鋼纖維混凝土在隧道輔助坑道中的設計與應用

秦志軍

（山西省交通規劃勘察設計院，山西 太原 030012）

0 引言

隨著我國經濟的高速發展，交通基礎設施建設規模也迅速擴大，大量的隧道工程不斷出現，特長公路隧道工程的規模和數量也在日益增多，特別是山西省由于地形地貌的多元性和地質結構的復雜性，目前在建10 km以上的特長隧道已達到4座，根據山西省高速公路網新的調整規劃，大量特長公路隧道仍將不斷涌現，由于目前采用新奧法設計和施工，仍然采用傳統的支護措施，一定程度制約施工工期，在國外一些隧道襯砌結構采用了鋼纖維混凝土，其相對素混凝土具有非常明顯的優越性，它能確保施工安全，提高隧道施工進度，降低噴射混凝土回彈量，而隧道輔助坑道因其斷面變化大、交叉數量多等特點，嚴重制約了施工的進度和增加了工程造價，在國內，由于對鋼纖維混凝土在隧道中應用的綜合技術研究應用相對較少，但在今后的隧道及地下工程中的應用是發展趨勢，因此，對鋼纖維混凝土在設計、施工工藝及經濟分析等方面進行嘗試探討，具有非常重要的社會與經濟價值。

1 鋼纖維混凝土在設計中的應用情況

在我國隧道工程中，分別進行過椅子山隧道（Ⅲ級圍巖）、高扁溝隧道（Ⅱ級圍巖）鋼纖維噴射混凝土做永久襯砌的試驗研究，并在秦嶺隧道中應用，進行過武隆隧道（Ⅴ級圍巖）用復合纖維噴射混凝土替代鋼筋網噴射混凝土初期支護的研究，在橋梁涵洞中完成了鋼纖維混凝土預制管片的應用研究，橋面鋪裝廣泛采用了鋼纖維混凝土。

目前，山西省鋼纖維混凝土在隧道中的應用不多，僅作為初期支護采用，作為永久支護基本沒有，山西省汾陽至邢臺高速公路寶塔山特長隧道、云山特長隧道、康家樓特長隧道的輔助坑道中，二次襯砌采用了鋼纖維混凝土結構代替了現澆混凝土二次襯砌結構。

2 鋼纖維混凝土在設計中的設計情況

在山西省汾陽至邢臺高速公路的云山隧道和寶塔山隧道中，隧道斜井襯砌結構中，二次襯砌結構設計采用了噴射CF30鋼纖維硅粉混凝土結構代替了現澆混凝土結構，既可以加快施工進度，又節約投資。斜井的初期支護為噴錨支護同一般隧道，二次襯砌噴射CF30鋼纖維硅粉混凝土結構厚度在6～14 cm之間，根據斜井的寬度和斷面形式不同來采用，結構形式見圖1。排水采用了排水半管，在初期支護滲漏水處貼縫布設，滲漏水多處加密布設排水半管和布設雙層排水半管，排水形式見圖2。

采用噴射CF30鋼纖維硅粉混凝土結構和現澆混凝土結構的經濟對比詳見表1。

3 鋼纖維混凝土在隧道輔助坑道應用的特點

我國對于鋼纖維混凝土進行了大量研究，已經積累了一些設計和施工經驗，特別是在長大隧道輔助坑道中的應用取得了較好的效果，初步認為，使用噴射鋼纖維混凝土代替掛網單從材料的角度可節約造價30%，工期可節約30%，對長大隧道來講，經濟效益和社會效益巨大[1]。

圖1 斜井鋼纖維混凝土襯砌結構圖

圖2 斜井排水半管布置圖

鋼纖維混凝土作為初期支護，其特點是：a）噴射鋼纖維混凝土可以代替掛網噴射素混凝土，使準脆性混凝土變為韌性材料，有較好的變形能力；b）噴射鋼纖維混凝土速度遠遠大于掛網噴混凝土，且減少空洞，節約時間，加快施工進度；c）由于變為韌性材料，更有利于應力分配，增加結構安全度[2]。

表1 斜井二次襯砌結構采用不同結構對比表

鋼纖維混凝土作為二次襯砌，其特點是：a）可以減少襯砌的厚度；b）可以代替鋼筋混凝土，減少鋼筋用量，使結構受力更加合理；c）減少襯砌開裂的幾率，保證襯砌開裂后的結構受力性能。

4 現結構存在的問題和鋼纖維混凝土的優點

隧道開挖噴射混凝土初期支護通常采用模注混凝土襯砌的“復合式襯砌”被廣泛使用，通常采用噴射混凝土和錨桿及其他加強措施來保持隧洞圍巖的穩定，增加鋼筋直徑為4～8 mm的鋼筋網的措施增強韌性，然而也存在許多不足，在支護中設置的鋼拱和格柵拱難以同圍巖緊貼，因此也就難以及時起到支護作用。

a）在不規則洞壁上，鋼筋網通常是固定在褶曲凸點上，由于鋼筋網的阻擋，這些小的凹凸會成為噴射混凝土覆蓋不到的地方，如圖3所示，這樣噴射混凝土并未充分發揮將荷載重新分配給圍巖的作用；但是噴射混凝土中摻入鋼纖維后，噴射混凝土的抗彎強度、延性及其韌性得到提高，同時能隨巖體開挖的實際輪廓噴射支護，如圖4所示，襯砌與巖體能夠完全結合，合理分配巖體釋放的荷載，從而達到限制圍巖變形的目的。

圖3 鋼筋網噴射混凝土

圖4 鋼纖維噴射混凝土

b）掛網噴射混凝土如果采用的噴射壓力和噴射距離不合適，混凝土可能堆積在鋼筋網外面，鋼筋網后的巖石出現凹陷區和松散區，致使鋼筋網很快發生腐蝕。

c）鋼筋網的鋼筋使混凝土的粗骨料大量回彈，造成鋼筋網后面的混凝土質量低劣，并形成地下水通道。

5 鋼纖維混凝土在隧道輔助坑道應用的前景

隨著公路交通網的日趨完善，公路隧道得到了迅猛的發展。全國各省已建成或將修建一批特長隧道，僅在山西有太古高速公路西山隧道和長安高速公路洪梯關隧道長度均超過了13 km，解陌公路中條山隧道9.7 km，平榆高速公路寶塔山隧道10.5 km，正在修建的榆和高速公路云山隧道單洞長度超過11 km。大量公路特長隧道的修建，在技術上的要求也越來越高，工程的工期要求都比較緊張，這就需要安全、快速、經濟的新技術新工藝，鋼纖維混凝土襯砌結構將是一個方向，特別是在控制工程施工的輔助坑道中更是可以發揮其安全、高效、經濟、環保的結構特點。

目前結合我國工程實際現狀，針對特長隧道鋼纖維混凝土結構設計方法、計算方法、施工工藝等關鍵問題已開展系統的研究工作。通過研究，建立鋼纖維混凝土隧道襯砌的設計方法，提出應用于隧道工程的施工工藝，豐富隧道襯砌材料的結構設計理論，同時也為今后公路隧道結構設計與施工提供指導。該技術的成功應用，將取得較好的經濟和社會效益，可以減少隧道的開挖量，加快隧道的施工進度，減少碳排放和環境污染，降低施工造價，取得明顯的社會和經濟效益。

6 結束語

可以看出，我國在鋼纖維混凝土的使用方面范圍越來越廣泛，對于在隧道中采用鋼纖維混凝土作為支護體系的組成部分其研究已經取得了若干成果。特別是在特長隧道的輔助坑道中的應用是很值得推廣應用，符合輔助坑道在工程中要求安全、快速、經濟。但是，就其鋼纖維混凝土在隧道工程中的應用仍有許多亟待解決的問題，特別是針對隧道結構設計理論、設計方法、施工工藝等相關問題仍缺乏系統的具有代表性的研究。尚需通過噴射鋼纖維混凝土的基本力學性能試驗研究、噴射性能及工藝性試驗、室內試驗研究、現場試驗研究、數值模擬分析等進行研究，重點依托工程開展噴射鋼纖維混凝土襯砌承載能力、支護模式、施工工藝技術，解決其安全性和壽命問題，從而加快鋼纖維混凝土結構在隧道中的推廣和應用。