鋼纖維噴射混凝土在隧道施工中的應用

（福州成建工程監理有限公司）

鋼纖維噴射混凝土在隧道施工中的應用

夏國慶

（福州成建工程監理有限公司）

鋼纖維噴射混凝土具有較好的承載性能和強度被廣泛應用到國內外工程建設的各個領域，近年來在復雜地質條件下的隧道施工作業中也得到了迅速推廣。對于隧道施工中的鋼纖維混凝土噴射技術，國內還沒有形成完整的標準和規范，且鋼纖維噴射砼的關鍵技術和工藝流程的控制還有待進一步總結提高。本文探討了鋼纖維噴射砼的基本力學性能和特點，并借助寧德福寧2號隧道在隧道開挖支護案例中對其施工工藝和技術進行了探究，為該材料在同類工程中的使用提供參考。

鋼纖維噴射混凝土；工藝流程；關鍵技術；隧道

0、引言

隨著城市交通發展，隧道工程在我國各大城市和地區大規模建設，隧道施工技術的研討課題也越來越多。由于隧道受線路和地形、地貌等影響，淺埋偏壓等形式，再加上不良地質條件的影響，其開挖、支護與混凝土澆筑等環節都面臨著許多困難。特別是影響隧道施工安全的變形量控制，在隧道施工過程中的支護就顯的至關重要。普通的隧道施工，往往選用普通噴射砼進行初期支護，但對于特殊、高風險地段，變形量控制要求很小的區域，使用普通噴射砼和支架支護就比較難實現其變形的嚴格控制。鋼纖維噴射砼的使用改善了這種狀況，但作為新型材料，其主要力學性能和實際施工工藝和技術在實踐中的探究還比較少，還需要加強施工工藝、關鍵技術的控制。

1、鋼纖維噴射砼（SFRC）主要特性

1.1主要特性介紹

該類材料是對傳統混凝土的改良研發出的一種新型材料，其制備主要技術是將鋼纖維均勻摻入到重新設計調配的普通噴射砼之中，同時通過現代高壓機械設備實現鋼纖維砼噴射在隧道支護表面的一種復合型新材料。其研發能夠有效克服傳統普通噴砼的易開裂、抗拉強度低、延性較差等缺陷，特別是提高了混凝土的韌性和抗沖擊性，從而極大改變了混凝土原來一直作為脆性材料的概念。隧道支護施工使用的鋼纖維噴砼與普通鋼筋噴砼相比，具有跟圍巖結合緊密、速度快、早期強度高、促進圍巖自身承載能力提高等特點，有效杜絕初支背后空洞、抑制隧道圍巖和初支結構的變形、確保了隧道施工安全。

1.2鋼纖維的主要分類

鋼纖維噴射砼中摻入的鋼纖維大體包括：①鋼絲切斷型鋼纖維、②薄板剪切型鋼纖維、③銑削型鋼纖維、④熔抽型鋼纖維。有些鋼纖維由于承載性能不佳，隧道工程中經常使用的多為前兩類。

1.3基本力學性能分析

（1）鋼纖維噴射砼的抗壓強度與抗拉強度

通過工程試驗研究表明，在普通混凝土之中加入鋼纖維對其抗壓強度影響是比較小的。當前隧道施工中，通常選用CF20、CF25和CF30等不同強度等級的鋼纖維噴射砼進行支護施工，其抗壓強度較C20、C25和C30強度稍高。但鋼纖維砼卻較普通砼的抗拉、抗折強度有了較大提升。比如CF30等級的鋼纖維混凝土，其抗拉強度一般要較同等級的普通混凝土在2 MPa以上。

（2）鋼纖維噴射砼的彎曲韌度

彎曲韌度是衡量該類砼的重要的性能標準，也是評估鋼纖維噴射砼在發生開裂之后的承載性能的重要依據。其在荷載作用下的撓度曲線變化情況見下圖1所示。其中A、B、C、D四個點主要指不同幅度大小作用力下的撓值； Pe代表剛開始開裂對應的承載力大小。

圖1.鋼纖維砼荷載與撓曲線變化情況圖

國內根據韌度指數大小對鋼纖維砼的承載性能進行評估。不同等級的韌度指數對應著不同開裂荷載的的荷載撓度值，比如I10對應的是5.5δ、I30對應15.5δ，彎曲韌度指數I5、I10、I30分別為變形達到3δ、5.5δ、15.5δ時試件對應的吸收能韌度與試件初裂時的吸收能韌度的比值，其中δ代表鋼纖維砼剛開始開裂所對應的撓度值大小。國內使用的鋼纖維噴射砼通常要符合如下規范要求：

①鋼纖維砼的彎曲韌度指數要符合：I10=6～8 ，I30=18～24

②鋼纖維砼的韌度系數：R30/10≥60

能夠滿足以上幾項要求的鋼纖維噴射混凝土材料才能使用到隧道工程建設中。

1.4鋼纖維噴砼與普通噴砼的區別、受力分析

鋼纖維噴砼與普通噴砼相比主要區別體現在如下幾點：

（1）鋼纖維噴砼相比普通噴砼主要摻入了鋼纖維，在力學性能方面凸顯了其承載力、延性較強，隧道初期支護關乎施工安全風險的變形控制主要就是通過鋼纖維來實現的。

（2）關于力學性能方面，普通噴砼試件與鋼纖維噴砼試件通過試驗反應出了鋼纖維噴砼在受力作用下的撓曲線變形情況，具體見下圖2和圖3所示

圖2. 普通噴砼荷載—撓度曲線

圖3. 鋼纖維噴砼荷載—撓度曲線

2、應用實例

2.1工程概況

福寧2號隧道位于寧德市福寧北路蘭田與漳灣之間，設計為雙向四車道，為上下行分離的雙洞大跨（最大開挖跨度接近16.6米，）、小凈距隧道（中夾巖厚5-6米），隧道長405米，隧道限寬13.75米，限高5.0米。隧道埋深約2-35米，圍巖為殘坡積土及碎塊狀強風化凝灰熔巖，地下水位高于隧道底板，邊仰坡采用錨噴防護，輔助進洞措施采用套拱加大管棚。由于隧道淺埋偏壓、圍巖破碎富水軟弱，隧道采用雙側壁導坑法開挖即俗稱眼睛法開挖見圖4所示，為保證隧道施工安全，需加強防排水，并按設計要求采用合理的加固方法來提高中夾巖柱的承載能力,同時主洞初期支護采用剛度較大的工字鋼和噴射鋼纖維砼以控制其變形量。

圖4.軟弱圍巖淺埋偏壓小凈距大跨雙線隧道開挖支護順序示意圖

2.2鋼纖維噴射砼主要工藝流程

該隧道初支鋼纖維噴射砼施工具體步驟見圖5所示

圖5.隧道濕噴鋼纖維砼施工工藝流程圖

2.3鋼纖維噴射砼施工工藝、技術要求

（1） 鋼纖維噴砼施工控制要點

① 選用普通硅酸鹽水泥，適當添加硅粉或置換一定量的水泥，細度模數大于2.5的硬質潔凈砂，粒徑5-12mm連續級配碎(卵)石，化驗合格的拌合用水。

② 噴射混凝土嚴格按設計配合比進行拌和，按各種材料先干拌合均勻后再加水的步驟，配合比及攪拌的均勻性每班檢查不少于兩次。

③初支噴護采用濕噴工藝， 噴射前認真檢查隧道斷面，對欠挖部分及所有開裂、破碎、出水點、崩解的破損巖石進行清理和處理，清除浮石和墻角虛碴，并用高壓水或風沖洗巖面。

④ 噴頭距巖面距離為0.6m～1.2m，噴頭垂直受噴面，噴初期支護鋼架背后，將噴頭稍加偏斜。噴射路線應先邊墻后拱部，分區、分段螺旋形運動，噴頭作連續不斷的圓周運動，后一圈壓前一圈1/3，螺旋狀噴射。

⑤ 噴射混凝土作業采取分段、分塊，先墻后拱、自下而上的順序進行。噴嘴做反復緩慢的螺旋形運動，螺旋直徑約為20～30cm，以保證混凝土噴射密實。同時掌握風壓、水壓及噴射距離，通過調整減少回彈量。

⑥ 隧道噴射混凝土厚度＞8cm時分兩層作業，第二次噴射混凝土如在第一層混凝土終凝1h后進行，需沖洗第一層混凝土面。初次噴射先找平巖面。

⑦ 噴射混凝土終凝2h后，進行噴水養護，養護時間不少于7d。隧道開挖下次爆破距噴射混凝土完成時間的間隔，不得小于4h。

(2) 有水地段噴射混凝土的施工措施

① 當涌水點不多時，設導管引排水后再噴射混凝土；當涌水量范圍較大時，設樹枝狀排水導管引排后再噴射混凝土；當涌水嚴重時可設置泄水孔，邊排水邊噴混凝土。

② 增加水泥用量或置換一定比例的硅灰，改變配合比，噴混凝土由遠而近逐漸向涌水點逼近，在涌水點安設導管，將水引出，再向導管附近噴混凝土。

③ 當巖面普遍滲水時，先噴砂漿，并加大速凝劑摻量，初噴后再按原配合比施工。當局部出水量較大時采用埋管、鑿槽、樹枝狀排水盲溝等措施，將水引導疏出后再噴混凝土。

④ 當噴射混凝土局部凹凸不平尺寸大于下述要求時，進行處理。邊墻：D/L=1/6；拱部：D/L=1/8。式中：L—噴射混凝土相鄰兩凸面間的距離；D—噴射混凝土兩凸面凹進的深度。

2.4鋼纖維噴射砼施工效果分析

（1）鋼纖維噴砼施工綜合效果

濕噴鋼纖維砼在該隧道初支的使用顯現了其施工效率高、施工進度快、施工環境、安全有保障的施工綜合效果。通過濕噴鋼纖維砼有效提高了隧道圍巖的初期支護強度，有效解決了隧道軟弱地質類型支護早期結構開裂、沉降、變形等不穩定的問題。

（2）鋼纖維噴砼施工回彈量分析

濕噴鋼纖維砼從原材料選用、配比、拌合、運輸、施工操作等力求科學和規范，并采取現代化的工裝設備，回彈量較普通噴砼的25%左右下降到了5%-10%，有效降低了施工成本，并加快了施工進度。

（3）質量和安全防護方面分析

初支使用濕噴鋼纖維混凝土施工，從噴砼的厚度、強度、平整度、空洞、裂縫、沉降、收斂等，根據現場實地觀察、實測實量、實體檢測、取樣試驗等檢查各項指標和數據均能滿足設計和規范要求。有效保證了施工質量和管控了風險。

3、鋼纖維噴射混凝土的使用效益分析

3.1綜合效益方面分析

選取濕噴鋼纖維砼的形式對隧道初期支護起到顯著的加強的作用，有效抑制了隧道圍巖對初期支護造成的開裂和變形，并將設計預留變形量15公分控制在了8公分左右，解決了復雜地質條件下的不安全問題。同時使用濕噴法施工能夠有效減少洞內粉塵污染，為施工人員身體健康和工作環境創造了條件，為綜合效益的提高奠定了基礎。

3.2施工進度方面效益分析

采取濕噴鋼纖維砼減小了開挖預留變形量既減少了圍巖開挖量和運輸；省去了鋼筋網的加工、安裝等工序；鋼纖維噴砼一次噴射厚度較普通噴砼提高一倍多，減少了多遍工序操作；使用濕噴機施工，創造了有利的洞內施工環境，提高了施工人員的工作積極性；通過不斷的調整回彈控制方法來有效減少回彈量，對圍巖及時有效的封閉、降低風險起到了重要作用。

4、結語

本文研究了鋼纖維噴射砼的主要特性、主要施工技術控制要點等內容，并借助寧德福寧2號隧道項目鋼纖維噴射砼實例，對鋼纖維噴射混凝土的主要應用工藝流程和控制要點等進行了實踐，進一步驗證了鋼纖維噴射砼在不良地質條件下和高風險隧道施工中較普通噴砼具有更高的抗變形能力及潛在的技術、經濟和社會效益，希望通過本文的研究為今后加強隧道初期支護施工提供技術支持。

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