钢纤维混凝土在隧道支护中的应用

摘要：本文首先简单介绍钢纤维喷射混凝土的特性、增强机理、材料选用、施工工艺，然后通过工程实例阐述钢纤维喷射混凝土在性能和施工等方面的优点以及它带来的经济效益。

关键词：钢纤维；韧性；湿喷；支护；效益

1．引言

1.1钢纤维喷射混凝土的定义和特性

钢纤维喷射混凝土（Steel Fiber ReinforcedShotcrete）是由水泥、水、中粗砂、骨料、钢纤维及必要时掺入外加剂或掺和料按一定比例配制而成的，籍助于空气压力以高速喷射至受喷面而形成的散布有不连续钢纤维的砂浆或混凝土。与素混凝土相比，提高了弯拉强度、韧性、延性和阻裂能力，可以有效减少混凝土的收缩裂缝，增强混凝土的耐久性和密实性，使原本属于脆性材料的混凝土变成具有一定塑性性能的复合材料，从而改善了结构的使用寿命；同时在施工时避免了挂网操作，可以实现无模化快速施工，具有重要的经济效益和社会效益。

1.2钢纤维的分类

钢纤维按材质可分为：碳钢型，低合金钢型和不锈钢型；按形状可分为：平直形和异形，异形钢纤维可分为压痕形、波形、端钩形、大头形和不规则麻面形；按生产工艺可分为：钢丝切断型，薄板剪切型，熔抽型和钢锭铣削型；按强度可划分为：380级(抗拉强度≥380N/mm2，

1.3钢纤维混凝土的增强机理

混凝土的抗拉强度较低，一旦开裂后会发生脆性破坏，利用钢纤维进行增强处理后，钢纤维能够控制裂缝的开展，并且传递拉应力，产生应力重分布，从而提高混凝土的裂后强度，使混凝土据有相当的弯曲韧度，和素混凝土相比，钢纤维混凝土在发生变形后仍能承担荷载。实验表明，普通钢纤维混凝土主要是因为钢纤维被拔出而破坏，而不是因钢纤维拉断而破坏，钢纤维的抗拉强度一般都能满足要求。根据钢纤维增强机理的各种理论，诸如纤维间距理论、复合材料理论和微观断裂理论，以及大量的试验数据，得出纤维的增强效果主要取决于基体强度(fm)，纤维的长径比，纤维的体积率(钢纤维混凝土中钢纤维所占体积百分数)，纤维与基体间的粘结强度(τ)，以及纤维在基体中的分布和取向(η)的影响，而改善纤维与基体间的粘结强度是改善纤维增强效果的主要控制因素之一，其主要方法有：增加钢纤维的粘结长度（即增加长径比）；改善基体对钢纤维的粘结性能；改善钢纤维的形状，增加钢纤维与混凝土之间的摩阻力和咬合力。

2．材料选用

钢纤维喷射混凝土的强度等级不应低于C20，钢纤维表面应洁净无锈无油，无粘结成团现象，保证钢纤维与混凝土的粘结强度；水泥强度等级不低于32.5；粗骨料应选用质地坚硬，级配良好的石灰岩、花岗岩、辉绿岩等碎石或碎卵石。粗骨料颗粒中，针片状颗粒含量不宜超过5%，且不得混入风化颗粒，含泥量不应大于1%，泥块含量不应大于0.5%；细集料宜采用天然中粗砂或机制砂，砂粒必须坚硬、洁净、干燥、无杂质、颗粒均匀，细度模数为2.0～3.0，含泥量不大于3%；外加剂选用优质减水剂，对抗冻性有明确要求的钢纤维喷射混凝土宜选用引气型减水剂。

3．施工方法

隧道喷射混凝土根据工艺流程一般分干喷、、湿喷和混合喷四种。主要区别是各工艺的投料程序不同，特别是加水和速凝剂的时机不同。

3.1干喷：干喷是将骨料、水泥和速凝剂按一定比例干拌均匀，然后装入喷射机，用压缩空气使干集料在软管内呈悬浮状态压送到喷枪，再在喷嘴处与高压水混合，以较高速度喷射到岩面上。干喷使用的机械结构较简单，机械清洗和故障处理容易。但其缺点是容易产生较大的粉尘，回弹量大，加水是由喷嘴处的阀门控制的，水灰比的控制比较难而且与操作手的熟练程度有关。

3.2：是将骨料预加少量水，使之呈潮湿状，再加水泥拌和，从而降低上料、拌和和喷射时的粉尘。但大量的水仍是在喷头处加入和喷出的，其喷射工艺流程和使用机械同干喷工艺。目前施工现场较多使用的是工艺。

3.3湿喷：是将骨料、水泥和水按设计比例拌和均匀，用湿式喷射机压送到喷头处，再在喷头上添加速凝剂后喷出。湿喷混凝土质量容易控制，喷射过程中的粉尘和回弹量很少，作业安全，但对喷射机械要求高，机械清洗和故障处理较麻烦。对于喷层较厚的软岩和渗水隧道，则不易使用湿喷。

3.4混合喷射：又称水泥裹砂造壳喷射法，它是将一部分砂加第一次水拌湿，再投入全部水泥强制搅拌造壳；然后加第二次水和减水剂拌和成SCE砂浆；将另一部分砂和石、速凝剂强制搅拌均匀。然后分别用砂浆泵和干式喷射机压送到混合管混合后喷出。混合喷射是分次投料搅拌工艺与喷射工艺的结合，其关键是水泥裹砂（或砂、石）造壳技术。混合喷射工艺使用的主要机械设备与干喷工艺基本相同，但混凝土的质量较干喷混凝土质量好，且粉尘和回弹率有大幅度降低。但使用机械数量较多，工艺较复杂，机械清洗和故障处理很麻烦。因此混合喷射工艺一般只用在喷射混凝土量大和大断面隧道工程中。

由于喷射工艺的不同，喷射混凝土强度不同，干喷和混凝土强度较低，一般只能达到C20，混和喷射和湿喷则可达到C30～C35。

4．关键技术

4.1混凝土拌制

钢纤维在拌合料中的分布均匀性，不仅与原材料和搅拌工艺有关，而且受搅拌机械和投料方法影响更大。对于钢纤维混凝土，宜采用机械拌合。当钢纤维体积率高，拌合物稠度较大时，搅拌机一次拌和量不大于其额定拌和量的80%。搅拌的投料次序和方法以搅拌过程中钢纤维不结团，不产生弯曲或折断，不因拌和机超负荷而停止运转，出料口不堵塞为原则。宜优先采用将钢纤维、水泥、粗细骨料先干拌而后加水湿拌的方法；也可先投放水泥、粗细骨料和水，在拌合过程中分散加入钢纤维的方法。钢纤维混凝土的搅拌时间应较普通混凝土规定的搅拌时间延长1～2min，采用先干拌后加水的搅拌方式时，干拌时间不宜小于1.5min。

4.2喷射角度和距离

喷嘴与岩面的角度，一般应垂直岩面，边墙喷射宜将喷嘴略向下俯100左右，使混凝土束喷射在较厚的混凝土顶端；拱部尽可能以直径方向喷射，当受喷面被格栅、钢筋网覆盖时，可将喷头稍加倾斜，但不宜小于700，喷嘴和受喷面的角度太小，会形成混凝土物料在受喷面上的滚动，产生出凹凸不平的波形喷面，增加回弹量，影响喷射混凝土的质量。喷射距离以混凝土最小回弹和最高强度来确定，一般以能看清喷射情况，使料束集中，回弹量最小为宜，一般为0.6～1.2m，喷嘴处风压一般控制在0.3～0.5MP。

4.3喷射厚度

分层喷射，一次喷射厚度不宜超过4～6cm，两层喷射的时间间隔为15～20min。第一层喷厚5cm左右，待硬化并强度达到5～8MP后，继续分层喷射达到设计厚度。第一次喷射后终凝后间隔1h以上且初喷表面已蒙上粉尘时，应用高压气体、水清洗干净受喷面，第一层喷射时应在设计确定的断面位置埋设厚度量测组件。影响喷层厚度的主要因素是混凝土的塌落度、速凝剂的效果和作业面的温度。

4.4喷射顺序

喷射作业应分段、分层自下而上进行，按照先边墙后拱脚、最后喷射拱顶的顺序。喷前先找平受喷面的凹处，再将喷头成螺旋形或“S”形缓慢均匀移动，每圈压前面半圈，绕圈直径约30cm，每次喷射长度宜为3～4m，力求喷出的混凝土层面平顺光滑。

4.5养护

养护是喷射混凝土施工中的一个重要环节，在正常养护条件下，混凝土强度随龄期延长而增大，其原因是由于胶凝材料的不断水化，而水化速度与环境温度和湿度有关，但由于经常放炮和通风不良导致隧道内的温度较高，喷射混凝土周围的空气相对来说比较干燥，加上水化热引起的混凝土内部温度较高，将其表面水分很快蒸发掉，进而引起水泥石“毛细管”中水分继续蒸发，喷射混凝土中水泥与水的接触时间短而其范围有限，与普通混凝土相比水泥水化的程度更低，而此时的喷射混凝土强度还很低，收缩引起的拉应力将使混凝土开裂，破坏混凝土结构。为了保证喷射混凝土的强度能够正常增长，喷射混凝土终凝2h后，应喷水养护，养护时间不得少于7天，但气温低于50c时不得喷水养护。

5．在隧道工程中的应用

采用韧度设计的钢纤维喷射混凝土在国内的铁路和公路隧道及水电站地下工程中都已经有所应用，并且逐步成为一种趋势。

铁路隧道中，钢纤维混凝土的抗压、抗拉和抗剪强度大，具有很强的支护功能，不但应用于围岩条件较好的工程中（如在西康铁路秦岭隧道施工中采用钢纤维喷射混凝土作为永久支护已经积累了相当经验），并且逐步推广到围岩条件较差的项目中去。由于钢纤维喷射混凝土的韧度，使衬砌具有“吸收”围岩变形的能力，因此，在变形显著的软弱围岩中，钢纤维喷射混凝土更是一种理想的支护材料。太行山特长隧道位于石太客运专线小寨车站和盂县车站之间,通过太行山山脉的主峰越宵山,隧道最大埋深445 m,设计为双洞单线隧道,两线间距35 m,隧道全长27 839 m，隧道进口段围岩岩体破碎,裂隙发育,条件较差,设计采用湿喷钢纤维混凝土进行初期支护。经现场试验, 7 d和28 d平均强度分别为18.9、25.5MPa, 28 d平均强度标准偏差仅为0.6MPa,变异系数为1.2% ,质量稳定优良。湿喷钢纤维混凝土在本工程的应用,大大地缓解了工期矛盾,改善了作业环境,减轻了通风压力；在西康线椅于山隧道工程中湿喷钢纤维混凝土的成功应用证明，湿喷钢纤维混凝土工艺节省人力、物力、简化工序、降低成本。喷射混凝土施工简便，只需配备一台喷射机与搅拌机，省去了支模、浇筑和拆模工序，使混凝土输送、浇筑和捣实合为一道工序，同时由于工序简化，也减少了工序间的相互干扰，加快了衬砌的施工速度，提高了施工效率。湿喷钢纤维混凝土可通过输料软管在高空或狭小工作区间向任意方向施工薄壁结构，机动灵活，有较广的适应性，因而在隧道施工中适用范围广，可适用于Ⅲ类及其Ⅲ类围岩以上的衬砌，另外，钢纤维喷射混凝土粗糙的外表面能吸收声波，减轻回音，因而具有降低噪音的功能。

在公路隧道中钢纤维喷射混凝土已经用于软弱围岩的初期支护，如云南大（理）保（山）高速公路四角田隧道，上覆层为褐黑色碎石土，隧道围岩是以糜棱岩，泥岩、泥质粉砂岩为主的膨胀岩，自稳能力极差，膨胀岩具有极强的亲水性，当岩体中水分聚集时，岩体快速膨胀，对隧道已衬砌好的结构物产生强烈的膨胀压力，造成结构开裂破坏，当岩体中水分失掉时，岩体立即收缩，甚至出现干裂，导致自身强度降低或消失，使开挖的洞室极易发生坍塌。该隧道节理裂隙十分发育，风化破坏及其严重，地下裂隙水十分丰富，随着隧道的开挖，聚集在岩体中的高地应力随时释放，造成结构物破坏。施工初期采用普通复合衬砌，曾出现数次坍塌，造成初支严重开裂变形，甚至多次出现二衬拱部纵向开裂，仰拱开裂，底鼓，二衬变形侵限等病害，在充分总结施工方法和分析产生的事故原因的基础上，加强初支护，减少围岩变形，采用钢拱架，喷射钢纤维混凝土，系统锚杆等联合支护系统，取得了良好的效果。

而在水电站项目中，钢纤维喷射混凝土已有在岩爆条件的地下洞室永久支护的成功经验（二滩电站）。浙江省开化县齐溪水电站有压隧洞在两个工程段内采用钢纤维喷射混凝土衬砌，使围岩能在较大程度上发挥作用，减少了衬砌厚度，由原来的钢筋混凝土衬砌厚度50cm减至钢纤维混凝土喷射厚度6cm，省去了钢筋加工和绑扎工程量，同时不需立模和回填灌浆，大大降低了工程造价。

6.结语

钢纤维喷射混凝土作为一种新型的支护材料，施工简单，快速，目前在国内的隧道工程中已积累了相当成功的经验，取得了良好的经济效益和社会效益，相信随着工程技术人员的不断努力，钢纤维喷射混凝土技术会在我国的隧道工程中得到更广泛的使用。