鋼纖維噴射混凝土技術(shù)在地下工程中的應(yīng)用工藝

1.鋼纖維的作用機(jī)理

　　混凝土的抗拉強(qiáng)度較低，一旦開(kāi)裂后會(huì)發(fā)生脆性破壞。利用鋼纖維進(jìn)行增強(qiáng)處理后，鋼纖維能夠控制裂縫的開(kāi)展，并且傳遞拉應(yīng)力，產(chǎn)生應(yīng)力重分布，從而提高混凝土的裂后強(qiáng)度，使混凝土具有相當(dāng)?shù)膹澢�韌度。和素混凝土相比，鋼纖維混凝土在發(fā)生變形后仍能承擔(dān)荷載。

　　2.鋼纖維混凝土的性能

　　鋼纖維混凝土的極限抗彎拉強(qiáng)度和加入鋼纖維之前基本相同，但是鋼纖維混凝土的彎曲韌度有大幅度提高。

　　鋼纖維有各種不同的原材料，形狀和抗拉強(qiáng)度，彎曲韌度各不相同。鋼纖維根據(jù)生產(chǎn)工藝分為剪切型，銑削型，和冷拉型。前兩種纖維本身的抗拉強(qiáng)度在400-700MPa之間，長(zhǎng)徑比在40-50，摻量較高，一般在80-120kg/m³；冷拉型纖維通過(guò)對(duì)母材（盤(pán)條）的高速拉絲，大幅提高了抗拉強(qiáng)度，通常在1000MPa以上，長(zhǎng)徑比在60以上，摻量一般在35-65kg/m³。

　　對(duì)不同的鋼纖維應(yīng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到達(dá)到保證鋼纖維混凝土彎曲韌度的鋼纖維纖摻量。鋼纖維混凝土的韌度可以用“位移控制的梁的三分加載實(shí)驗(yàn)”進(jìn)行。

　　圖1.1鋼纖維混凝土梁三分加載彎拉韌度實(shí)驗(yàn)荷載-位移曲線

　　根據(jù)荷載-位移曲線，通過(guò)下式計(jì)算鋼纖維混凝土的彎曲韌度：

　　Re，3=100fftm，eq150/fftm

　　其中fftm，eq150：撓度達(dá)到l/150時(shí)等效抗彎拉強(qiáng)度平均值（N/m㎡）

　　fftm：試驗(yàn)極限抗彎拉強(qiáng)度值（N/m㎡）

　　Re，3：彎曲韌度系數(shù)

　　3.鋼纖維噴射混凝土的性能

　　混凝土中加入鋼纖維后可提高混凝土的彎拉韌度，能量吸收能力，抗沖擊能力和對(duì)裂縫的控制。均勻分布的鋼纖維使噴射混凝土任意截面都能夠承受拉應(yīng)力，同時(shí)和圍巖有極佳的粘結(jié)力，因此可以通過(guò)應(yīng)力重分布，充分發(fā)揮圍巖的自承能力，是理想的支護(hù)材料。

　　《歐洲噴射混凝土規(guī)范》用大板實(shí)驗(yàn)比較鋼纖維噴射混凝土和掛網(wǎng)噴射混凝土的性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)鋼纖維噴射混凝土有更高的承載能力和吸收變形能力。

　　圖3.1EFNARC噴射混凝土大板韌度實(shí)驗(yàn)

　　鋼纖維混凝土既能作為初期支護(hù)、也可作為永久襯砌；和掛網(wǎng)相比有技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢(shì)：

　　鋼筋掛網(wǎng)施工工藝復(fù)雜；在凹凸不平的巖面難以沿巖石表面布置在拉應(yīng)力區(qū)；在噴射混凝土?xí)r回彈大；混凝土容易集結(jié)在掛網(wǎng)的表面，在掛網(wǎng)的背后形成空洞；當(dāng)圍巖條件較差時(shí)，不能形成及時(shí)支護(hù)。

　　鋼纖維噴射混凝土可以順著圍巖表面形成快速有效的支護(hù)，和巖石有更好的粘結(jié)，而且提高施工安全性簡(jiǎn)化施工工序，加快了施工進(jìn)度。

　　從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，鋼纖維混凝土襯砌厚度比掛網(wǎng)混凝土節(jié)約30%，回彈量減少30%，工期節(jié)約20-30%。

　　4.鋼纖維噴射混凝土的應(yīng)用

　　鋼纖維噴射混凝土從70年代起在世界范圍內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用，在“挪威地質(zhì)學(xué)院”提出的“Q系統(tǒng)”中，全面采用鋼纖維噴射混凝土取代掛網(wǎng)作為隧道永久支護(hù)。

　　我國(guó)很早就開(kāi)始研究鋼纖維混凝土的應(yīng)用，但是由于當(dāng)時(shí)鋼纖維本身抗拉強(qiáng)度低，攪拌時(shí)易結(jié)團(tuán)變形，噴射時(shí)易堵管，在施工上很難保證質(zhì)量，使該項(xiàng)技術(shù)沒(méi)有得到有效的推廣。90年代起，國(guó)內(nèi)引進(jìn)了歐洲粘結(jié)成排的冷拉型鋼纖維生產(chǎn)技術(shù)，冷拉型纖維摻量在35-65kg/m³，用快速水溶性膠水粘結(jié)成排后，鋼纖維在隨骨料一起攪拌的過(guò)程中，膠水遇水自動(dòng)溶解，成排的鋼纖維會(huì)分散成單根，在混凝土中均勻地分布，從而解決了鋼纖維結(jié)團(tuán)堵管的問(wèn)題。鋼纖維噴射混凝土在克服了施工中的弱點(diǎn)后，已經(jīng)逐步在國(guó)內(nèi)的一些工程中得到應(yīng)用。

　　5.鋼纖維混凝土的韌度設(shè)計(jì)

　　彎曲韌度是鋼纖維噴射混凝土最為主要的性能，在設(shè)計(jì)中必須有明確的規(guī)定目前國(guó)內(nèi)隧道設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)鋼纖維噴射混凝土的韌度暫無(wú)規(guī)定，日本，韓國(guó)，及歐洲的纖維噴射混凝土規(guī)范中，對(duì)用于地下工程中的鋼纖維噴射混凝土的“彎曲韌度系數(shù)（Re，3）”值大多規(guī)定在68%以上。我國(guó)目前在隧道工程中的鋼纖維噴射混凝土設(shè)計(jì)中應(yīng)用的“彎曲韌度系數(shù)”值多在此范圍。

　　為了能夠方便地確定鋼纖維噴射混凝土的韌度是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，有些規(guī)范中采用了“模板”法，在確定鋼纖維混凝土的試件尺寸后，規(guī)定了韌度實(shí)驗(yàn)曲線，實(shí)際實(shí)驗(yàn)曲線若能夠包絡(luò)上述曲線，便認(rèn)為鋼纖維混凝土的韌度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

　　以下是日本高速公路局（JHC）>中對(duì)鋼纖維噴射混凝土采用的韌度“模板”曲線：

　　圖5.1鋼纖維噴射混凝土梁三分加載實(shí)驗(yàn)彎拉韌度要求

　　將該“模板曲線”換算成彎曲韌度，Re，3=80%。

　　由于彎曲韌度實(shí)驗(yàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備要求較高，根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)定的彎曲韌度通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定鋼纖維的型號(hào)和摻量后，在施工中只要檢驗(yàn)鋼纖維噴射混凝土的厚度和鋼纖維的型號(hào)，摻量就能達(dá)到質(zhì)量控制的目的。

　　目前采用韌度設(shè)計(jì)的鋼纖維噴射混凝土在國(guó)內(nèi)的鐵路和公路隧道及水電站地下工程中都已經(jīng)有所應(yīng)用，[7]并且逐步成為一種趨勢(shì)，鐵路隧道中，圍巖條件較好的工程中鋼纖維噴射混凝土作為永久支護(hù)已經(jīng)積累了相當(dāng)經(jīng)驗(yàn)（秦嶺鐵路），并且逐步推廣到圍巖條件較差的項(xiàng)目中去。其實(shí)，由于鋼纖維噴射混凝土的韌度，使襯砌具有“吸收”圍巖變形的能力。因此，在變形顯著的軟弱圍巖中，鋼纖維噴射混凝土更是一種理想的支護(hù)材料。在公路隧道中鋼纖維噴射混凝土已經(jīng)用于軟弱圍巖的初期支護(hù)（大保公路），而在水電站項(xiàng)目中，鋼纖維噴射混凝土已有在巖爆條件的地下硐室永久支護(hù)的成功經(jīng)驗(yàn)（二灘電站）。

　　表5.1佳密克絲鋼纖維噴射混凝土工程部分應(yīng)用實(shí)例

　　6.鋼纖維噴射混凝土的施工

　　從原則上而言，鋼纖維噴射混凝土不需要改變?nèi)魏喂に�，噴射混凝土所使用的常�?guī)設(shè)備都適用于鋼纖維噴射混凝土。

　　鋼纖維噴射混凝土既適用于干噴，也適用于濕噴，但是由于干噴的回彈大，對(duì)鋼纖維噴射混凝土而言，很不經(jīng)濟(jì)，一般推薦采用濕噴工藝。

　　目前，國(guó)內(nèi)已經(jīng)有自主生產(chǎn)的濕噴機(jī)，液態(tài)速凝劑和硅粉也得到了更多的使用，這些都有助于鋼纖維濕噴工藝的推廣。

　　7.結(jié)語(yǔ)

　　鋼纖維噴射混凝土作為一種新型的支護(hù)材料，施工簡(jiǎn)單，速經(jīng)濟(jì)，有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)，目前在國(guó)內(nèi)的地下工程中已經(jīng)有成功的經(jīng)驗(yàn)，相信隨著工程人員的努力，鋼纖維噴射混凝土技術(shù)會(huì)在我國(guó)的地下工程中得到更廣泛的使用。