鋼纖維噴射混凝土及其在隧道工程中的應(yīng)用
2006-06-15 00:00
摘要：介紹鋼纖雛在噴射混凝土中的作用機(jī)理、鋼纖維的韌性及與隧道新奧法錨噴支護(hù)中相關(guān)的幾種主要力學(xué)性能，結(jié)合其在隧道工程中的應(yīng)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(hù)材料。
關(guān)鍵詞：隧道工程鋼纖維噴射混凝土 韌性 新奧法 支護(hù)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(nèi)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(qiáng)斷裂韌性和抗沖擊等多項(xiàng)性能，加之施工簡便，價格相對低廉，所以在道路路面、橋梁結(jié)構(gòu)、隧道襯砌支護(hù)等工程中的應(yīng)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(fù)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(shí)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(jī)理
研究鋼纖維混凝土的增強(qiáng)機(jī)理，是提高鋼纖維對混凝土增強(qiáng)、增韌和阻裂效應(yīng)，從本質(zhì)上改變其物理、力學(xué)、化學(xué)性能，并造就材料新性能的理論基礎(chǔ)，也是進(jìn)行鋼纖維混凝土性能設(shè)計的依據(jù)。對鋼纖維混凝土的增強(qiáng)機(jī)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(xué)為基礎(chǔ)，強(qiáng)調(diào)了鋼纖維混凝土在結(jié)構(gòu)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(fù)合力學(xué)理論，其出發(fā)點(diǎn)是復(fù)合材料構(gòu)成的混合理論，即將纖維增強(qiáng)混凝土看作是纖維強(qiáng)化體系，應(yīng)用混合理論來推求纖維混凝土的應(yīng)力、彈性模量和強(qiáng)度等。由于以上兩種理論都存在一定的片面性，近年來，國內(nèi)外對鋼纖維噴射混凝土的基本特性進(jìn)行了多方面的試驗(yàn)研究和探索，試圖綜合復(fù)合力學(xué)理論和纖維間距理論的優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)一步完善、充實(shí)和得到符合鋼纖維混凝土特征的新理論，但因?yàn)槲茨軓母旧辖鉀Q兩種理論的自身缺陷，依然無法取得令人滿意的結(jié)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(biāo)軸所包絡(luò)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(qiáng)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(hù)抗力，有助于圍巖通過應(yīng)力調(diào)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(hù)體上的壓力大為減小。
2．2 其它主要力學(xué)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(nèi)部微裂縫的擴(kuò)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(qiáng)度和主要由主拉應(yīng)力控制的抗剪、抗彎、抗扭強(qiáng)度等有明顯的改善作用，見圖2。
圖2是一組典型的試驗(yàn)結(jié)果。當(dāng)鋼纖維摻量在1% ～2%體積率的范圍內(nèi)，抗拉強(qiáng)度提高40% ～80%，抗彎強(qiáng)度提高60% 一120%，抗剪強(qiáng)度提高50% 一100% 。但鋼纖維對混凝土的抗壓強(qiáng)度提高幅度較小，一般在0% 一25%之間，根據(jù)鐵道科學(xué)研究院的試驗(yàn)證明，決定抗壓強(qiáng)度的主要因素仍是噴射混凝土本身的配合比設(shè)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(xiàn)象，支護(hù)結(jié)構(gòu)則喪失支護(hù)功能，嚴(yán)重者發(fā)生坍塌。因此，強(qiáng)調(diào)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(xiàn)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(jié)構(gòu)。
3 鋼纖維噴射混凝土在隧道工程中的應(yīng)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(jié)構(gòu)。顯然，新奧法對圍巖承載能力的利用，是通過支護(hù)系統(tǒng)在同圍巖共同變形的過程中通過對圍巖變形控制來實(shí)現(xiàn)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(hù)和控制作用的支護(hù)系統(tǒng)不僅要有足夠的強(qiáng)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(hù)中，根據(jù)不同的施工條件，選用了素噴混凝土支護(hù)、素噴加錨桿、素噴加鋼筋網(wǎng)、噴錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)等支護(hù)方案，并在工程實(shí)踐中獲得了成功。但是隨著大量工程實(shí)踐的證明和現(xiàn)代新技術(shù)的發(fā)展，新奧法傳統(tǒng)支護(hù)方式也表現(xiàn)出了較為明顯的弱點(diǎn)，如素噴的脆性，鋼筋網(wǎng)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(dāng)結(jié)構(gòu)受力達(dá)到極限強(qiáng)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(jìn)一步提高新奧法施工的安全性、經(jīng)濟(jì)性與機(jī)械程度。所以，鋼纖維噴射混凝土是一種理想的隧道支護(hù)材料。
3．2 鋼纖維噴射混凝土支護(hù)
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(hù)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(shí)性和耐久性，因此，可以采用鋼纖維噴射混凝土單層結(jié)構(gòu)代替普通噴射混凝土+二次襯砌的復(fù)合式結(jié)構(gòu)來作為永久襯砌結(jié)構(gòu)。
在20世紀(jì)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(wǎng)噴射混凝土、鋼纖維噴射混凝土進(jìn)行了大量的研究，研究結(jié)果表明：鋼纖維噴射混凝土與加鋼筋網(wǎng)的噴射混凝土相比，大大避免了鋼筋網(wǎng)對施工質(zhì)量、回彈以及巖面存在空洞等不利影響，省去了敷設(shè)鋼筋網(wǎng)，提高了勞動效率，無論從經(jīng)濟(jì)上還是技術(shù)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(qiáng)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(qiáng)的適應(yīng)能力。同時，由于混凝土的收縮干裂會降低與巖石的結(jié)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(jié)。 這樣，由鋼纖維噴射混凝土組成的襯砌結(jié)構(gòu)在防水性能和抗腐蝕能力方面有較大的提高。
3．3 應(yīng)用實(shí)例
1） 福建漳龍高速公路烏石山隧道處于構(gòu)造剝蝕中低山區(qū)，地形復(fù)雜，隧道區(qū)內(nèi)構(gòu)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(nèi)，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(jìn)洞50 m后拱頂出現(xiàn)較大沉降，多次發(fā)生塌方。施工方結(jié)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(hù)取代鋼筋網(wǎng)噴射混凝土支護(hù)，確定左線ZK74+437～ZK74+457、右線YK73+600～YK73+620進(jìn)行全斷面鋼纖維噴射混凝土施工。隨后對支護(hù)結(jié)構(gòu)的監(jiān)測顯示，支護(hù)沉降變形較小，在多次爆破作用下裂縫僅出現(xiàn)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(shí)，使破碎帶在很大程度上得到固結(jié)，并與巖壁充分粘結(jié)；其次使結(jié)構(gòu)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(jīng)濟(jì)效益。
4 應(yīng)用前景
由于從噴射工藝到綜合經(jīng)濟(jì)效益，鋼纖維噴射混凝土均體現(xiàn)了新型復(fù)合材料的獨(dú)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(yīng)用。如日本使用鋼纖維混凝土支護(hù)和修補(bǔ)不良地層和圍巖；英國應(yīng)用鋼纖維混凝土代替鋼絲網(wǎng)加固隧道；法國、德國、美國和西班牙等國均制定了相應(yīng)的設(shè)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(hù)和永久支護(hù)。我國在隧道中應(yīng)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(jīng)取得了較好的效果。已建的重點(diǎn)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(yīng)用了鋼纖維噴射混凝土技術(shù)，并對該項(xiàng)技術(shù)展開了跟蹤研究。隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)步伐的加快和大量隧道工程的出現(xiàn)，以及鋼纖維生產(chǎn)技術(shù)的不斷進(jìn)步和基礎(chǔ)理論的不斷完善，這種新型的支護(hù)材料在隧道工程的應(yīng)用將進(jìn)一步拓寬。
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