鋼纖維噴射混凝土在隧道初期支護(hù)中的應(yīng)用

　　摘 要：結(jié)合槎路隧道工程實(shí)例，介紹在隧道襯砌施工中噴射鋼纖維混凝土過程中對鋼纖維的技術(shù)要求和具體的施工工藝以及所具有的經(jīng)濟(jì)效益。

　　關(guān)鍵詞：鋼纖維；韌性；干噴；體積率
 
　　1 引言

　　鋼纖維混凝土是由水泥、水、中粗砂、骨料、鋼纖維及必要時摻入外加劑或摻和料按一定比例配制而成。鋼纖維混凝土具有良好的綜合力學(xué)性能，鋼纖維的加入可提高混凝土的強(qiáng)度、韌性及抗裂性，使混凝土的特性由脆性向彈塑性過渡，是目前國內(nèi)外比較先進(jìn)的外摻料。鋼纖維按材質(zhì)分為普通碳素鋼和不銹鋼兩種類型，一般多用普通碳素鋼鋼纖維。鋼纖維混凝土自1963年進(jìn)入實(shí)用化階段以來，在高層建筑、公路路面和橋面機(jī)場等工程中得到廣泛的應(yīng)用，不僅提高了結(jié)構(gòu)的使用壽命，而且節(jié)約了大量投資。但其在隧道襯砌方面的應(yīng)用卻不多。本文結(jié)合黎南復(fù)線槎路隧道的施工工藝，對鋼纖維混凝土在隧道襯砌方面的應(yīng)用進(jìn)行研究介紹。

　　2 工程概況

　　黎南復(fù)線槎路隧道位于廣西壯族自治區(qū)南寧市南郊區(qū)，隧道起訖里程為DK2+070～DK44-290，全長2 220m。該隧道屬于淺埋暗挖隧道，大部分埋深在5～10m 左右，且要穿越超過400m 的公路及房屋建筑。地質(zhì)為膨脹泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，圓礫土及煤層等；地下水豐富，開挖過程中涌水量較大，且具有溶出型侵蝕性和腐蝕性，施工難度較大。根據(jù)工程地質(zhì)情況及相關(guān)要求，在施工時，全隧采用“新奧法”施工工藝，暗洞段采用復(fù)合襯砌和復(fù)合加強(qiáng)襯砌兩種方法。在穿越公路、樓房等建筑物段采用復(fù)合加強(qiáng)襯砌，即在初期支護(hù)中噴射鋼纖維混凝土。

　　3 噴射鋼纖維混凝土

　　3．1 對鋼纖維的基本要求

　　為了達(dá)到最佳施工質(zhì)量及相關(guān)要求，在進(jìn)行噴射鋼纖維混凝土施工時，對鋼纖維的幾何參數(shù)及體積率都有具體的要求。

　　3．1．1 鋼纖維的幾何參數(shù)

　　鋼纖維混凝土的增強(qiáng)效果與鋼纖維的長度、直徑、長徑比有關(guān)。鋼纖維增強(qiáng)作用隨長徑比增大而提高。鋼纖維長度太短起不到增強(qiáng)作用，太長施工困難，影響拌和質(zhì)量，直徑過細(xì)在拌和時易彎折，過粗則在同體積率時，其增強(qiáng)效果差。試驗(yàn)表明，鋼纖維長度在15～ 60mm、直徑或等效直徑在0．3～1．2mm、長徑比在30～100的范圍內(nèi)選用，其增強(qiáng)效果和施工性能可滿足要求。不同的鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)中選用的鋼纖維不同。詳見表1(表中數(shù)據(jù)由廠家通過大量試驗(yàn)提供)。

　　3．1．2 鋼纖維的體積率選用范圍

　　鋼纖維混凝土中鋼纖維的體積率過小，其增強(qiáng)作用較差，國內(nèi)外一般以0．5%為最小體積率。鋼纖維體積率超過2 時，拌和物的和易性變差，施工困難，質(zhì)量難以保證。確定鋼纖維摻入量時根據(jù)鋼纖維的性能、混凝土結(jié)構(gòu)對增強(qiáng)效果的要求及經(jīng)濟(jì)合理的原則選定。結(jié)構(gòu)對增強(qiáng)要求低時可選用低值，結(jié)構(gòu)對增強(qiáng)要求較高時可選用高值。詳見表2(表中數(shù)據(jù)由廠家通過大量試驗(yàn)提供)。

　　3．2 配合比設(shè)計(jì)及要求

　　槎路隧道因噴射鋼纖維混凝土地段相對分散，同時受機(jī)具設(shè)備和開挖方法的限制，在施工時均采用干噴法施工。在此就干噴法施工的主要問題進(jìn)行論述。

　　3．2．1 配合比設(shè)計(jì)
槎路隧道初期支護(hù)混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C20混凝土，其理論配合比為：42．5MPa普通硅酸鹽水泥，400kg；中粗砂(河道中)，835kg；粗骨料(河卵石)5～ 15mm，835kg；耐腐蝕劑，32kg；鋼纖維，80kg。

　　3．2．2 有關(guān)要求

　　(1)鋼纖維參數(shù)及摻量：根據(jù)采用的噴射機(jī)型號，本隧道選用鋼纖維類型為ZH一06凸痕型，長度為20mm，等效直徑0．4mm，長徑比為50，鋼纖維體積率為1% ，約每立方混凝土8Okg。

　　(2)水泥：鋼纖維混凝土中常用強(qiáng)度等級為42．5MPa或52．5MPa的普通硅酸鹽水泥，鋼纖維混凝土中水泥用量較大，一般為36O～450kg／m。

　　(3)細(xì)骨料：采用硬質(zhì)、潔凈的中砂為宜，細(xì)度模數(shù)Mk =2．5～3．3。據(jù)經(jīng)驗(yàn)，天然含水率在5%～7%為宜。

　　(4)粗骨料：天然河卵石或質(zhì)地堅(jiān)硬的人工碎石均可，平均粒徑在5-15mm 為宜。

　　(5)水：只要不含影響水泥正常凝結(jié)硬化及對纖維和基體有腐蝕作用(pH< 4的酸性水和含硫量(按SO3計(jì))超過水量的1% )的有害物質(zhì)的水均可。

　　(6)外加劑：槎路隧道整體處于膨脹泥巖和粉砂質(zhì)泥巖中，泥巖中的水具有侵蝕性和腐蝕性，需加6% ～8% 的耐腐蝕劑。隧道開挖中滲水較大時，為盡快提高混凝土的早期強(qiáng)度，一般按2 %～4%的摻量加入速凝劑。在滲水量不大時，為避免混凝土的后期強(qiáng)度損失過大，速凝劑盡可能少加或不加。

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　　3．3 噴射鋼纖維混凝土施工

　　3．3．1 工藝流程

　　3．3．2 關(guān)鍵技術(shù)

　　(1)混凝土拌制、存放和運(yùn)輸。鋼纖維在拌和料中的分布均勻性，不僅與原材料和攪拌工藝有關(guān)，而且受攪拌機(jī)械和投料方法影響更大。試驗(yàn)表明：采用強(qiáng)制攪拌機(jī)比自落式攪拌機(jī)效果好。本隧道施工中因受機(jī)械設(shè)備影響而采用自落式攪拌機(jī)。投料時采用先投水泥、砂和碎石，在拌和過程中分散加入鋼纖維的方法進(jìn)行拌和，拌和時間不少于2min。

　　鋼纖維混凝土施工時，噴錨料應(yīng)盡量隨拌隨用，摻入速凝劑時存放時間不得超過20min，不摻入速凝劑時干混合料存放時間不超過2h，否則被視為廢料，不可再行使用。在運(yùn)輸和存放過程中不得淋雨、流入水或混合雜物。

　　(2)噴射作業(yè)。混合料通過膠管長距離的高速輸送，在噴頭處已稍有分離，水在距受噴面lm 左右處加入，噴射應(yīng)根據(jù)其當(dāng)前標(biāo)定的給水速度調(diào)整水閥，按混凝土配合比設(shè)計(jì)確定的水灰比供水。噴射混凝土?xí)r，噴槍要垂直正對工作面，連續(xù)平穩(wěn)地自下而上水平橫向移動，噴頭一圈壓半圈的旋轉(zhuǎn)噴射。

　　在施工時還應(yīng)注意風(fēng)壓對噴射鋼纖維混凝土的影響。在混合料輸送時，采用適當(dāng)?shù)娘L(fēng)壓是鋼纖維均勻分布、減少回彈損失的主要條件。風(fēng)壓太大鋼纖維的分布就不均勻。試驗(yàn)表明，鋼纖維混凝土噴射堆中心的鋼纖維含量為噴堆周邊的85．3% ，這種現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因是由于料流噴出后，分布在料束外緣的鋼纖維在接近受噴面前被橫向氣流吹至周圍(其中部分鋼纖維落地，部分鋼纖維滯留在噴堆周邊)，因此，降低風(fēng)壓則橫向氣流的壓力和流速也會降低，這樣不僅會減少鋼纖維的回彈損失，也會改善鋼纖維分布的不均勻性。一般混合料輸送距離在100m以內(nèi)時，噴射風(fēng)壓控制在0．15～0．2MPa為宜。

　　(3)養(yǎng)護(hù)?；炷潦┕べ|(zhì)量的好壞，受養(yǎng)護(hù)的影響相當(dāng)明顯。因此在混凝土噴射完畢后要及時灑水或噴水霧養(yǎng)護(hù)。避免因養(yǎng)護(hù)不及時而導(dǎo)致噴射鋼纖維混凝土的質(zhì)量不合格。

　　4 取得的經(jīng)濟(jì)效益

　　槎路隧道噴射鋼纖維混凝土段總長605m，它的使用對降低工程成本、提高工程質(zhì)量和加快施工進(jìn)度起著積極的作用，并有良好的經(jīng)濟(jì)效益。體現(xiàn)在以下方面：

　　(1)減少混凝土的用量及開挖土石方量。噴射鋼纖維}昆凝土取消了素噴混凝土中的預(yù)留沉降量(15cm)，使隧道斷面開挖土方量每米減少1．9m3，合計(jì)1 150m。。二次襯砌混凝土減少了復(fù)合預(yù)留變形到位的數(shù)量(平均厚度7cm)，節(jié)約了二次襯砌混凝土890m。。采用噴射鋼纖維混凝土進(jìn)行支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)，減少了素噴混凝土一半的厚度，因而降低了工程成本。

　　(2)鋼材用量減少。噴射鋼纖維混凝土可代替“新奧法”中傳統(tǒng)的網(wǎng)噴支護(hù)，即可取消鋼筋網(wǎng)片，減少了施工工序，加快了施工進(jìn)度，本隧道共節(jié)約鋼筋網(wǎng)片39．13t。

　　(3)干噴集料回彈率比素噴少。在干噴(水在噴頭處加入)實(shí)施過程中，通過試驗(yàn)，素噴混凝土集料回彈率平均在25 左右，而干噴混凝土由于鋼纖維的成網(wǎng)和聯(lián)結(jié)作用，回彈率平均只有14％左右。

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　　5 結(jié)束語

　　槎路隧道在復(fù)合加強(qiáng)襯砌段初期支護(hù)采用噴射鋼纖維混凝土取得了良好效果。實(shí)踐表明，鋼纖維應(yīng)用廣泛，不僅在初期支護(hù)中應(yīng)用，在二次襯砌中及其它的地下工程防護(hù)、公路路面、水利工程、房屋工程及局部受壓構(gòu)件等均可使用鋼纖維混凝土增強(qiáng)，并能提高效益。
 
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