尾礦砂鋼纖維噴射混凝土在鐵礦巷道中的應用*

魯麗華，羅 豐，劉文勝，陳曉云

(1.沈陽工業大學 建筑與土木工程學院，沈陽 110870；2.鞍鋼集團礦業有限公司 眼前山分公司，遼寧 鞍山 114001)

尾礦砂鋼纖維噴射混凝土在鐵礦巷道中的應用*

魯麗華1，羅 豐1，劉文勝2，陳曉云2

(1.沈陽工業大學 建筑與土木工程學院，沈陽 110870；2.鞍鋼集團礦業有限公司 眼前山分公司，遼寧 鞍山 114001)

為了解決鐵礦巷道開采過程中采用尾礦砂鋼纖維噴射混凝土作為巷道單層襯砌的應用問題，以尾礦砂取代天然河砂作為細骨料配制鋼纖維噴射混凝土，并對不同鋼纖維摻量的噴射混凝土進行了抗壓、抗折、劈拉等力學性能試驗，得到了噴射混凝土的最優配比及鋼纖維摻量對混凝土的影響.采用ANSYS對鐵礦軟弱巖層進行數值模擬分析，探討了最佳襯砌厚度下巷道開挖后的計算結果，通過分析獲得了尾礦砂鋼纖維噴射混凝土的合理噴層厚度.結果表明，混凝土中鋼纖維的摻入量為40 kg/m3時混凝土的力學性能達到最佳，并且混凝土的密實性、耐久性和質量穩定性亦有所加強，但抗壓強度的提高不十分明顯.

鐵礦巷道；尾礦砂鋼纖維噴射混凝土；單層襯砌；試驗；最優配比；數值模擬；軟弱圍巖；噴層厚度

鋼纖維噴射混凝土作為一種新型復合材料，在國內外隧道及其他地下工程中應用廣泛[1]，對比普通混凝土，鋼纖維的加入使得混凝土具有更優良的性能，例如，推遲和限制裂縫開展，混凝土的延性和韌性等特性大幅度提高[2].鋼纖維噴射混凝土對限制洞室開挖后洞周松動圈的塑性發展，改善圍巖力學性能，控制圍巖的過度變形有著非常明顯的作用.由于礦山的大量開采，導致了大量的尾礦砂滯留問題，尾礦砂排出的重金屬和有毒有害物質對水土造成了嚴重污染，解決尾礦砂的問題迫在眉睫.

因此，本文通過力學室內試驗、數值模擬和實際工程相結合的方法[3-4]，得到了適用于鞍山眼前山鐵礦巷道的鋼纖維噴射混凝土的力學性能參數.通過室內試驗確定了鋼纖維合理摻量和配比，研究了尾礦砂鋼纖維噴射混凝土的力學性能，并采用大型通用有限元軟件ANSYS進行礦山巷道開挖支護受力狀態的模擬[5]，對圍巖開挖支護結構的位移、應力等進行計算分析，最終確定應用于該巷道的合理尾礦砂鋼纖維噴射混凝土厚度，為鋼纖維噴射混凝土在類似巷道單層襯砌中的推廣應用打下基礎.

1 鋼纖維作用機制

基于斷裂力學的復合力學理論[6]認為，假定纖維連續均勻平行排列分布，且與受力方向一致，基體與纖維間無相對運動，兩者產生相同應變，纖維與基體粘結完整且發生彈性變形.纖維力學模型如圖1所示，該理論認為鋼纖維承擔了外荷載產生的一部分應力，使得鋼纖維混凝土復合強度得以提高.

圖1 纖維力學作用圖Fig.1 Mechanical action of fiber

在實際施工作業過程中，由于連續作業以及巷道受噴面在高速噴射影響下產生的強氣流擾動作用，導致受噴面大部分鋼纖維旋轉，并與噴射方向形成垂直分布的二維狀態.這種特殊工藝的纖維分布形態正好與洞室的環向主應力方向一致，這有利于控制洞室的過度變形以及裂縫的開展，同時，由于混凝土內部存在不同程度的微裂縫和氣泡，而鋼纖維的加入使得混凝土在外荷載作用下內部微裂縫應力集中得以改善，從而提高了混凝土的抗拉強度和韌性.

2 力學性能室內試驗

2.1 試驗材料

試驗材料包括：

1) 鋼纖維.直徑為0.50 mm，長度為30 mm，長徑比為60，抗拉強度大于等于600 MPa[7].

2) 水泥.采用遼寧山水工源牌P.O 42.5級水泥.

3) 骨料.采用遼陽產天然石灰巖碎石，粒徑小于等于10 mm，級配良好.

4) 砂料.采用鞍山眼前山鐵礦的鐵尾礦砂，細度模數不小于1.2.

5) 減水劑.采用遼寧省建科院研制的LJ612型聚羧酸系高效減水劑.

6) 速凝劑.采用高效減水液態速凝劑.

7) 拌合水.采用純凈的天然水，并按照規范要求使用.

2.2 室內試驗

按照《鋼纖維混凝土試驗方法》(CECS13：89)進行制作與養護試件.在標準養護室養護28 d后，分別對相應混凝土試件進行抗壓強度、劈裂強度、抗折強度試驗，其結果如表1所示.

表1 不同摻量鋼纖維混凝土的強度Tab.1 Strength of concrete with different contents of steel fiber

從表1中數據可以看出，鋼纖維摻量對尾礦砂鋼纖維混凝土抗壓強度的提高不明顯.這是因為鋼纖維噴射混凝土抗壓強度受多種因素影響，如拌合物的水膠比、速凝劑用量、水化反應程度及現場施工工藝等，而抗壓強度的主要影響因素是混凝土基體的性能，當鋼纖維摻量過多時，會降低混凝土的和易性，內部微裂縫反而增多，抗壓強度不增反降.

鋼纖維混凝土劈裂強度增加顯著，當體積摻量為40 kg/m3時，在30 kg/m3基礎上強度提高了3.6%；當體積摻量為50 kg/m3時，強度提高了30.1%.這是因為摻入鋼纖維后，鋼纖維與混凝土間的吸附、咬合作用會減弱由于水化反應程度對混凝土整體性能的影響，且鋼纖維會改善混凝土中微裂縫引起的應力集中，抑制裂縫的發展，使得混凝土的抗裂性能有所增強.

鋼纖維混凝土抗折強度有較明顯的提高.對于鋼纖維混凝土，由于鋼纖維抵消了微裂縫應力集中的作用以及鋼纖維的邊壁效應，鋼纖維混凝土的抗折強度隨鋼纖維摻量的增大而增大.但考慮到實際情況，由于噴射機械性能的限制，選取纖維摻量40 kg/m3為最佳摻量，若再增加纖維的摻量，易發生堵管現象.

3 應用實例

3.1 實例概況

針對遼寧省鞍鋼集團礦業有限公司眼前山鐵礦巷道軟弱破碎圍巖段開挖及支護工程，采用有限元軟件ANSYS對其進行仿真模擬分析.本文模擬的施工段巷道圍巖為Ⅳ級，水平圍巖情況復雜，節理裂隙發育且該段處在堅硬和軟弱巖層之間的巖層破碎帶，圍巖的穩定性差，由于節理裂隙的切割，導致巖體整體性較差，極易發生塌方和大面積片幫、冒落，該段圍巖在實際施工中采用全斷面法施工.在整個結構中，超前錨桿的作用是在開挖前加固拱部圍巖，限制拱部塑性區的發展，使相對應部分巖體形成承壓拱，并充分發揮自承作用[8].本文采用等效材料方法模擬經過超前錨桿加固的洞周部分巖體[9-10].

各部分材料的力學參數如表2所示，其中，尾礦砂鋼纖維噴射混凝土的彈性模量通過室內彈性模量試驗獲得，其他參數可查閱規范進行選取，超前錨桿加固區圍巖力學參數按剛度等效原則計算，其中，彈性模量E=5.33 GPa，泊松比μ=0.25，密度ρ=2 620 kg/m3，內摩擦角φ=40°，粘聚力C=0.25 MPa.

3.2 超前支護與加固分析

取埋深-47 m典型斷面進行計算分析，初始條件為以自重產生應力場為初始應力場.鋼纖維噴射混凝土、鋼拱架以及鋼筋網按剛度等效原則折合處理，計算模型與加固模型如圖2、3所示.

表2 計算參數Tab.2 Calculation parameters

圖2 計算模型Fig.2 Calculation model

圖3 后期加固模型Fig.3 Late consolidation model

分析計算結果如圖4～6所示.圖4表明僅使用超前支護，拱頂塑性區的發展受到限制，而邊墻及墻角塑性范圍達到3 m以上，從墻角延至拱腳.圖5表明在拱腳至拱腰段出現剪應力峰值，由于圍巖自身較軟且受節理裂縫切割，所以在持續爆破施工產生的擾動影響下易發生塑性剪切滑移導致邊墻失穩，拱頂坍塌，與現場實際情況相符合.而鋼拱架+鋼筋網+噴砼+注漿支護方式與超前支護相結合的方式限制了洞周圍巖的塑性發展，支護效果較好.

3.3 鋼纖維噴射混凝土單層襯砌支護預設計

隨著開挖的持續進行，超前錨桿已不足以滿足開挖要求，因此，在經濟安全的前提下，須設計一個最佳的噴層厚度，使得襯砌發揮柔性薄型支護作用，同時，維持圍巖穩定和保證噴層本身不受破壞.隧洞與斜井的錨噴支護設計值如表3所示.

圖4 超前支護塑性區Fig.4 Plastic zone with advance support

圖5 超前支護剪應力云圖Fig.5 Nephogram of shear stress with advance support

圖6 后期加固塑性區Fig.6 Late reinforced plastic zone

表3 隧洞與斜井的錨噴支護設計值Tab.3 Anchor supporting design values for tunnel and slope

3.4 鋼纖維噴射混凝土單層襯砌數值分析

通過ANSYS函數命令進行關于厚度r的迭代優化，得到了最佳襯砌厚度以及相應最佳噴射厚度下的圍巖應力、位移和塑性應變圖.數值分析中各變量參數如下.

1) 設計變量.襯砌厚度控制范圍為0.05 m≤r≤0.15 m.

2) 狀態變量.C30噴射混凝土極限抗拉強度σ小于等于1.47 MPa.巷道變形主要考慮拱頂、底板以及邊墻的變形.根據規程要求，周邊允許相對位移值須滿足0.15%≤RDB≤0.5%，0.15%≤RLB≤0.5%，其表達式分別如式(1)、(2)所示：

(1)

式中：RDB為巷道頂、底板相對位移值；ξD、ξB分別為巷道頂、底板的變形；h為巷道高度.

(2)

式中：RLB為巷道兩幫相對位移值；εL、εB分別為巷道左、右邊墻的變形；B為巷道跨度.主要控制點位置如圖7所示.

圖7 控制點位置Fig.7 Positions of control points

3) 目標函數.為了方便計算，本文巷道所需噴混支護為等厚度，噴射混凝土截面積最小，即襯砌厚度r最小.分析過程顯示當r大于等于10 cm時才滿足穩定和位移的要求.巷道頂、底板及邊墻兩幫相對位移值隨厚度r的變化曲線如圖8所示.

圖8 變化曲線Fig.8 Change curves

由圖8可知，巷道頂、底板及邊墻兩幫相對位移值隨厚度的增加基本呈上升趨勢.RLB從厚度為12 cm時的0.171 2%增大到15 cm時的0.179 1%，實際兩幫位移值增大了0.24 mm.RDB從噴層厚度為12 cm時的0.183 3%增大到15 cm時的0.188%，噴層厚度增加了3 cm，而實際頂、底板位移值反而上升了0.9 mm.因此，在結合規范設計值，綜合滿足強度和圍巖穩定的條件下，12 cm可以作為本文巷道的最佳噴混厚度.襯砌面積從2.245 5 m2減小到1.796 4 m2，不僅滿足強度要求，還取得了良好的經濟效益.噴層為12 cm時的巷道圍巖應力、位移及塑性應變云圖如圖9～13所示.

圖9 第一主應力云圖Fig.9 Nephogram of first principal stress

圖10 第三主應力云圖Fig.10 Nephogram of third principal stress

從第一主應力云圖可以看出，拱頂、拱腰、邊墻的襯砌表面出現大范圍拉應力作用，且在底板中部出現最大拉應力為0.25 MPa，小于該等級混凝土極限抗拉強度.從第三主應力云圖可以看出，在拱腳、邊墻腳處出現應力集中現象，襯砌上所受最大壓應力約為2.79 MPa，遠小于試驗40 kg/m3配比的混凝土抗壓強度37.79 MPa，但考慮到巖體整體性較差，施工時應對腳點處襯砌加強處理.

圖11 洞室X方向位移Fig.11 Displacement in X direction of cavern

圖12 洞室Y方向位移Fig.12 Displacement in Y direction of cavern

洞室的開挖導致洞周巖體發生位移，相對于自重應力場，拱頂向下最大沉降量為1.13 mm，洞底向上最大位移為2.2 mm.邊墻向洞內方向最大位移為0.193 mm，巷道開挖后拱頂的位移云圖表明，其位移變化不是很大，說明該軟弱圍巖段在鋼拱架+鋼筋網+噴砼+注漿支護方式與超前錨桿相結合的支護下，圍巖的變形受到了有效的抑制.后期加固支護很大程度上限制了洞周松動圈的塑性發展.

4 結 論

本文通過分析得出以下結論：

1) 鐵尾礦砂較之普通河砂，其力學性能并沒有明顯降低，作為廢物再利用，完全可替代普通河砂，經濟且綠色環保；

2) 混凝土中鋼纖維的摻量為40 kg/m3時，混凝土的力學性能達到最佳，并且混凝土的密實性、耐久性和質量穩定性亦有所加強，但抗壓強度的提高并不十分明顯；

3) 從理論上進行研究并獲得了鋼纖維噴射混凝土作為巷道單層襯砌的最佳力學性能厚度為12 cm，具有一定的參考意義，但應結合實際設備大小以及現場條件綜合利用.

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Applicationoftailingsandsteelfibersprayedconcreteinironminetunnel

LU Li-hua1, LUO Feng1, LIU Wen-sheng2, CHEN Xiao-yun2

(1.School of Architectural and Civil Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China; 2.Yanqianshan Branch, Anshan Iron and Steel Mining Group Co.Ltd., Anshan 114001, China)

In order to solve the application problem of tailing sand steel fiber sprayed concrete as the single layer lining of tunnel in the mining process of iron mine tunnel, the tailing sand was used to replace the natural river sand, and was taken as the fine aggregate to prepare the steel fiber sprayed concrete.In addition, such mechanical performance tests as the compressive, flexural and splitting tests were performed for the sprayed concrete with different steel fiber contents, and the optimal proportion of sprayed concrete and the influence of steel fiber contents on the concrete were determined.The numerical simulation analysis for the soft surrounding rock of iron mine was carried out with ANSYS software, the calculation results after the excavation of iron mine tunnel under the optimal lining thickness were discussed, and the reasonable shotcrete thickness of tailing sand steel fiber sprayed concrete was obtained through the analysis.The results show that when the steel fiber content in the concrete is 40 kg/m3, the concrete has the optimal mechanical properties, and the compactibility, durability and quality stability of concrete also get enhanced.However, the increase in the compressive strength is not obvious.

iron mine tunnel; tailing sand steel fiber sprayed concrete; single layer lining; test; optimal proportion; numerical simulation; soft surrounding rock; shotcrete thickness

2016-11-07.

國家自然科學基金資助項目(51608332).

魯麗華(1970-)，女,遼寧法庫人，副教授，博士，主要從事混凝土材料等方面的研究.

* 本文已于2017-01-19 18∶00在中國知網優先數字出版.網絡出版地址：http：//www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20170119.1800.028.html

10.7688/j.issn.1000-1646.2018.01.20

TM 343

A

1000-1646(2018)01-0109-06

鐘 媛 英文審校：尹淑英)