纖維增強噴射混凝土支護施工與效益評價

郭春紅

(河北省子牙河河務(wù)中心，河北 衡水 053000)

水工隧洞屬于各種不同地質(zhì)環(huán)境下的結(jié)構(gòu)物，會受到周圍地質(zhì)環(huán)境的顯著影響。在地下洞室工程開挖支護過程中，如果圍巖條件較差，就需要進行支護以提高承載力[1]。混凝土作為當前應(yīng)用最為廣泛的建筑材料，具有成型方便、能耗低、耐久性好等諸多優(yōu)勢，在水工隧洞襯砌施工中得到了廣泛應(yīng)用[2]。但是，混凝土也存在抗拉強度低、易斷裂等缺點，限制了其優(yōu)勢的充分發(fā)揮[3]。纖維混凝土是在普通混凝土中添加一定量的纖維形成的性能優(yōu)良的新型復合材料，可以有效阻止其內(nèi)部裂縫的擴展，改善其抗拉、抗彎以及抗剪強度，因此成為水工隧洞噴射混凝土施工的重要發(fā)展方向[4]。基于此，此次研究以具體工程為背景，探討纖維增強噴射混凝土良好性能和效益，以利于纖維混凝土的工程推廣和應(yīng)用。

1 纖維增強混凝土噴射工藝

1.1 工程背景

某輸水隧洞工程全長15690m，樁號S3+260—S4+556洞段的圍巖為Ⅴ級，開挖斷面為圓形平底的馬蹄型斷面設(shè)計，其底寬為2.91m，洞徑為4.40m，底寬2.91m。按照該洞段的原始設(shè)計，隧洞開挖之后的初支方案為15cm掛網(wǎng)噴、錨桿以及40cm鋼筋混凝土襯砌。其中，鋼筋網(wǎng)直徑為6.5mm，間距為200mm×200mm；支護錨桿為φ18mm錨桿，其長度、間距和入巖深度分別為2.2、1.0、1.9m。隧洞襯砌混凝土強度為C25，掛網(wǎng)噴混凝土為C20。

1.2 混合纖維混凝土噴射工藝

背景工程的原始支護方法雖然符合軟巖支護方案的實際要求，但是在具體的施工過程中掛網(wǎng)會消耗較長的時間和大量的人力和物力[5]。為了配合隧洞開挖的迅速推進，縮短施工工期，控制工程成本，在參考國內(nèi)外工程實例的基礎(chǔ)上，提出了噴射混合纖維混凝土的支護方法[6]。該方法的基本思想是其余的支護手段不變，將掛網(wǎng)噴普通混凝土改為纖維增強噴射混凝土[7]。由于纖維增強噴射混凝土強度高，因此可以省去掛網(wǎng)工序，同時將噴砼的厚度由原方案的15cm減薄至12cm[8]。

纖維混凝土中使用的是改性聚丙烯纖維和T700碳纖維[9]。聚丙烯纖維的直徑約50μm、單絲長度為8mm，密度為0.91g/cm3、彈性模量為6.5GPa、抗拉強度大于400MPa；T700碳纖維的直徑約8μm、單絲長度為8mm，密度為1.75g/cm3、彈性模量為210GPa、抗拉強度大于3500MPa。結(jié)合相關(guān)施工規(guī)范和工程實踐經(jīng)驗，噴射混凝土的水膠比為0.24，每m3的用料量為水泥417kg，砂724kg、粗骨料1086kg、水175kg、減水劑2.1kg、聚丙烯纖維3.5kg、碳纖維1.5kg。

纖維增強噴射混凝土的施工采用干噴工藝。在施工過程中，首先根據(jù)上文設(shè)定的配合比，將除水以外的各種材料投入攪拌機進行拌合，為了保證纖維的均勻混合，防止纖維裹團堵塞噴管，需要采用串門的纖維分散機，使纖維能夠徐徐加入并攪拌均勻[10]。然后，將攪拌均勻的材料利用壓縮空氣送至噴頭，壓力水和干混材料在噴頭處渾河成為纖維增強混凝土，并被及時噴至噴面。

2 支護效果現(xiàn)場試驗

2.1 試驗方案

為了論證混合纖維噴射混凝土的支護效果，研究中選擇S3+260—S3+280洞段為現(xiàn)場試驗洞段進行現(xiàn)場試驗。在試驗段分別采用原支護設(shè)計和本文提出的混合纖維噴射混凝土的支護，每種支護方式的試驗段長度為10m。試驗過程中對隧洞拱腳、拱頂兩個關(guān)鍵部位進行位移變形監(jiān)測[11]。其中，拱頂沉降監(jiān)測采用拱部變位觀測計，拱腳位移監(jiān)測采用GSL鋼環(huán)式收斂計[12]。

2.2 監(jiān)測結(jié)果與分析

根據(jù)上節(jié)設(shè)計的現(xiàn)場試驗方案進行試驗，并監(jiān)測獲取不同支護方案下的拱頂沉降位移和拱腳水平位移數(shù)據(jù)，根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)整理繪制出如圖1—2所示的不同支護方案下拱頂沉降位移和拱腳水平位移隨開挖步的變化曲線。由圖1和圖2可知，兩種支護方案下的隧洞拱頂和拱腳位移均隨著開挖步的增加而迅速增長并逐步趨于穩(wěn)定，在第16開挖步后的位移增長量極為有限。這說明兩種支護方案均可以獲得較為理想的支護效果[13]。從兩種方案的試驗結(jié)果對比來看，采用掛鋼筋網(wǎng)噴射混凝土支護和纖維增強噴射混凝土支護方案下的拱頂最終沉降量分別為7.8mm和7.6mm，拱腳沉降量分別為2.4mm和2.2mm。與原方案相比，采用纖維增強噴射混凝土支護方案的拱頂和拱腳最終位移量分別減小約2.6%和9.1%。由此可見，采用混合纖維噴射混凝土支護時的拱頂沉降位移和拱腳收斂位移相對較小，可以取得更好地隧洞圍巖位移變形控制效果，可以用于實際工程建設(shè)。

圖1 拱頂累積沉降量隨開挖步變化曲線

圖2 拱腳累積收斂量隨開挖步變化曲線

3 工程效益對比分析

3.1 工期對比分析

鑒于工期的影響因素復雜多變，本文研究在假定其余外界條件不變的情況下進行連續(xù)施工作業(yè)，施工進尺均為1m[14]。根據(jù)工程現(xiàn)場的施工工藝現(xiàn)狀，采用原施工方案的施工效率調(diào)查結(jié)果如表1所示。由表中的結(jié)果可知，鋼筋網(wǎng)加工可以和其他工序并行，雖然影響施工成本，但是不影響施工時間，而隧洞開挖的施工效率遠大于初支施工，因此完成1.0m施工需要的時間為1.2+1.9+2.5=5.6 h。在連續(xù)作業(yè)的情況下，完成1 000m圍巖初支所需要的時間為1000×5.6/24=233.3 d。在采取纖維增強噴射混凝土支護方案時，每個施工循環(huán)可以直接省去掛鋼筋網(wǎng)的工序，同時省去鋼筋網(wǎng)的加工時間，因此完成1.0m施工需要的時間為1.9+2.5=4.4 h，在連續(xù)作業(yè)的情況下，完成1 000m圍巖初支所需要的時間為1000×4.4/24=183.3 d。由此可見，與原方案相比，施工時間可以縮短約21.4%，也就是可以節(jié)省約1/5的工期，具有十分顯著的優(yōu)勢。

表1 原方案每進尺施工效率調(diào)查結(jié)果 單位：h

3.2 經(jīng)濟性分析

為了對比兩種方案的工程經(jīng)濟性，研究中以背景工程為例，對兩種原設(shè)計中的掛網(wǎng)噴射混凝土和纖維增強噴射混凝土的初期支護造價進行計算。由于纖維增強噴射混凝土支護方案主要省去了鋼筋網(wǎng)的制作和掛網(wǎng)兩道工序，因此在人工費用和材料成本方面會有所區(qū)別，而其余各工序的變化不大，因此重點考慮隧洞開挖、掛鋼筋網(wǎng)以及噴射混凝土三大方面的工程成本[15]。在計算過程中的主要材料價格以2020年第四季度的市場平均價格為準。限于篇幅，其基礎(chǔ)價格涵蓋了該部分工程的直接和間接費用以及計劃利潤和稅金之后的綜合單價。

參照兩種不同支護方案的斷面特征和支護形式，分別進行工程量的計算和統(tǒng)計，然后結(jié)合單價計算獲取長度1 000m的工程造價，結(jié)果見表2。由計算結(jié)果可知，采用纖維增強混凝土時沒1.0m的工程造價為4 816.85元，與原方案5 108.56元的造價相比，減少了291.71元。由于上述計算沒有統(tǒng)計人工成本。鑒于纖維增強噴射混凝土省去了鋼筋網(wǎng)制作和掛網(wǎng)工序，因此節(jié)省的工程成本主要產(chǎn)生在該環(huán)節(jié)，而鋼筋網(wǎng)加工需要2人，掛鋼筋網(wǎng)需要4人，因此節(jié)省的人工費用約為2×1.0×52.33+4×1.2×52.33=355.84元。兩者合計，采用纖維增強噴射混凝土每支護1.0m可以節(jié)省工程成本291.71+355.84=647.55元，具有十分顯著的經(jīng)濟效益。

表2 支護工程造價計算結(jié)果

4 結(jié)語

纖維混凝土是近年來迅速發(fā)展的新型復合材料，雖然被廣泛應(yīng)用于建筑領(lǐng)域，但是在水工隧洞支護工程中應(yīng)用并不多。此次研究以具體工程為背景展開纖維增強混凝土在水工隧洞支護領(lǐng)域的應(yīng)用研究，結(jié)果顯示采用纖維增強噴射混凝土具有良好的支護效果和效益，對促進纖維混凝土材料在水工隧洞支護工程領(lǐng)域的應(yīng)用，降低工程施工成本具有重要作用。當然，纖維增強噴射混凝土的支護效果與混凝土配合比具有密切聯(lián)系，在今后的研究中需要在該方面進行進一步的探討，為其工程應(yīng)用提供技術(shù)層面的支持。