鋼纖維噴射混凝土在隧道施工中的應(yīng)用

（福州成建工程監(jiān)理有限公司）

鋼纖維噴射混凝土在隧道施工中的應(yīng)用

夏國(guó)慶

（福州成建工程監(jiān)理有限公司）

鋼纖維噴射混凝土具有較好的承載性能和強(qiáng)度被廣泛應(yīng)用到國(guó)內(nèi)外工程建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域，近年來在復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道施工作業(yè)中也得到了迅速推廣。對(duì)于隧道施工中的鋼纖維混凝土噴射技術(shù)，國(guó)內(nèi)還沒有形成完整的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，且鋼纖維噴射砼的關(guān)鍵技術(shù)和工藝流程的控制還有待進(jìn)一步總結(jié)提高。本文探討了鋼纖維噴射砼的基本力學(xué)性能和特點(diǎn)，并借助寧德福寧2號(hào)隧道在隧道開挖支護(hù)案例中對(duì)其施工工藝和技術(shù)進(jìn)行了探究，為該材料在同類工程中的使用提供參考。

鋼纖維噴射混凝土；工藝流程；關(guān)鍵技術(shù)；隧道

0、引言

隨著城市交通發(fā)展，隧道工程在我國(guó)各大城市和地區(qū)大規(guī)模建設(shè)，隧道施工技術(shù)的研討課題也越來越多。由于隧道受線路和地形、地貌等影響，淺埋偏壓等形式，再加上不良地質(zhì)條件的影響，其開挖、支護(hù)與混凝土澆筑等環(huán)節(jié)都面臨著許多困難。特別是影響隧道施工安全的變形量控制，在隧道施工過程中的支護(hù)就顯的至關(guān)重要。普通的隧道施工，往往選用普通噴射砼進(jìn)行初期支護(hù)，但對(duì)于特殊、高風(fēng)險(xiǎn)地段，變形量控制要求很小的區(qū)域，使用普通噴射砼和支架支護(hù)就比較難實(shí)現(xiàn)其變形的嚴(yán)格控制。鋼纖維噴射砼的使用改善了這種狀況，但作為新型材料，其主要力學(xué)性能和實(shí)際施工工藝和技術(shù)在實(shí)踐中的探究還比較少，還需要加強(qiáng)施工工藝、關(guān)鍵技術(shù)的控制。

1、鋼纖維噴射砼（SFRC）主要特性

1.1主要特性介紹

該類材料是對(duì)傳統(tǒng)混凝土的改良研發(fā)出的一種新型材料，其制備主要技術(shù)是將鋼纖維均勻摻入到重新設(shè)計(jì)調(diào)配的普通噴射砼之中，同時(shí)通過現(xiàn)代高壓機(jī)械設(shè)備實(shí)現(xiàn)鋼纖維砼噴射在隧道支護(hù)表面的一種復(fù)合型新材料。其研發(fā)能夠有效克服傳統(tǒng)普通噴砼的易開裂、抗拉強(qiáng)度低、延性較差等缺陷，特別是提高了混凝土的韌性和抗沖擊性，從而極大改變了混凝土原來一直作為脆性材料的概念。隧道支護(hù)施工使用的鋼纖維噴砼與普通鋼筋噴砼相比，具有跟圍巖結(jié)合緊密、速度快、早期強(qiáng)度高、促進(jìn)圍巖自身承載能力提高等特點(diǎn)，有效杜絕初支背后空洞、抑制隧道圍巖和初支結(jié)構(gòu)的變形、確保了隧道施工安全。

1.2鋼纖維的主要分類

鋼纖維噴射砼中摻入的鋼纖維大體包括：①鋼絲切斷型鋼纖維、②薄板剪切型鋼纖維、③銑削型鋼纖維、④熔抽型鋼纖維。有些鋼纖維由于承載性能不佳，隧道工程中經(jīng)常使用的多為前兩類。

1.3基本力學(xué)性能分析

（1）鋼纖維噴射砼的抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度

通過工程試驗(yàn)研究表明，在普通混凝土之中加入鋼纖維對(duì)其抗壓強(qiáng)度影響是比較小的。當(dāng)前隧道施工中，通常選用CF20、CF25和CF30等不同強(qiáng)度等級(jí)的鋼纖維噴射砼進(jìn)行支護(hù)施工，其抗壓強(qiáng)度較C20、C25和C30強(qiáng)度稍高。但鋼纖維砼卻較普通砼的抗拉、抗折強(qiáng)度有了較大提升。比如CF30等級(jí)的鋼纖維混凝土，其抗拉強(qiáng)度一般要較同等級(jí)的普通混凝土在2 MPa以上。

（2）鋼纖維噴射砼的彎曲韌度

彎曲韌度是衡量該類砼的重要的性能標(biāo)準(zhǔn)，也是評(píng)估鋼纖維噴射砼在發(fā)生開裂之后的承載性能的重要依據(jù)。其在荷載作用下的撓度曲線變化情況見下圖1所示。其中A、B、C、D四個(gè)點(diǎn)主要指不同幅度大小作用力下的撓值； Pe代表剛開始開裂對(duì)應(yīng)的承載力大小。

圖1.鋼纖維砼荷載與撓曲線變化情況圖

國(guó)內(nèi)根據(jù)韌度指數(shù)大小對(duì)鋼纖維砼的承載性能進(jìn)行評(píng)估。不同等級(jí)的韌度指數(shù)對(duì)應(yīng)著不同開裂荷載的的荷載撓度值，比如I10對(duì)應(yīng)的是5.5δ、I30對(duì)應(yīng)15.5δ，彎曲韌度指數(shù)I5、I10、I30分別為變形達(dá)到3δ、5.5δ、15.5δ時(shí)試件對(duì)應(yīng)的吸收能韌度與試件初裂時(shí)的吸收能韌度的比值，其中δ代表鋼纖維砼剛開始開裂所對(duì)應(yīng)的撓度值大小。國(guó)內(nèi)使用的鋼纖維噴射砼通常要符合如下規(guī)范要求：

①鋼纖維砼的彎曲韌度指數(shù)要符合：I10=6～8 ，I30=18～24

②鋼纖維砼的韌度系數(shù)：R30/10≥60

能夠滿足以上幾項(xiàng)要求的鋼纖維噴射混凝土材料才能使用到隧道工程建設(shè)中。

1.4鋼纖維噴砼與普通噴砼的區(qū)別、受力分析

鋼纖維噴砼與普通噴砼相比主要區(qū)別體現(xiàn)在如下幾點(diǎn)：

（1）鋼纖維噴砼相比普通噴砼主要摻入了鋼纖維，在力學(xué)性能方面凸顯了其承載力、延性較強(qiáng)，隧道初期支護(hù)關(guān)乎施工安全風(fēng)險(xiǎn)的變形控制主要就是通過鋼纖維來實(shí)現(xiàn)的。

（2）關(guān)于力學(xué)性能方面，普通噴砼試件與鋼纖維噴砼試件通過試驗(yàn)反應(yīng)出了鋼纖維噴砼在受力作用下的撓曲線變形情況，具體見下圖2和圖3所示

圖2. 普通噴砼荷載—撓度曲線

圖3. 鋼纖維噴砼荷載—撓度曲線

2、應(yīng)用實(shí)例

2.1工程概況

福寧2號(hào)隧道位于寧德市福寧北路蘭田與漳灣之間，設(shè)計(jì)為雙向四車道，為上下行分離的雙洞大跨（最大開挖跨度接近16.6米，）、小凈距隧道（中夾巖厚5-6米），隧道長(zhǎng)405米，隧道限寬13.75米，限高5.0米。隧道埋深約2-35米，圍巖為殘坡積土及碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖，地下水位高于隧道底板，邊仰坡采用錨噴防護(hù)，輔助進(jìn)洞措施采用套拱加大管棚。由于隧道淺埋偏壓、圍巖破碎富水軟弱，隧道采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖即俗稱眼睛法開挖見圖4所示，為保證隧道施工安全，需加強(qiáng)防排水，并按設(shè)計(jì)要求采用合理的加固方法來提高中夾巖柱的承載能力,同時(shí)主洞初期支護(hù)采用剛度較大的工字鋼和噴射鋼纖維砼以控制其變形量。

圖4.軟弱圍巖淺埋偏壓小凈距大跨雙線隧道開挖支護(hù)順序示意圖

2.2鋼纖維噴射砼主要工藝流程

該隧道初支鋼纖維噴射砼施工具體步驟見圖5所示

圖5.隧道濕噴鋼纖維砼施工工藝流程圖

2.3鋼纖維噴射砼施工工藝、技術(shù)要求

（1） 鋼纖維噴砼施工控制要點(diǎn)

① 選用普通硅酸鹽水泥，適當(dāng)添加硅粉或置換一定量的水泥，細(xì)度模數(shù)大于2.5的硬質(zhì)潔凈砂，粒徑5-12mm連續(xù)級(jí)配碎(卵)石，化驗(yàn)合格的拌合用水。

② 噴射混凝土嚴(yán)格按設(shè)計(jì)配合比進(jìn)行拌和，按各種材料先干拌合均勻后再加水的步驟，配合比及攪拌的均勻性每班檢查不少于兩次。

③初支噴護(hù)采用濕噴工藝， 噴射前認(rèn)真檢查隧道斷面，對(duì)欠挖部分及所有開裂、破碎、出水點(diǎn)、崩解的破損巖石進(jìn)行清理和處理，清除浮石和墻角虛碴，并用高壓水或風(fēng)沖洗巖面。

④ 噴頭距巖面距離為0.6m～1.2m，噴頭垂直受噴面，噴初期支護(hù)鋼架背后，將噴頭稍加偏斜。噴射路線應(yīng)先邊墻后拱部，分區(qū)、分段螺旋形運(yùn)動(dòng)，噴頭作連續(xù)不斷的圓周運(yùn)動(dòng)，后一圈壓前一圈1/3，螺旋狀噴射。

⑤ 噴射混凝土作業(yè)采取分段、分塊，先墻后拱、自下而上的順序進(jìn)行。噴嘴做反復(fù)緩慢的螺旋形運(yùn)動(dòng)，螺旋直徑約為20～30cm，以保證混凝土噴射密實(shí)。同時(shí)掌握風(fēng)壓、水壓及噴射距離，通過調(diào)整減少回彈量。

⑥ 隧道噴射混凝土厚度＞8cm時(shí)分兩層作業(yè)，第二次噴射混凝土如在第一層混凝土終凝1h后進(jìn)行，需沖洗第一層混凝土面。初次噴射先找平巖面。

⑦ 噴射混凝土終凝2h后，進(jìn)行噴水養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于7d。隧道開挖下次爆破距噴射混凝土完成時(shí)間的間隔，不得小于4h。

(2) 有水地段噴射混凝土的施工措施

① 當(dāng)涌水點(diǎn)不多時(shí)，設(shè)導(dǎo)管引排水后再噴射混凝土；當(dāng)涌水量范圍較大時(shí)，設(shè)樹枝狀排水導(dǎo)管引排后再噴射混凝土；當(dāng)涌水嚴(yán)重時(shí)可設(shè)置泄水孔，邊排水邊噴混凝土。

② 增加水泥用量或置換一定比例的硅灰，改變配合比，噴混凝土由遠(yuǎn)而近逐漸向涌水點(diǎn)逼近，在涌水點(diǎn)安設(shè)導(dǎo)管，將水引出，再向?qū)Ч芨浇鼑娀炷痢?/p>

③ 當(dāng)巖面普遍滲水時(shí)，先噴砂漿，并加大速凝劑摻量，初噴后再按原配合比施工。當(dāng)局部出水量較大時(shí)采用埋管、鑿槽、樹枝狀排水盲溝等措施，將水引導(dǎo)疏出后再噴混凝土。

④ 當(dāng)噴射混凝土局部凹凸不平尺寸大于下述要求時(shí)，進(jìn)行處理。邊墻：D/L=1/6；拱部：D/L=1/8。式中：L—噴射混凝土相鄰兩凸面間的距離；D—噴射混凝土兩凸面凹進(jìn)的深度。

2.4鋼纖維噴射砼施工效果分析

（1）鋼纖維噴砼施工綜合效果

濕噴鋼纖維砼在該隧道初支的使用顯現(xiàn)了其施工效率高、施工進(jìn)度快、施工環(huán)境、安全有保障的施工綜合效果。通過濕噴鋼纖維砼有效提高了隧道圍巖的初期支護(hù)強(qiáng)度，有效解決了隧道軟弱地質(zhì)類型支護(hù)早期結(jié)構(gòu)開裂、沉降、變形等不穩(wěn)定的問題。

（2）鋼纖維噴砼施工回彈量分析

濕噴鋼纖維砼從原材料選用、配比、拌合、運(yùn)輸、施工操作等力求科學(xué)和規(guī)范，并采取現(xiàn)代化的工裝設(shè)備，回彈量較普通噴砼的25%左右下降到了5%-10%，有效降低了施工成本，并加快了施工進(jìn)度。

（3）質(zhì)量和安全防護(hù)方面分析

初支使用濕噴鋼纖維混凝土施工，從噴砼的厚度、強(qiáng)度、平整度、空洞、裂縫、沉降、收斂等，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地觀察、實(shí)測(cè)實(shí)量、實(shí)體檢測(cè)、取樣試驗(yàn)等檢查各項(xiàng)指標(biāo)和數(shù)據(jù)均能滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。有效保證了施工質(zhì)量和管控了風(fēng)險(xiǎn)。

3、鋼纖維噴射混凝土的使用效益分析

3.1綜合效益方面分析

選取濕噴鋼纖維砼的形式對(duì)隧道初期支護(hù)起到顯著的加強(qiáng)的作用，有效抑制了隧道圍巖對(duì)初期支護(hù)造成的開裂和變形，并將設(shè)計(jì)預(yù)留變形量15公分控制在了8公分左右，解決了復(fù)雜地質(zhì)條件下的不安全問題。同時(shí)使用濕噴法施工能夠有效減少洞內(nèi)粉塵污染，為施工人員身體健康和工作環(huán)境創(chuàng)造了條件，為綜合效益的提高奠定了基礎(chǔ)。

3.2施工進(jìn)度方面效益分析

采取濕噴鋼纖維砼減小了開挖預(yù)留變形量既減少了圍巖開挖量和運(yùn)輸；省去了鋼筋網(wǎng)的加工、安裝等工序；鋼纖維噴砼一次噴射厚度較普通噴砼提高一倍多，減少了多遍工序操作；使用濕噴機(jī)施工，創(chuàng)造了有利的洞內(nèi)施工環(huán)境，提高了施工人員的工作積極性；通過不斷的調(diào)整回彈控制方法來有效減少回彈量，對(duì)圍巖及時(shí)有效的封閉、降低風(fēng)險(xiǎn)起到了重要作用。

4、結(jié)語(yǔ)

本文研究了鋼纖維噴射砼的主要特性、主要施工技術(shù)控制要點(diǎn)等內(nèi)容，并借助寧德福寧2號(hào)隧道項(xiàng)目鋼纖維噴射砼實(shí)例，對(duì)鋼纖維噴射混凝土的主要應(yīng)用工藝流程和控制要點(diǎn)等進(jìn)行了實(shí)踐，進(jìn)一步驗(yàn)證了鋼纖維噴射砼在不良地質(zhì)條件下和高風(fēng)險(xiǎn)隧道施工中較普通噴砼具有更高的抗變形能力及潛在的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，希望通過本文的研究為今后加強(qiáng)隧道初期支護(hù)施工提供技術(shù)支持。

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1007-6344（2017）04-0084-02