利用纖維增強(qiáng)噴射混凝土對隧道進(jìn)行初步襯砌

楊國利

(廣東華迪工程管理有限公司，廣東 廣州 510080)

在國際上，如果巖土工程和其他項(xiàng)目條件允許，使用纖維增強(qiáng)噴射混凝土襯砌隧道已成為普遍做法[1]。理想情況下，結(jié)構(gòu)纖維鋼筋旨在取代由格構(gòu)梁、網(wǎng)格或鋼筋組成的傳統(tǒng)鋼筋，從而實(shí)現(xiàn)更簡單、更快和整體更高效的施工[2]。

該項(xiàng)目基于某隧道工程施工范圍長約1.4 km，隧道左線長830 m，隧道右線860 m，為分離式中隧道。在施工準(zhǔn)備階段應(yīng)考慮在隧道項(xiàng)目中使用纖維增強(qiáng)噴射混凝土的兩個(gè)關(guān)鍵因素：第一，非常有利的地面條件。第二，項(xiàng)目交付是根據(jù)合同條件簽訂的，允許承包商在一定程度上更改設(shè)計(jì)和規(guī)范[3]。總的來說，目的是減少建筑、成本和提高方案效率。雙管隧道按照新奧法原則開挖，采用水平開挖和襯砌順序(頂部導(dǎo)坑、臺(tái)階和仰拱)。切割和覆蓋部分不僅位于隧道的兩頭區(qū)域，而且位于施工坑的中點(diǎn)。隧道大部分開挖在覆蓋層較高的相對堅(jiān)硬的地面上(部分地區(qū)接近120 m)。在這些巖土條件下，主要襯砌的薄噴射混凝土層尤其具有安全功能[4]。隧道沿線區(qū)域由復(fù)理石系列黏土巖、砂巖和礫巖層組成，巖體受到褶皺和構(gòu)造的影響[5]。為了設(shè)計(jì)目的，沿隧道路線定義了幾種典型的開挖條件(巖體強(qiáng)度、不連續(xù)性、滲透性等)。為了進(jìn)一步分析采空區(qū)，在工程地質(zhì)調(diào)查框架內(nèi)，將巖體劃分為四個(gè)準(zhǔn)均質(zhì)塊體(M1、M2、M3和最差的M4)。

1 研究方法

1.1 內(nèi)力計(jì)算

為評(píng)估所考慮的主要襯砌結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可行性，進(jìn)行了數(shù)值分析。利用有限元軟件Plaxis 2D計(jì)算了主襯砌的內(nèi)力[6]。襯砌結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的內(nèi)力主要取決于巖土條件(覆蓋層高度、巖體性質(zhì))和主要襯砌的剛度(厚度、彈性模量和錨桿)[7]。

1.2 檢查橫截面

對于開挖，設(shè)計(jì)了8種支護(hù)等級(jí)(ESC 4.1、4.2、5.1、5.2、6.1、6.2、6.3和MP1)。各等級(jí)之間的差異包括主要襯砌的厚度、鋼筋網(wǎng)層數(shù)、錨桿的數(shù)量和長度、推進(jìn)長度、工作場所之間的最大距離(頂部導(dǎo)坑、臺(tái)階和仰拱)以及仰拱的鋼筋類型。

對隧道三個(gè)橫截面的三種開挖支護(hù)等級(jí)的纖維增強(qiáng)混凝土襯砌進(jìn)行了評(píng)估。計(jì)算了4級(jí)支撐的最大內(nèi)力值。ESC 4.2、5.1和6.2具有不同厚度的一次襯砌(150 mm、200 mm和250 mm)。對于每個(gè)檢查的橫截面，創(chuàng)建了一個(gè)具有不同輸入?yún)?shù)的計(jì)算模型如圖1。

圖1 纖維增強(qiáng)噴射混凝土截面的位置和基本參數(shù)

1.3 荷載工況

計(jì)算荷載工況代表施工過程的主要步驟如圖2。在進(jìn)行的計(jì)算中，還考慮了地面的松弛效應(yīng)。地面松弛表示巖體行為的三維效應(yīng)(松弛值取決于推進(jìn)長度、開挖剖面尺寸、巖土條件和其他因素)。

圖2 開挖支護(hù)過程的荷載工況

1.4 主襯砌中的內(nèi)力計(jì)算

一次襯砌的法向力和彎矩值用作進(jìn)一步評(píng)估襯砌性能的基本參數(shù)。圖3顯示了三個(gè)橫截面在檢查荷載工況下的最大襯砌應(yīng)力值結(jié)果。

圖3 特定荷載工況下主襯砌的計(jì)算內(nèi)力(LC)

檢查的開挖支護(hù)類別中的整個(gè)主要襯砌承受壓縮荷載。襯砌的大部分部分也承受彎曲載荷，但其值相對較低(尤其是ESC4.2和ESC5.1)。這些結(jié)果對于類似地質(zhì)條件下的隧道施工(覆蓋層高的硬巖)來說是相對合理的。計(jì)算出的內(nèi)力組合適用于纖維增強(qiáng)噴射混凝土襯砌的設(shè)計(jì)，與使用鋼筋網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)解決方案相比，纖維增強(qiáng)噴射混凝土襯砌的承載能力有限。

2 結(jié)果分析

2.1 纖維增強(qiáng)一次襯砌的承載能力評(píng)估

為了進(jìn)行比較，執(zhí)行了以下步驟：首先，計(jì)算帶鋼筋網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)加固一次襯砌的承載能力(圖4a)。其次，確定了無纖維正面影響的素混凝土的承載能力(圖4b)，最后一步根據(jù)國際指南考慮了纖維的影響(圖4c)。在試驗(yàn)中，首先根據(jù)國際混凝土聯(lián)合會(huì)(fib)[8]修訂的《fib混凝土結(jié)構(gòu)模型規(guī)范2010》(以下簡稱模型規(guī)范2010)(本文中給出的結(jié)果)評(píng)估纖維增強(qiáng)噴射混凝土主要襯砌的承載能力，并使用國家標(biāo)準(zhǔn)《結(jié)構(gòu)用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料拉擠型材》(GB/T 31539—2015)[9]計(jì)算承載力進(jìn)行額外的獨(dú)立檢查，該標(biāo)準(zhǔn)是由清華大學(xué)、北京玻鋼院復(fù)合材料有限公司、中冶建筑研究總院有限公司等代表性企業(yè)根據(jù)國內(nèi)實(shí)際生產(chǎn)水平參考美國、歐洲、日本等發(fā)達(dá)國家已有產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)(模型規(guī)范2010)所編制的，對國際標(biāo)準(zhǔn)有一定的補(bǔ)充和改進(jìn)。這兩次評(píng)估之間的主要區(qū)別在于確定纖維增強(qiáng)混凝土殘余抗拉強(qiáng)度的方法。

圖4 承載能力計(jì)算原則

2.2 無纖維正面影響的承載能力

第二次計(jì)算的目的是確定評(píng)估纖維對整體彎曲強(qiáng)度影響的基線。無纖維正面影響的承載力計(jì)算類似于鋼筋混凝土的標(biāo)準(zhǔn)情況，但僅在鋼筋中無壓縮力和拉力，見圖4(a)和4(b)。根據(jù)指定混凝土的強(qiáng)度等級(jí)確定抗壓強(qiáng)度(纖維對抗壓強(qiáng)度無顯著影響)。

建議的纖維增強(qiáng)噴射混凝土襯砌滿足4級(jí)開挖支護(hù)的承載能力條件，且不受纖維的影響。荷載超過未加筋情況下的承載力交互圖如圖5。

圖5 無纖維正面影響的承載能力評(píng)估(ESC 6.2)

2.3 纖維正效應(yīng)的承載能力

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型規(guī)范2010和國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 31539—2015，對纖維的積極影響進(jìn)行承載能力評(píng)估。在這兩種情況下，執(zhí)行的計(jì)算得出了類似的結(jié)果。

在混凝土混合物中添加纖維會(huì)影響最終產(chǎn)品的機(jī)械性能。纖維增強(qiáng)噴射混凝土是一種具有殘余抗拉強(qiáng)度的復(fù)合材料(其值取決于纖維類型、用量、水泥基體和離散纖維的內(nèi)聚力等)。規(guī)定的纖維增強(qiáng)一次襯砌，剩余彎曲拉伸強(qiáng)度為1.5 MPa滿足承載能力條件如圖6。

圖6 纖維積極作用下的承載能力評(píng)估(ESC 6.2)

2.4 纖維增強(qiáng)噴射混凝土試樣的彎曲拉伸強(qiáng)度和韌性

纖維增強(qiáng)噴射混凝土的力學(xué)性能可通過荷載試驗(yàn)確定。除了普通混凝土試驗(yàn)外，還可以對纖維增強(qiáng)噴射混凝土樣品進(jìn)行試驗(yàn)，以測定能量吸收(在面板上)和彎曲拉伸強(qiáng)度(在梁上)。第一組面板試驗(yàn)實(shí)際上模擬了由不穩(wěn)定巖塊加載的錨桿之間的主要襯砌區(qū)域。第二組梁試驗(yàn)是國家規(guī)范的典型試驗(yàn)。

圖7顯示了根據(jù)隧道項(xiàng)目進(jìn)行的三點(diǎn)荷載試驗(yàn)的結(jié)果。在地下建筑中，常用纖維量為25～45 kg/m3鋼纖維或4～6 kg/m3結(jié)構(gòu)塑料粗纖維。

圖7 三點(diǎn)荷載試驗(yàn)結(jié)果(彎曲抗拉強(qiáng)度與裂縫開口)

除了評(píng)估承載能力外，還需要評(píng)估纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的韌性如表1。假設(shè)韌性檢查相當(dāng)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的規(guī)范最小配筋檢查。韌性評(píng)估也根據(jù)模型2010的公式(1)和公式(2)進(jìn)行。

表1 纖維增強(qiáng)噴射混凝土試樣韌性的評(píng)定 MPa

(1)

(2)

式中：fR1為裂縫開口為0.5 mm時(shí)的抗拉強(qiáng)度,MPa；fR3為縫開口為2.5 mm時(shí)的抗拉強(qiáng)度,MPa；fLK為最大抗拉強(qiáng)度,MPa。

2.5 節(jié)省時(shí)間

進(jìn)行的計(jì)算證明，在所有開挖支護(hù)等級(jí)(150 mm、200 mm和250 mm)中，纖維增強(qiáng)噴射混凝土一次襯砌的設(shè)計(jì)厚度與標(biāo)準(zhǔn)溶液的厚度相同是可能的。在這些結(jié)果的基礎(chǔ)上，我們可以比較兩種解決方案在節(jié)省操作時(shí)間方面的差異。表2和表3顯示了操作的平均時(shí)間。在計(jì)算中，噴射普通混凝土和纖維增強(qiáng)噴射混凝土的時(shí)間相同。

表2 標(biāo)準(zhǔn)解決方案，新奧法作業(yè)的平均時(shí)間和隧道掘進(jìn)的推進(jìn)速度

表3 替代解決方案(FRSC)，新奧法作業(yè)的平均時(shí)間和隧道掘進(jìn)的推進(jìn)速度

3 結(jié) 論

(1)研究了地下隧道施工中使用纖維增強(qiáng)噴射混凝土的時(shí)間和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。根據(jù)內(nèi)力計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在這種特定情況下，使用纖維增強(qiáng)噴射混凝土方案更有效。纖維增強(qiáng)噴射混凝土的主要優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省大量時(shí)間(約16%)和降低生產(chǎn)成本(超過6%)。

(2)施工更安全，工人不必在無支撐的地面下安裝鋼絲網(wǎng)和格構(gòu)梁。

(3)適用于復(fù)雜形狀(橫通道和隧道交叉口)，節(jié)約建筑材料的同時(shí)擁有較高的施工質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)更簡單、更快和整體更高效的施工。另一方面，在某些情況下，沒有鋼絲網(wǎng)和格構(gòu)梁的主要襯砌可能不合適，如在不利地質(zhì)條件下，混凝土中添加纖維不能完全替代鋼絲網(wǎng)的作用(在這種情況下，混凝土中添加纖維對主要襯砌承載力的影響計(jì)算約為5%)。所以對某一個(gè)具體的項(xiàng)目進(jìn)行工程地質(zhì)條件研究是必要，影響工程質(zhì)量同樣重要的是材料的可用性、使用新技術(shù)的技術(shù)人員和工人的經(jīng)驗(yàn)、項(xiàng)目業(yè)主對創(chuàng)新解決方案的態(tài)度等，只有綜合以上情況，才能使工程質(zhì)量達(dá)到國家規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。