鋼纖維噴射混凝土及其在隧道工程中的應用
2006-06-15 00:00
摘要：介紹鋼纖雛在噴射混凝土中的作用機理、鋼纖維的韌性及與隧道新奧法錨噴支護中相關的幾種主要力學性能，結合其在隧道工程中的應用，說明鋼纖維噴射混凝土能很好地滿足隧道新奧法的要求，是一種理想的支護材料。
關鍵詞：隧道工程鋼纖維噴射混凝土 韌性 新奧法 支護材料
鋼纖維混凝土（Steel Fiber Reinforced Concrete，SFRC）和鋼纖維噴射混凝土（Steel Fiber ReinforcedShotcrete，SFRS）作為一種新型建筑材料，近年來在國內外得到了迅速發(fā)展。和普通混凝土相比，鋼纖維混凝土不僅能明顯改善抗拉、抗剪、抗彎、抗磨和抗裂能力，而且能大大增強斷裂韌性和抗沖擊等多項性能，加之施工簡便，價格相對低廉，所以在道路路面、橋梁結構、隧道襯砌支護等工程中的應用日益廣泛。其中，鋼纖維噴射混凝土是由均勻散布有鋼纖維的混凝土拌和料，借助壓縮空氣高速噴射至受噴面而成的新型復合材料，它隨著在隧道和地下工程中新奧法的推廣和使用，已引起人們的高度重視，并在實際工程中取得了良好的效果。
1 鋼纖維在混凝土中的作用機理
研究鋼纖維混凝土的增強機理，是提高鋼纖維對混凝土增強、增韌和阻裂效應，從本質上改變其物理、力學、化學性能，并造就材料新性能的理論基礎，也是進行鋼纖維混凝土性能設計的依據。對鋼纖維混凝土的增強機理，主要有兩種理論解釋，一是1963年由美國羅穆阿爾迪（Romualdi）提出的纖維間距理論，這一理論以線彈性斷裂力學為基礎，強調了鋼纖維混凝土在結構形成和受力過程中對裂縫發(fā)生和發(fā)展的抑制作用；另一種是復合力學理論，其出發(fā)點是復合材料構成的混合理論，即將纖維增強混凝土看作是纖維強化體系，應用混合理論來推求纖維混凝土的應力、彈性模量和強度等。由于以上兩種理論都存在一定的片面性，近年來，國內外對鋼纖維噴射混凝土的基本特性進行了多方面的試驗研究和探索，試圖綜合復合力學理論和纖維間距理論的優(yōu)點，進一步完善、充實和得到符合鋼纖維混凝土特征的新理論，但因為未能從根本上解決兩種理論的自身缺陷，依然無法取得令人滿意的結論。
2 鋼纖維噴射混凝土的特性
在噴射混凝土中加入鋼纖維可以改善混凝土吸收能量的能力和抗沖擊能力，提供開裂的阻力，控制開裂，并且能明顯改善延展性。例如，在混凝土基體開裂后，它仍然具有承載能力。加入鋼纖維的混凝土和素混凝土、鋼筋混凝土的性能相比改善和提高了許多。
2．1 韌性
在噴射混凝土中摻加鋼纖維，主要是為了提高原為脆性材料的噴射混凝土的韌性。韌性是指鋼纖維噴射混凝土在承載過程中吸收變形的能力，是鋼纖維噴射混凝土的一個重要特性。常以荷載一位移曲線與橫坐標軸所包絡的面積來表示。噴射混凝土中加入鋼纖維后，噴射混凝土的變形能力與殘余抗彎強度有了顯著的提高，如圖1所示。
在隧道工程中，鋼纖維噴射混凝土的韌性使得與巖面緊密貼合的噴層不但具有一定的柔性，而且在同圍巖共同變形過程中持續(xù)有效地提供支護抗力，有助于圍巖通過應力調整，形成足夠大的塑性區(qū)，充分發(fā)揮塑性區(qū)巖體的“卸載”作用，使傳到支護體上的壓力大為減小。
2．2 其它主要力學性能
鋼纖維噴射混凝土中亂向分布的短纖維主要作用是阻礙混凝土內部微裂縫的擴展和阻滯宏觀裂縫的發(fā)生和發(fā)展，因此加入鋼纖維對于噴射混凝土抗拉強度和主要由主拉應力控制的抗剪、抗彎、抗扭強度等有明顯的改善作用，見圖2。
圖2是一組典型的試驗結果。當鋼纖維摻量在1% ～2%體積率的范圍內，抗拉強度提高40% ～80%，抗彎強度提高60% 一120%，抗剪強度提高50% 一100% 。但鋼纖維對混凝土的抗壓強度提高幅度較小，一般在0% 一25%之間，根據鐵道科學研究院的試驗證明，決定抗壓強度的主要因素仍是噴射混凝土本身的配合比設計，見表1。
2．3 斷裂與斷裂韌性
普通噴射混凝土因表面受拉易收縮干裂，斷裂縫則成為隧道地下水滲出的通道。斷裂后的混凝土在地下水長期的侵蝕下發(fā)生剝離、脫落的現象，支護結構則喪失支護功能，嚴重者發(fā)生坍塌。因此，強調噴射混凝土在受拉情況的斷裂性能尤為重要。在噴射混凝土中加入鋼纖維后，變形性能得到有效改善，且一旦鋼纖維混凝土出現裂縫，鋼纖維的作用更加明顯，能發(fā)揮較好的阻裂作用。因此鋼纖維噴射混凝土非常適合環(huán)境惡劣，需抗裂、抗沖擊的隧道工程結構。
3 鋼纖維噴射混凝土在隧道工程中的應用
3．1 鋼纖維噴射混凝土與新奧法
新奧法的基本概念是通過發(fā)揮圍巖承載環(huán)的主動作用使隧道圍巖成為承載結構。顯然，新奧法對圍巖承載能力的利用，是通過支護系統在同圍巖共同變形的過程中通過對圍巖變形控制來實現的，即允許圍巖變形有一定程度的釋放。這就要求對圍巖起保護和控制作用的支護系統不僅要有足夠的強度，而且還要考慮其變形性能，即合理的剛度。在以往新奧法的錨噴支護中，根據不同的施工條件，選用了素噴混凝土支護、素噴加錨桿、素噴加鋼筋網、噴錨網聯合支護等支護方案，并在工程實踐中獲得了成功。但是隨著大量工程實踐的證明和現代新技術的發(fā)展，新奧法傳統支護方式也表現出了較為明顯的弱點，如素噴的脆性，鋼筋網噴射混凝土集料回彈大以及施工易出空洞等。
近年來，鋼纖維噴射混凝土較好地解決了上述問題。鋼纖維噴射混凝土具有較好的韌性，當結構受力達到極限強度后隨著變形的發(fā)展仍將保持一定的承載能力，它的韌性對圍巖的變形具有良好的吸收能力，有利于在與圍巖的共同變形中建立起新的平衡，能進一步提高新奧法施工的安全性、經濟性與機械程度。所以，鋼纖維噴射混凝土是一種理想的隧道支護材料。
3．2 鋼纖維噴射混凝土支護
在隧道和地下工程中，隨著新奧法的推廣，噴射混凝土已成為一種常見的支護手段。由于鋼纖維噴射混凝土的抗裂性能，防止了噴層的收縮，提高了噴層材料的密實性和耐久性，因此，可以采用鋼纖維噴射混凝土單層結構代替普通噴射混凝土+二次襯砌的復合式結構來作為永久襯砌結構。
在20世紀80年代，北美修建的若干隧道中，已采用鋼纖維噴射混凝土作為永久襯砌。1979年，歐洲研究人員對素噴射混凝土、掛網噴射混凝土、鋼纖維噴射混凝土進行了大量的研究，研究結果表明：鋼纖維噴射混凝土與加鋼筋網的噴射混凝土相比，大大避免了鋼筋網對施工質量、回彈以及巖面存在空洞等不利影響，省去了敷設鋼筋網，提高了勞動效率，無論從經濟上還是技術上都具有一定的優(yōu)勢。與素噴射混凝土相比，鋼纖維噴射混凝土不僅抗折強度有所提高，而且韌性好，具有良好的吸收變形能力，不僅能可靠地防止巖塊的塌落，而且對圍巖的變形有很強的適應能力。同時，由于混凝土的收縮干裂會降低與巖石的結合力，加入鋼纖維會使收縮裂紋受到纖維的影響，而纖維均勻分布且寬度較小，有利于噴射混凝土與巖石表面的粘結。 這樣，由鋼纖維噴射混凝土組成的襯砌結構在防水性能和抗腐蝕能力方面有較大的提高。
3．3 應用實例
1） 福建漳龍高速公路烏石山隧道處于構造剝蝕中低山區(qū)，地形復雜，隧道區(qū)內構造發(fā)育，以斷裂為主，裂隙彼此貫通，多處形成密集裂隙帶，尤其在隧道出口550 m范圍內，層間破碎帶更加發(fā)育，對該段隧道的影響更加顯著。在隧道進洞50 m后拱頂出現較大沉降，多次發(fā)生塌方。施工方結合圍巖情況，決定在Ⅱ、Ⅲ類圍巖地段以鋼纖維噴射混凝土支護取代鋼筋網噴射混凝土支護，確定左線ZK74+437～ZK74+457、右線YK73+600～YK73+620進行全斷面鋼纖維噴射混凝土施工。隨后對支護結構的監(jiān)測顯示，支護沉降變形較小，在多次爆破作用下裂縫僅出現3～5 mm，安全通過塌方區(qū)，在病害整治中取得了良好的效果。
2） 浙江省開化縣齊溪水電站的有壓隧道采用鋼纖維噴射混凝土襯砌，使圍巖能較大限度地發(fā)揮作用、減少襯砌厚度、降低工程造價。首先鋼纖維噴射混凝土將大量巖石裂隙填塞密實，使破碎帶在很大程度上得到固結，并與巖壁充分粘結；其次使結構厚度大大減小。由鋼筋混凝土襯砌厚為50 cm減至鋼纖維噴射混凝土襯砌厚為6 cm，使工程段每延米工程量由7．5 m3減至1．0 m3，造價由1 175元減至398元。采用鋼纖維噴射混凝土襯砌，取得了顯著的社會和經濟效益。
4 應用前景
由于從噴射工藝到綜合經濟效益，鋼纖維噴射混凝土均體現了新型復合材料的獨特優(yōu)勢，所以在隧道工程中采用鋼纖維噴射混凝土在世界許多國家已得到了較為廣泛的應用。如日本使用鋼纖維混凝土支護和修補不良地層和圍巖；英國應用鋼纖維混凝土代替鋼絲網加固隧道；法國、德國、美國和西班牙等國均制定了相應的設計和施工規(guī)范，大量采用鋼纖維混凝土作為隧道的初期支護和永久支護。我國在隧道中應用鋼纖維噴射混凝土始于1984年，起步相對較晚，但近些年發(fā)展很快，已經取得了較好的效果。已建的重點工程如云南元磨高速公路、福建羅長高速公路、福建漳龍高速公路、福建京福高速公路都成功地應用了鋼纖維噴射混凝土技術，并對該項技術展開了跟蹤研究。隨著我國基礎建設步伐的加快和大量隧道工程的出現，以及鋼纖維生產技術的不斷進步和基礎理論的不斷完善，這種新型的支護材料在隧道工程的應用將進一步拓寬。
編輯：
監(jiān)督：0571-85871667
投稿：news@ccement.com
本文內容為作者個人觀點，不代表水泥網立場。聯系電話：0571-85871513，郵箱：news@ccement.com。
