阻滯宏觀裂縫的發(fā)展蔓延的作用，由此摻入鋼纖維顯著改變和提高增強(qiáng)噴射混凝土的主要由主拉應(yīng)力控制的抗剪、抗彎、抗扭強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度等。23 斷裂與斷裂韌性一般的噴射混凝土具有表層被拉容易收縮且干裂的缺點(diǎn)此后斷裂縫變成隧道地下水的溢出路道。在地下水長(zhǎng)時(shí)間的侵蝕下，斷裂后的混凝土將會(huì)發(fā)生脫落、剝離的現(xiàn)象，支護(hù)結(jié)構(gòu)便可能失去支護(hù)的作用，甚至產(chǎn)生坍塌現(xiàn)象。因此，有必要特別指出噴射混凝土處于被拉狀況的

4、斷裂性能極其關(guān)鍵。為了達(dá)到變形性能有所質(zhì)量改變的目的，必須在噴射混凝土里面摻進(jìn)鋼纖維，只要鋼纖維混凝土發(fā)生裂縫現(xiàn)象，鋼纖維的作用將愈顯而易見(jiàn)。鑒此，在眾多需要沖擊需要抗裂并且環(huán)境惡劣的隧道工程結(jié)構(gòu)中，鋼纖維噴射混凝土尤其為必備材質(zhì)之一。 了解鋼纖維混凝土的特性后，自然而然需要研究其增強(qiáng)機(jī)理。因?yàn)閺睦碚撋现v，探討鋼纖維混凝土的增強(qiáng)機(jī)理對(duì)鋼纖維對(duì)混凝土的增韌、增強(qiáng)和阻裂效應(yīng)的提高將有很大的幫助，從本質(zhì)上改變其化學(xué)物理以及力學(xué)性能，在此基礎(chǔ)上歸納與總結(jié)高新性能的理論，亦是設(shè)計(jì)鋼纖維混凝土性能的重要依據(jù)。三 鋼纖維噴射混凝土在隧道工程中的應(yīng)用31 鋼纖維噴射混凝土與新奧法當(dāng)今，新奧法的主要核心內(nèi)容是在

5、圍巖承載環(huán)的主動(dòng)作用下讓隧道圍巖變成承載的結(jié)構(gòu)。很明顯，是通過(guò)支護(hù)系統(tǒng)在同圍巖共同變形的過(guò)程中對(duì)圍巖變形運(yùn)動(dòng)的掌控，實(shí)現(xiàn)新奧法對(duì)圍巖承載能力的利用，換而言之，就是接受圍巖變形在某種程度上有所釋放。在之前新奧法的錨噴支護(hù)過(guò)程中，采用了素噴加錨桿、素噴混凝土支護(hù)、噴錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)和素噴加鋼筋網(wǎng)等支護(hù)策略，同時(shí)在工程應(yīng)用里取得通過(guò)。但是新奧法古老支護(hù)方式的缺點(diǎn)顯得相當(dāng)?shù)赝怀?，尤其在很多工程?yīng)用的驗(yàn)證和高新技術(shù)的進(jìn)程中，比如施工容易出現(xiàn)空洞，鋼筋網(wǎng)噴射混凝土集料反彈較大甚至素噴的脆性等。這幾年來(lái)，工程實(shí)踐應(yīng)用中也漸漸地在克服以上存在隱范。由于鋼纖維噴射混凝土的韌性不錯(cuò)，當(dāng)結(jié)構(gòu)承受的力度到達(dá)極點(diǎn)強(qiáng)度后，將

6、會(huì)隨著變形運(yùn)動(dòng)繼續(xù)保持某種程度的承載力，鑒于它具備對(duì)圍巖的變形有很好吸收功能的韌性，便于它在與圍巖的同步形變中構(gòu)建起除舊的平衡橋梁，較大規(guī)模地使新奧法施工的經(jīng)濟(jì)性、機(jī)械程度和安全性得以增強(qiáng)。因此，鋼纖維噴射混凝土不愧為理想的隧道支護(hù)材料。32 鋼纖維噴射混凝土支護(hù)伴隨著新奧法的發(fā)揚(yáng)，噴射混凝土早已是一種普遍的支護(hù)方式在隧道工程應(yīng)用實(shí)踐中。鋼纖維噴射混凝土的抗裂性能大大阻礙了噴層收縮，并且使噴層材料的耐久性與密實(shí)性得到提高。因此，普通噴射混凝土+二次襯砌的復(fù)合式結(jié)構(gòu)可以用鋼纖維噴射混凝土單層結(jié)構(gòu)來(lái)替代，這是一種可行并且長(zhǎng)期被接受的襯砌結(jié)構(gòu)。北美在2O世紀(jì)8O年代修建隧道中，便長(zhǎng)期運(yùn)用鋼纖維噴射混

7、凝土作為襯砌。歐洲部分調(diào)研所在1979年對(duì)鋼纖維噴射混凝土、素噴射混凝土和掛網(wǎng)噴射混凝土開(kāi)展了許多調(diào)查探究，調(diào)查結(jié)果表明：如果拿鋼纖維噴射混凝土相比于加鋼筋網(wǎng)的噴射混凝土，可以發(fā)現(xiàn)很大程度上減少了鋼筋網(wǎng)對(duì)巖面存在空洞和施工反彈等不利影響，節(jié)約了不少敷設(shè)鋼筋網(wǎng)的同時(shí)也讓運(yùn)作效率提高了，總而言之，在經(jīng)濟(jì)和技能上都帶來(lái)積極的情式和影響。33 應(yīng)用實(shí)例由于位于福建漳龍高速公路的烏石山隧道處在地形不單一的構(gòu)造剝蝕中低山區(qū)，隧道區(qū)里主要是斷裂更糟糕的是裂隙兩兩互通，并且大量地方有密集裂隙帶，特別在出IZl550 m區(qū)域的隧道內(nèi)許多層間破碎帶極其突出，顯而易見(jiàn)，該隧道受到的影響是一層高于一層。據(jù)悉，經(jīng)常在隧

8、道進(jìn)洞50 m后由于拱頂涌現(xiàn)很多沉降而造成塌方事件。通過(guò)施工方分析與研究，做出以下決策：在、類圍巖地帶用鋼纖維噴射混凝土支護(hù)代替鋼筋網(wǎng)噴射混凝土支護(hù)，左線ZK74+437 ZK74+457、右線YK73+600YK73+620統(tǒng)一采用面鋼纖維噴射混凝土進(jìn)行工程應(yīng)用。做了以上改進(jìn)后再對(duì)工程的支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，調(diào)查表明，支護(hù)沉降變形相對(duì)于施工前減小，并且在無(wú)數(shù)爆破運(yùn)動(dòng)下只產(chǎn)生35 mm裂縫同時(shí)無(wú)危險(xiǎn)地經(jīng)過(guò)塌方片區(qū)，從施工前后對(duì)比，可以看到鋼纖維噴射混凝土在隧道工程中的應(yīng)用取得了可觀的成效。四 取得的經(jīng)濟(jì)效益 下面以黎南復(fù)線槎路隧道工程為例子，分析與總結(jié)鋼纖維混凝土在隧道工程應(yīng)用中如何做到降低工程成

9、本、提高工程質(zhì)量和加快施工進(jìn)程，并有良好的經(jīng)濟(jì)效益。表現(xiàn)在如下三個(gè)方面：(1)混凝土的用量及開(kāi)挖土石方量減少。噴射鋼纖維混凝土減少了素噴混凝土中的本來(lái)就有的沉降量(15cm)，這樣一來(lái)隧道斷面開(kāi)挖立方量減少19m每米，總共1150m。二次襯砌混凝土了使得復(fù)合預(yù)留變形到位的數(shù)量(均厚度7cm)減少，節(jié)約了二次襯砌混凝土890m。運(yùn)用噴射鋼纖維混凝土來(lái)支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)，可以大大削減了素噴混凝土50%的厚度，在這個(gè)過(guò)程中讓成本降低。 (2) 減少鋼材用量。噴射鋼纖維混凝土代替“新奧法”中古老的網(wǎng)噴支護(hù)，換言之，方便扔掉鋼筋網(wǎng)片，令施工步驟減少，同時(shí)提高施工效率，該隧道總共節(jié)省鋼筋網(wǎng)片3913t。(3)干噴集

10、料回彈率比素噴少。在干噴(水在噴頭處加入)實(shí)施運(yùn)作中，在調(diào)查與測(cè)試中得知，素噴混凝土的集料返彈率平均大約25%上下，而干噴混凝土由于鋼纖維的成網(wǎng)和聯(lián)結(jié)作用，返彈率大概平均僅14%上下。五 結(jié)束語(yǔ)世界上很大一部分國(guó)家在隧道工程中是否采用鋼纖維噴射混凝土這個(gè)問(wèn)題上已有了絕對(duì)擁護(hù)答案。為什么呢？原因還是值得令人接受并認(rèn)可的，因?yàn)闊o(wú)論是在噴射工藝上，還是從綜合經(jīng)濟(jì)效益上考慮，鋼纖維噴射混凝土都展現(xiàn)出新型復(fù)合材料的關(guān)鍵的優(yōu)點(diǎn)。如英國(guó)應(yīng)用鋼纖維混凝土替代鋼絲網(wǎng)加固隧道；日本采納鋼纖維混凝土支護(hù)以及修補(bǔ)不良地層和圍巖；德國(guó)、美國(guó)、法國(guó)和西班牙等國(guó)家都一一制定了對(duì)應(yīng)的運(yùn)用鋼纖維混凝土作為隧道的初期和長(zhǎng)期支護(hù)的設(shè)計(jì)和施工規(guī)范。1984年，我國(guó)才將鋼纖維噴射混凝土實(shí)踐在隧道工程中，雖然開(kāi)始比許多發(fā)達(dá)國(guó)家遲，然而這幾年發(fā)展迅猛，先后成功地運(yùn)用與實(shí)踐了鋼纖維噴射混凝土技術(shù)在云南元磨高速公路、福建羅長(zhǎng)高速公路、福建漳龍高速公路和福建京福高速公路等主要工程上，并且取得了良好成效。同時(shí)，我國(guó)對(duì)鋼纖維噴射混凝土技術(shù)進(jìn)行了更深入的研究。其中特別指出，若想追求優(yōu)良的混凝土質(zhì)量和順利快捷的施工進(jìn)度，那么必須對(duì)選擇配合比要慎