钢纤维喷射混凝土在隧道初期支护中的应用

　　摘 要：结合槎路隧道工程实例，介绍在隧道衬砌施工中喷射钢纤维混凝土过程中对钢纤维的技术要求和具体的施工工艺以及所具有的经济效益。

　　关键词：钢纤维；韧性；干喷；体积率
 
　　1 引言

　　钢纤维混凝土是由水泥、水、中粗砂、骨料、钢纤维及必要时掺入外加剂或掺和料按一定比例配制而成。钢纤维混凝土具有良好的综合力学性能，钢纤维的加入可提高混凝土的强度、韧性及抗裂性，使混凝土的特性由脆性向弹塑性过渡，是目前国内外比较先进的外掺料。钢纤维按材质分为普通碳素钢和不锈钢两种类型，一般多用普通碳素钢钢纤维。钢纤维混凝土自1963年进入实用化阶段以来，在高层建筑、公路路面和桥面机场等工程中得到广泛的应用，不仅提高了结构的使用寿命，而且节约了大量投资。但其在隧道衬砌方面的应用却不多。本文结合黎南复线槎路隧道的施工工艺，对钢纤维混凝土在隧道衬砌方面的应用进行研究介绍。

　　2 工程概况

　　黎南复线槎路隧道位于广西壮族自治区南宁市南郊区，隧道起讫里程为DK2+070～DK44-290，全长2 220m。该隧道属于浅埋暗挖隧道，大部分埋深在5～10m 左右，且要穿越超过400m 的公路及房屋建筑。地质为膨胀泥岩、粉砂质泥岩，圆砾土及煤层等；地下水丰富，开挖过程中涌水量较大，且具有溶出型侵蚀性和腐蚀性，施工难度较大。根据工程地质情况及相关要求，在施工时，全隧采用“新奥法”施工工艺，暗洞段采用复合衬砌和复合加强衬砌两种方法。在穿越公路、楼房等建筑物段采用复合加强衬砌，即在初期支护中喷射钢纤维混凝土。

　　3 喷射钢纤维混凝土

　　3．1 对钢纤维的基本要求

　　为了达到最佳施工质量及相关要求，在进行喷射钢纤维混凝土施工时，对钢纤维的几何参数及体积率都有具体的要求。

　　3．1．1 钢纤维的几何参数

　　钢纤维混凝土的增强效果与钢纤维的长度、直径、长径比有关。钢纤维增强作用随长径比增大而提高。钢纤维长度太短起不到增强作用，太长施工困难，影响拌和质量，直径过细在拌和时易弯折，过粗则在同体积率时，其增强效果差。试验表明，钢纤维长度在15～ 60mm、直径或等效直径在0．3～1．2mm、长径比在30～100的范围内选用，其增强效果和施工性能可满足要求。不同的钢纤维混凝土结构中选用的钢纤维不同。详见表1(表中数据由厂家通过大量试验提供)。

　　3．1．2 钢纤维的体积率选用范围

　　钢纤维混凝土中钢纤维的体积率过小，其增强作用较差，国内外一般以0．5%为最小体积率。钢纤维体积率超过2 时，拌和物的和易性变差，施工困难，质量难以保证。确定钢纤维掺入量时根据钢纤维的性能、混凝土结构对增强效果的要求及经济合理的原则选定。结构对增强要求低时可选用低值，结构对增强要求较高时可选用高值。详见表2(表中数据由厂家通过大量试验提供)。

　　3．2 配合比设计及要求

　　槎路隧道因喷射钢纤维混凝土地段相对分散，同时受机具设备和开挖方法的限制，在施工时均采用干喷法施工。在此就干喷法施工的主要问题进行论述。

　　3．2．1 配合比设计
槎路隧道初期支护混凝土设计强度为C20混凝土，其理论配合比为：42．5MPa普通硅酸盐水泥，400kg；中粗砂(河道中)，835kg；粗骨料(河卵石)5～ 15mm，835kg；耐腐蚀剂，32kg；钢纤维，80kg。

　　3．2．2 有关要求

　　(1)钢纤维参数及掺量：根据采用的喷射机型号，本隧道选用钢纤维类型为ZH一06凸痕型，长度为20mm，等效直径0．4mm，长径比为50，钢纤维体积率为1% ，约每立方混凝土8Okg。

　　(2)水泥：钢纤维混凝土中常用强度等级为42．5MPa或52．5MPa的普通硅酸盐水泥，钢纤维混凝土中水泥用量较大，一般为36O～450kg／m。

　　(3)细骨料：采用硬质、洁净的中砂为宜，细度模数Mk =2．5～3．3。据经验，天然含水率在5%～7%为宜。

　　(4)粗骨料：天然河卵石或质地坚硬的人工碎石均可，平均粒径在5-15mm 为宜。

　　(5)水：只要不含影响水泥正常凝结硬化及对纤维和基体有腐蚀作用(pH< 4的酸性水和含硫量(按SO3计)超过水量的1% )的有害物质的水均可。

　　(6)外加剂：槎路隧道整体处于膨胀泥岩和粉砂质泥岩中，泥岩中的水具有侵蚀性和腐蚀性，需加6% ～8% 的耐腐蚀剂。隧道开挖中渗水较大时，为尽快提高混凝土的早期强度，一般按2 %～4%的掺量加入速凝剂。在渗水量不大时，为避免混凝土的后期强度损失过大，速凝剂尽可能少加或不加。

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　　3．3 喷射钢纤维混凝土施工

　　3．3．1 工艺流程

　　3．3．2 关键技术

　　(1)混凝土拌制、存放和运输。钢纤维在拌和料中的分布均匀性，不仅与原材料和搅拌工艺有关，而且受搅拌机械和投料方法影响更大。试验表明：采用强制搅拌机比自落式搅拌机效果好。本隧道施工中因受机械设备影响而采用自落式搅拌机。投料时采用先投水泥、砂和碎石，在拌和过程中分散加入钢纤维的方法进行拌和，拌和时间不少于2min。

　　钢纤维混凝土施工时，喷锚料应尽量随拌随用，掺入速凝剂时存放时间不得超过20min，不掺入速凝剂时干混合料存放时间不超过2h，否则被视为废料，不可再行使用。在运输和存放过程中不得淋雨、流入水或混合杂物。

　　(2)喷射作业。混合料通过胶管长距离的高速输送，在喷头处已稍有分离，水在距受喷面lm 左右处加入，喷射应根据其当前标定的给水速度调整水阀，按混凝土配合比设计确定的水灰比供水。喷射混凝土时，喷枪要垂直正对工作面，连续平稳地自下而上水平横向移动，喷头一圈压半圈的旋转喷射。

　　在施工时还应注意风压对喷射钢纤维混凝土的影响。在混合料输送时，采用适当的风压是钢纤维均匀分布、减少回弹损失的主要条件。风压太大钢纤维的分布就不均匀。试验表明，钢纤维混凝土喷射堆中心的钢纤维含量为喷堆周边的85．3% ，这种现象产生的主要原因是由于料流喷出后，分布在料束外缘的钢纤维在接近受喷面前被横向气流吹至周围(其中部分钢纤维落地，部分钢纤维滞留在喷堆周边)，因此，降低风压则横向气流的压力和流速也会降低，这样不仅会减少钢纤维的回弹损失，也会改善钢纤维分布的不均匀性。一般混合料输送距离在100m以内时，喷射风压控制在0．15～0．2MPa为宜。

　　(3)养护。混凝土施工质量的好坏，受养护的影响相当明显。因此在混凝土喷射完毕后要及时洒水或喷水雾养护。避免因养护不及时而导致喷射钢纤维混凝土的质量不合格。

　　4 取得的经济效益

　　槎路隧道喷射钢纤维混凝土段总长605m，它的使用对降低工程成本、提高工程质量和加快施工进度起着积极的作用，并有良好的经济效益。体现在以下方面：

　　(1)减少混凝土的用量及开挖土石方量。喷射钢纤维}昆凝土取消了素喷混凝土中的预留沉降量(15cm)，使隧道断面开挖土方量每米减少1．9m3，合计1 150m。。二次衬砌混凝土减少了复合预留变形到位的数量(平均厚度7cm)，节约了二次衬砌混凝土890m。。采用喷射钢纤维混凝土进行支护补强，减少了素喷混凝土一半的厚度，因而降低了工程成本。

　　(2)钢材用量减少。喷射钢纤维混凝土可代替“新奥法”中传统的网喷支护，即可取消钢筋网片，减少了施工工序，加快了施工进度，本隧道共节约钢筋网片39．13t。

　　(3)干喷集料回弹率比素喷少。在干喷(水在喷头处加入)实施过程中，通过试验，素喷混凝土集料回弹率平均在25 左右，而干喷混凝土由于钢纤维的成网和联结作用，回弹率平均只有14％左右。

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　　5 结束语

　　槎路隧道在复合加强衬砌段初期支护采用喷射钢纤维混凝土取得了良好效果。实践表明，钢纤维应用广泛，不仅在初期支护中应用，在二次衬砌中及其它的地下工程防护、公路路面、水利工程、房屋工程及局部受压构件等均可使用钢纤维混凝土增强，并能提高效益。
 
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