纖維噴射混凝土在隧道施工中的應(yīng)用研究

梁世俊

（山西路橋集團(tuán) 榆和高速公路有限公司，山西 晉中 030600）

0 引言

目前，濕噴混凝土工藝已應(yīng)用于隧道工程的襯砌支護(hù)施工中，但其使用的普通混凝土材料仍然存在抗?jié)B、抗裂、抗磨耗性能較差等缺點(diǎn)[1-2]，尤其是抗裂性能較差的特點(diǎn)影響了該工藝在隧道襯砌施工中的推廣。為彌補(bǔ)普通混凝土的以上缺點(diǎn)，有學(xué)者提出在其中摻入鋼纖維以改善抗裂性能并取得了一定的效果[3]。但鋼纖維價(jià)格較高，且后期容易銹蝕，研究發(fā)現(xiàn)若在普通混凝土中用聚丙烯纖維取代鋼纖維將有效解決以上問(wèn)題[4]。

美國(guó)于20世紀(jì)70年代開(kāi)始在混凝土路面中添加聚丙烯纖維，有效增加了道路的抗裂性能，延長(zhǎng)了道路的使用壽命，此后聚丙烯纖維混凝土又在橋梁、隧道等工程進(jìn)行了相關(guān)應(yīng)用。我國(guó)相關(guān)研究起步較晚但發(fā)展迅速，付華[5]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：摻入聚丙烯纖維后，混凝土抗拉強(qiáng)度有一定的增加，抗壓強(qiáng)度無(wú)明顯變化；戴建國(guó)[6]研究表明聚丙烯纖維可以增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的延性，提高抗彎能力；蘇健波[7]建議在普通混凝土中，聚丙烯纖維的摻量應(yīng)大于0.1%，否則相關(guān)力學(xué)性能不升反降。目前，針對(duì)聚丙烯纖維改善噴射混凝土性能的相關(guān)研究較少，對(duì)其力學(xué)性能及工程應(yīng)用缺乏系統(tǒng)研究。

依托工程實(shí)例，采用聚丙烯纖維改善濕噴混凝土的力學(xué)性能，并對(duì)纖維噴射混凝土在隧道支護(hù)中的施工工藝、實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行了檢驗(yàn)。

1 工程概況

某新建高速公路設(shè)計(jì)樁號(hào)K32+120—K33+451處為隧道，全長(zhǎng)1.331 km，所處位置為低山剝蝕性地貌，地勘結(jié)果表明該隧道上覆塊石土、碎石土，下伏風(fēng)化嚴(yán)重的灰?guī)r，隧道所處區(qū)域無(wú)地下水侵蝕，隧道側(cè)壁為Ⅲ、Ⅳ級(jí)圍巖，經(jīng)專(zhuān)家評(píng)審后確定隧道支護(hù)方案為錨噴支護(hù)，隧道襯砌拱一次性成型，施工方法采用濕噴混凝土，混凝土中摻入聚丙烯纖維提高混凝土的性能。

2 原材料及配合比

2.1 聚丙烯纖維

聚丙烯纖維的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 聚丙烯纖維相關(guān)性能

2.2 粗骨料

選用隧道施工現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖出來(lái)的玄武巖碎石，粒徑≤15 mm，連續(xù)級(jí)配，級(jí)配范圍應(yīng)滿足表2。

表2 粗骨料級(jí)配范圍

2.3 細(xì)骨料

采用潔凈的河砂，測(cè)定細(xì)度模數(shù)為3.1，工地現(xiàn)場(chǎng)所用河砂應(yīng)潔凈無(wú)雜質(zhì)，砂礫不宜過(guò)粗或過(guò)細(xì)，過(guò)粗會(huì)造成混凝土回彈率增大，過(guò)細(xì)會(huì)造成混凝土干縮形變加大，砂粒級(jí)配應(yīng)滿足表3要求。

表3 細(xì)骨料級(jí)配范圍

2.4 水泥及外加劑

水泥采用425號(hào)海螺牌普通硅酸鹽水泥，速凝劑選用重慶天耀建材生產(chǎn)的TY-S108無(wú)堿液體速凝劑。

2.5 配合比

根據(jù)水泥強(qiáng)度與施工工藝，現(xiàn)場(chǎng)拌合的普通混凝土相關(guān)配合比確定為：水灰比=0.36，水泥∶石∶砂=1∶1.76∶2.06。由于濕噴混凝土中加入聚丙烯纖維后并不會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此纖維對(duì)混凝土的配合比并不影響，聚丙烯纖維的摻量確定為0.9 kg/m3，現(xiàn)場(chǎng)纖維混凝土的坍落度控制在9 cm左右。

3 施工工藝

3.1 機(jī)械設(shè)備

施工機(jī)械采用普通濕噴混凝土相關(guān)機(jī)械設(shè)備，施工機(jī)械設(shè)備見(jiàn)表4。

表4 施工機(jī)械設(shè)備

3.2 噴射工藝

濕噴聚丙烯纖維混凝土的工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 施工流程圖

3.2.1 施工準(zhǔn)備

噴射施工前對(duì)隧道側(cè)壁進(jìn)行清洗，保證巖面清潔，同時(shí)將控制側(cè)壁襯砌厚度的量測(cè)卡尺安裝到位。噴射前對(duì)施工所用原材料質(zhì)量進(jìn)行抽樣檢測(cè)，確保質(zhì)量滿足要求，同時(shí)注意對(duì)粗細(xì)集料進(jìn)行清潔并篩分，現(xiàn)場(chǎng)施工配合比等數(shù)據(jù)應(yīng)反復(fù)驗(yàn)證后方可采用，現(xiàn)場(chǎng)施工機(jī)械設(shè)備也要進(jìn)行相應(yīng)沖洗清潔。

3.2.2 混合料拌合

各種混合料加入攪拌機(jī)干拌的先后順序沒(méi)有特別限定，遵循配合比即可。為了便于纖維在混合料中分散均勻，拌合時(shí)間應(yīng)比普通混凝土的拌合時(shí)間相應(yīng)延長(zhǎng)，施工時(shí)，宜將干拌時(shí)間定為1 min，加水后濕拌時(shí)間控制在 3～4 min。

3.2.3 噴射工藝

3.2.3.1 噴射風(fēng)壓的確定

噴射風(fēng)壓的大小將直接決定混凝土施工時(shí)的回彈率及后期成型后的質(zhì)量，應(yīng)根據(jù)噴射高度提前試噴確定風(fēng)壓，噴射過(guò)程應(yīng)保持風(fēng)壓持續(xù)穩(wěn)定，應(yīng)以噴頭處風(fēng)壓0.1 MPa作為控制標(biāo)準(zhǔn)。

3.2.3.2 隧道內(nèi)壁噴射順序及手法

隧道應(yīng)分段劃片進(jìn)行噴射，噴射時(shí)應(yīng)先噴射側(cè)壁凹陷的地方找平，同時(shí)應(yīng)遵循由下及上的順序，采用水平旋轉(zhuǎn)噴射的方式并逐漸過(guò)渡到頂面，旋轉(zhuǎn)半徑以150 mm為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控制，旋轉(zhuǎn)時(shí)后圈搭接前圈的寬度約25 mm左右。

3.2.3.3 噴射角度與距離

垂直隧道側(cè)壁進(jìn)行噴射，但在某些邊墻等較厚部位噴射時(shí)，可以適當(dāng)向下傾斜一定角度以減少骨料反彈率。噴射距離與風(fēng)壓大小有關(guān)，一般以1.5 m的距離作為控制標(biāo)準(zhǔn)。

3.2.3.4 噴射厚度及速度

噴射時(shí)保持噴頭2 s旋轉(zhuǎn)一次，噴射厚度應(yīng)大于等于50 mm，厚度的測(cè)量應(yīng)以噴射料不墜落時(shí)的測(cè)量厚度為準(zhǔn)，達(dá)到相應(yīng)厚度后方可移動(dòng)噴頭。

3.2.3.5 風(fēng)壓控制

濕噴時(shí)，將空氣壓縮機(jī)的風(fēng)壓調(diào)至0.45 MPa左右為宜。

3.2.4 養(yǎng)護(hù)

噴射完成后應(yīng)及時(shí)做好養(yǎng)護(hù)工作，2 h后必須灑水養(yǎng)護(hù)，且應(yīng)持續(xù)養(yǎng)護(hù)不少于14 d。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

4.1 回彈試驗(yàn)

參照相關(guān)測(cè)定方法[8]，現(xiàn)場(chǎng)制備試樣板，以100 mm的厚度作為噴射厚度，及時(shí)測(cè)定濕噴聚丙烯纖維混凝土及未摻纖維混凝土的回彈率，測(cè)定結(jié)果如表5所示。

表5 回彈試驗(yàn)結(jié)果

由表5可知，摻入纖維后，濕噴混凝土的回彈率較大幅度降低，下降了約45.65%.這是因?yàn)槔w維的加入使得混合料黏聚性加大，坍落度隨之降低，回彈率降低。

4.2 強(qiáng)度試驗(yàn)

分別制備纖維混凝土與普通混凝土板試件，其中抗壓試驗(yàn)所用試件為邊長(zhǎng)100 mm的正方體，抗折試件尺寸為 100 mm×100 mm×400 mm，試件養(yǎng)護(hù)28 d后分別進(jìn)行抗壓與抗折試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

網(wǎng)頁(yè)版式設(shè)計(jì)不再是單純的視覺(jué)享受，它是將視覺(jué)享受與人們的生活習(xí)慣、生活方式、心理體驗(yàn)等進(jìn)行充分融合的藝術(shù)設(shè)計(jì)。[1]在網(wǎng)頁(yè)編排設(shè)計(jì)中還需要注意以下幾個(gè)方面的特征：

表6 強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果 MPa

由表6可知，混凝土的抗壓、抗折強(qiáng)度在摻入纖維后，均得到了一定程度的增大，其中抗壓強(qiáng)度增大了4.82%，抗折強(qiáng)度提高了8.48%.抗壓強(qiáng)度增大的原因是纖維加入后吸收了混凝土中一定量的水，水灰比隨之降低?？拐蹚?qiáng)度增大是因?yàn)槔w維在混凝土中起到加筋增韌的作用。

對(duì)比觀察纖維混凝土與普通混凝土試件的裂紋后發(fā)現(xiàn)，前者裂紋明顯少于后者，表明纖維的摻入有效提高了混凝土材料的抗裂性能。

5 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與分析

隧道襯砌施工完成并養(yǎng)護(hù)28 d后，對(duì)其進(jìn)行鉆芯取樣分析。同時(shí)在隧道完成施工后對(duì)其襯砌結(jié)構(gòu)自身的應(yīng)力及圍巖所受應(yīng)力分別進(jìn)行了持續(xù)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)在隧道右線YK32+120—YK33+451中第2段處（每段10 m，共133段，最后一段11 m）。

5.1 鉆芯取樣檢測(cè)

隧道襯砌結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)28 d后，每隔333 m，分別選取具有代表性的隧道斷面邊墻進(jìn)行鉆芯取樣，取樣后送至室內(nèi)檢測(cè)其強(qiáng)度，結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 鉆芯取樣檢測(cè)結(jié)果 MPa

對(duì)比表7與表6檢測(cè)結(jié)果可知，施工完成后鉆芯取樣所得抗壓、抗折強(qiáng)度均優(yōu)于施工現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，表明施工后的隧道襯砌強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，施工質(zhì)量良好。

5.2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與分析

選取隧道右線YK32+120—YK33+451段中的第3段進(jìn)行圍巖應(yīng)力與襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力的監(jiān)測(cè)以評(píng)測(cè)聚丙烯纖維噴射混凝土襯砌結(jié)構(gòu)對(duì)圍巖的擾動(dòng)及自身力學(xué)性能。

5.2.1 圍巖應(yīng)力

圖2表明，隧道襯砌結(jié)構(gòu)施工完畢后，隨時(shí)間增長(zhǎng)，圍巖應(yīng)力逐漸增大，但其增長(zhǎng)幅度逐漸減緩，21 d時(shí)基本趨于穩(wěn)定，圍巖應(yīng)力最大值為0.27 MPa，發(fā)生在右墻腰側(cè)。不同位置處的圍巖應(yīng)力均較小，在可控制范圍內(nèi)，表明隧道襯砌施工對(duì)圍巖擾動(dòng)較少，襯砌結(jié)構(gòu)與圍巖結(jié)合良好。

圖2 隧道右線YK32+120—YK33+451第3段圍巖應(yīng)力曲線

5.2.2 襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力

在隧道右線第3段的側(cè)墻腰部、邊墻與拱頂處的墻中間處分別布置振弦式應(yīng)變計(jì)進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖3所示。

圖3 隧道右線YK32+120—YK33+451第3段襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力曲線

由圖3可知，隧道襯砌結(jié)構(gòu)施工完畢后，隨時(shí)間增長(zhǎng)，襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力逐漸增大，但其增長(zhǎng)幅度逐漸減緩，30 d時(shí)基本趨于穩(wěn)定，應(yīng)力最大值為0.51 MPa，發(fā)生在左墻腰側(cè)。不同襯砌位置的應(yīng)力均較小，表明該隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全可靠。

5.3 長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)

隧道施工完成后，在其通車(chē)的幾年時(shí)間里對(duì)其進(jìn)行了持續(xù)觀測(cè)，觀測(cè)發(fā)現(xiàn)采用聚丙烯纖維混凝土濕噴隧道襯砌結(jié)構(gòu)后，無(wú)裂縫及滲水現(xiàn)象產(chǎn)生，具有良好的抗裂與抗?jié)B性能。

6 經(jīng)濟(jì)效益分析

對(duì)比分析隧道襯砌結(jié)構(gòu)中濕噴普通混凝土與纖維混凝土的成本如表8所示。

表8 成本對(duì)比 元/m3

由表8可知，普通混凝土計(jì)入回彈損失每立方米的成本總費(fèi)用為974元，纖維混凝土計(jì)入回彈損失每立方米的成本總費(fèi)用為943元。綜合比較，纖維噴射混凝土的經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)于普通噴射混凝土。

7 結(jié)語(yǔ)

依托工程實(shí)例，對(duì)加入聚丙烯纖維的濕噴混凝土的施工過(guò)程和實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行檢驗(yàn)，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

a）摻入纖維后，濕噴混凝土回彈率大幅度降低，下降約45.65%.

b）摻入纖維后，混凝土抗壓、抗折強(qiáng)度均得到了一定程度的增大，其中抗壓強(qiáng)度增大了4.82%，抗折強(qiáng)度提高了8.48%.

c）工程應(yīng)用表明：隧道一次性成型襯砌拱在采用聚丙烯纖維噴射混凝土后，對(duì)周?chē)鷩鷰r擾動(dòng)較少，襯砌結(jié)構(gòu)安全可靠。

d）計(jì)入回彈損失成本后，纖維噴射混凝土的經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)于普通噴射混凝土。