鋼纖維噴射混凝土在隧道通風斜井中的應用

曹康建，普加富（.云南公投建設集團有限公司；.云南第二公路橋梁工程有限公司，云南　昆明　650000）

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鋼纖維噴射混凝土在隧道通風斜井中的應用

曹康建1，普加富2
（1.云南公投建設集團有限公司；2.云南第二公路橋梁工程有限公司，云南昆明650000）

在現代隧道工程當中，噴射混凝土技術，已經在地下工程和巖土工程支護工程中得到了廣泛應用。利用噴射混凝土技術，可以與其配合其它支護構件或單獨地作為結構的永久性支護。本文首先對濕噴混凝土工藝進行了概述；其次，對隧道中的單層襯砌支護機理以及濕噴鋼纖維混凝土的力學特性進行了分析；最后介紹了其在湖北宜昌至巴高速公路峽口隧道通風斜井中的具體應用。

鋼纖維；噴射混凝土；隧道通風斜井

鋼纖維噴射混凝土是在噴射機械的基礎上，利用高壓，將拌和料按照一定的比例，通過管道輸送并且高速噴射到需要支護加固的表面上，從而在表面凝結硬化形成一種鋼纖維混凝土。鋼纖維噴射混凝土與現澆鋼纖維混凝土相比，具有施工簡便易行的特點，在施工過程中省去支模、澆筑和拆模等工序，使得混凝土的輸送、澆筑和搗實合為一道工序，在很大程度上節省了人力、縮短了工期；并且鋼纖維噴射混凝土還具有密度高、強度和抗滲性較好的特點，節約了建筑成本；還可以通過輸料軟管在高室或狹小工作區間的薄壁結構施工，因此具有較廣的適應性。

1　濕噴混凝土工藝

鋼纖維混凝土必須采用濕噴的工藝來進行實現，在整個施工過程當中的水泥、砂、骨料、水、減水劑等都必須要按照要求來進行合理配置，在加入攪拌機進行攪拌的時候攪拌好的成品混凝土需要利用運輸設備來將成品運輸到噴射地點并且加入濕噴機料斗［1］，之后需要根據濕噴機的操作規程來進行噴射，其中原材料的配比如表1所示。

表1　鋼纖維噴射混凝土配合比

2　隧道中的單層襯砌支護機理和力學特性

2.1支護機理

隧道單層襯砌技術屬于一種新型隧道支護體系。單層襯砌具有在層間可以充分傳遞剪力的特點。單層襯砌在整個支護過程中需要經歷不同的荷載狀況，這就要求單層襯砌構造必須滿足兩個條件：①噴射混凝土要有一定的早期強度；②必須盡可能地形成緊密咬合的一體化斷面。

目前，復合式襯砌的二次支護在一般情況下是不考慮承載和防水功能的，但在單層襯砌中，需要根據結構物的耐久性，來對最終形成的結構進行充分的考慮。隧洞單層襯砌法堅持了噴射混凝土臨時襯砌的設計理念，在材料性能和施工方面進行了控制，同時由于不考慮將部分襯砌作為臨時支護，減少了隧道開挖量和襯砌材料，減少施工時間，節省工程費用。

噴射混凝土在施工當中具有一些重要的特點：

（1）混凝土必須以20～100m/s的高速吹到巖石表面上，在噴射過程中的速度是根據噴射設備和噴射方法來決定的。砂漿和細料在被擠入巖石縫隙和節理之后，就會產生加楔效應；

（2）在形成粘接層后的混凝土會在噴射壓力下被壓實，因此只要速凝劑不引起“瞬時凝結”，噴射混凝土層將粘結在表面，如鋼纖維噴混凝土其粘結強度可達2～4MPa；

（3）在巖石表面被完全封閉之后，其中的水泥砂漿就會被擠入縫隙和節理，對其中的濕度變化、空氣和溫度、流水的沖刷進行隔離，可以對圍巖強度進行有效防護。因此，在采用噴混凝土單層襯砌的時候，最關鍵的是需要保證噴混凝土與圍巖之間的粘結，與圍巖充分粘附、充填和密實，才可以發揮到噴混凝土支護效果的基本保證，同時也可以發揮噴射混凝土最主要的力學作用［2］。在支護過程中，還可以采取非等參支護，在隧道當中的不穩定區域可通過提高混凝土等級以及在噴射混凝土中摻入鋼纖維等措施進行，這樣既可保證襯砌支護質量和安全的同時，同時又可以在很大程度上節約投資。

2.2力學特性

鋼纖維噴射混凝土實際上是由噴射混凝土基體和鋼纖維組成的多相復合材料，因此在力學特性方面也會受到噴混凝土基體和鋼纖維及兩者粘結性能的影響。在鋼纖維噴混凝土的材料內部同樣存在微裂縫，在復合材料進行受荷后，材料內部所存在的這些微裂縫也會得到進一步發展，因此就會從界面到砂漿、水泥石，逐步擴展為宏觀裂縫，在這個過程也就是隧道裂縫的產生、擴展以及失穩的過程。

鋼纖維噴混凝土內部構建會隨著裂縫發展程度而產生不同的破壞力度，其全過程如圖1所示，從圖1當中可以看出，整體的破壞過程可以分為：彈性階段（OA段）、裂縫穩定擴展階段（AB段）、裂縫失穩擴展階段（BC段）以及纖維拔出破壞階段（過C點后）四個階段［3］。在混凝土中加入鋼纖維之后，對普通混凝土的應力-應變曲線也會產生不同程度的影響，從圖1當中可以看出是呈現出下降段的形狀，試件在很大的應變下仍未破壞，從另外一方面將也就是其延性得到了提高。

圖1　鋼纖維噴射混凝土的破壞過程

與此同時，在鋼纖維當中的試件受力達到極限強度之后，也就是裂縫穩定擴展階段時才會進行大力發揮，證明了在鋼纖維加入后對混凝土基體的抗壓強度的提高并不是很明顯，反而對基體的彎曲韌性則有很大程度的提高。

隨鋼纖維含量的增加，混凝土的抗壓強度、抗拉和抗折強度都會得到很大程度地提高。噴射鋼纖維混凝土也會隨著速凝劑和減水劑的摻入，而得到提高，從而使得混凝土的早期強度也明顯提高，在這種情況下對抗隧道開挖初期的圍巖變形是有著極其有利的好處的。

在實際隧道錨噴支護工程中，噴射混凝土層也會承受彎矩作用，但是鋼纖維噴混凝土的韌性會使得巖面緊密貼合的噴層所具有的柔性變得更加強大，而且可以和圍巖來共同支護抗力提供較大的變形力度。

3　實例運用

在湖北宜昌至巴高速公路峽口隧道通風斜井工程當中，隧道全長左幅為6456m，右幅全長6487m，為上、下行分離的四車道高速公路特長隧道。該隧道左線ZK107+377～ZK110+ 670，長3293m；右線YK107+400～YK110+710，長3310m。該隧道當中的山體是由寒武系～三疊系碳酸鹽夾碎屑巖地層構造，整體構造以堅硬碳酸鹽、砂巖為主，夾半堅硬泥頁巖。該隧道的水文地質屬于復雜類型，該隧道當中的地下水主要有第四系孔隙水、基巖裂隙水、碳酸鹽巖巖溶水構成，因此在隧道洞室具滲流、面流、局部涌水現象。

該隧道的通風斜井底部位于左線隧道ZK108+459右側97.77m（洞室中心距離），斜井出口位于左線隧道YK109+187右側181.65m（洞室中心距離），水平投影長度為715m，斜長780.95m，傾角24.5°，坡度-45.57%。凈空9.50×6.10m，開挖斷面10.88m×8.22m，聯絡進風道長 149.38m，聯絡排風道長101.68m，凈空6.60×5.32m，總長1032.01m。斜井穿越Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ三個圍巖級別，原設計采用復合式襯砌，該隧道的平面圖和剖面圖如圖2～3所示。

圖2　該隧道工程平面圖

圖3　該隧道工程剖面圖

在該隧道當中，通風斜井的坡度是相對較大的，達-45.57%，因此用二襯臺車組織施工是相對比較困難的，但是按照原設計模筑施工，在每版二襯的地方就需要進行腳手架、立架、裝模、加固、澆筑等的加固加大，在施工工期方面必然延長工期，且存在較大的安全隱患。因此結合斜井的實際情況，除明洞段及洞口破碎帶人工立架裝模澆筑混凝土以外，在隧道當中的其余段均取消原設計模筑二襯，都變更為鋼纖維噴射混凝土。選擇其中200m作為試驗段，利用濕噴鋼纖維混凝土單層襯砌代替原原復合式襯砌，設計混凝土強度等級為CF30，鋼纖維摻量為45kg/m3，如圖4～5所示。

圖4　鋼纖維噴射混凝土

圖5　鋼纖維噴射現場

在對現場實驗隧道斜井鋼纖維噴射混凝土試件的抗壓強度進行測試之后，抗壓強度的平均值為37.2MPa，現場1d強度達到8MPa，滿足1d強度≥5MPa的設計要求，28d抗折彎拉強度均大于4.0MPa，抗滲能力達到S13，遠大于《公路隧道設計規范》（JTGD70-2004）定的不低于S6抗滲要求。因此圍巖壁面與鋼纖維噴射混凝土平均粘結抗拉強度分別為1.79MPa（規范規定Ⅲ級圍巖應≥0.5MPa）。與原設計相比，工期可以提前3個月的同時，還取得了良好的社會與經濟效益。

4　結語

綜上所述，在噴射混凝土當中摻入一定量的鋼纖維之后，混凝土的各項力學性能都有了一定的改善，但是抗壓強度的提高程度并不是非常明顯，在抗拉強度、抗裂性以及抗滲水壓力強度方面都有所改善，對混凝土的密實程度、耐久性能和質量穩定性能方面都有所改善，鋼纖維噴射混凝土技術來作為隧道單層襯砌，在現場的噴射效果是相當良好的，在一定程度上拓寬了噴錨式襯砌的應用范圍，同時也豐富了隧道的襯砌形式。

［1］劉新榮，祝云華，李曉紅，杜國平，宋戰平.隧道鋼纖維噴射混凝土單層襯砌試驗研究［J］.巖土力學，2009，08：2319～2323.

［2］劉炳輝.鋼纖維噴射混凝土在隧道初期支護中的應用實踐［J］.公路交通技術，2003，02：62～66.

［3］曹康建.濕噴鋼纖維混凝土在隧道單層襯砌中的應用［J］.水利與建筑工程學報，2011，03：83～86+102.

［4］王事成.隧道通風斜井鋼纖維噴射混凝土單層襯砌應用研究［J］.施工技術，2015，S1：233～236.

普加富（1980-），男，工程師，本科，主要從事公路和橋梁的建設工作。

U454

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2095-2066（2016）11-0158-02

2016-3-8

曹康建（1972-），男，高級工程師，本科，主要從事公路橋梁建設及管理方面的工作。