纖維噴射混凝土在隧道施工中的應用研究

梁世俊

（山西路橋集團 榆和高速公路有限公司，山西 晉中 030600）

0 引言

目前，濕噴混凝土工藝已應用于隧道工程的襯砌支護施工中，但其使用的普通混凝土材料仍然存在抗滲、抗裂、抗磨耗性能較差等缺點[1-2]，尤其是抗裂性能較差的特點影響了該工藝在隧道襯砌施工中的推廣。為彌補普通混凝土的以上缺點，有學者提出在其中摻入鋼纖維以改善抗裂性能并取得了一定的效果[3]。但鋼纖維價格較高，且后期容易銹蝕，研究發現若在普通混凝土中用聚丙烯纖維取代鋼纖維將有效解決以上問題[4]。

美國于20世紀70年代開始在混凝土路面中添加聚丙烯纖維，有效增加了道路的抗裂性能，延長了道路的使用壽命，此后聚丙烯纖維混凝土又在橋梁、隧道等工程進行了相關應用。我國相關研究起步較晚但發展迅速，付華[5]通過試驗發現：摻入聚丙烯纖維后，混凝土抗拉強度有一定的增加，抗壓強度無明顯變化；戴建國[6]研究表明聚丙烯纖維可以增強混凝土結構的延性，提高抗彎能力；蘇健波[7]建議在普通混凝土中，聚丙烯纖維的摻量應大于0.1%，否則相關力學性能不升反降。目前，針對聚丙烯纖維改善噴射混凝土性能的相關研究較少，對其力學性能及工程應用缺乏系統研究。

依托工程實例，采用聚丙烯纖維改善濕噴混凝土的力學性能，并對纖維噴射混凝土在隧道支護中的施工工藝、實際應用效果進行了檢驗。

1 工程概況

某新建高速公路設計樁號K32+120—K33+451處為隧道，全長1.331 km，所處位置為低山剝蝕性地貌，地勘結果表明該隧道上覆塊石土、碎石土，下伏風化嚴重的灰巖，隧道所處區域無地下水侵蝕，隧道側壁為Ⅲ、Ⅳ級圍巖，經專家評審后確定隧道支護方案為錨噴支護，隧道襯砌拱一次性成型，施工方法采用濕噴混凝土，混凝土中摻入聚丙烯纖維提高混凝土的性能。

2 原材料及配合比

2.1 聚丙烯纖維

聚丙烯纖維的相關參數見表1。

表1 聚丙烯纖維相關性能

2.2 粗骨料

選用隧道施工現場開挖出來的玄武巖碎石，粒徑≤15 mm，連續級配，級配范圍應滿足表2。

表2 粗骨料級配范圍

2.3 細骨料

采用潔凈的河砂，測定細度模數為3.1，工地現場所用河砂應潔凈無雜質，砂礫不宜過粗或過細，過粗會造成混凝土回彈率增大，過細會造成混凝土干縮形變加大，砂粒級配應滿足表3要求。

表3 細骨料級配范圍

2.4 水泥及外加劑

水泥采用425號海螺牌普通硅酸鹽水泥，速凝劑選用重慶天耀建材生產的TY-S108無堿液體速凝劑。

2.5 配合比

根據水泥強度與施工工藝，現場拌合的普通混凝土相關配合比確定為：水灰比=0.36，水泥∶石∶砂=1∶1.76∶2.06。由于濕噴混凝土中加入聚丙烯纖維后并不會發生化學反應，因此纖維對混凝土的配合比并不影響，聚丙烯纖維的摻量確定為0.9 kg/m3，現場纖維混凝土的坍落度控制在9 cm左右。

3 施工工藝

3.1 機械設備

施工機械采用普通濕噴混凝土相關機械設備，施工機械設備見表4。

表4 施工機械設備

3.2 噴射工藝

濕噴聚丙烯纖維混凝土的工藝流程見圖1。

圖1 施工流程圖

3.2.1 施工準備

噴射施工前對隧道側壁進行清洗，保證巖面清潔，同時將控制側壁襯砌厚度的量測卡尺安裝到位。噴射前對施工所用原材料質量進行抽樣檢測，確保質量滿足要求，同時注意對粗細集料進行清潔并篩分，現場施工配合比等數據應反復驗證后方可采用，現場施工機械設備也要進行相應沖洗清潔。

3.2.2 混合料拌合

各種混合料加入攪拌機干拌的先后順序沒有特別限定，遵循配合比即可。為了便于纖維在混合料中分散均勻，拌合時間應比普通混凝土的拌合時間相應延長，施工時，宜將干拌時間定為1 min，加水后濕拌時間控制在 3～4 min。

3.2.3 噴射工藝

3.2.3.1 噴射風壓的確定

噴射風壓的大小將直接決定混凝土施工時的回彈率及后期成型后的質量，應根據噴射高度提前試噴確定風壓，噴射過程應保持風壓持續穩定，應以噴頭處風壓0.1 MPa作為控制標準。

3.2.3.2 隧道內壁噴射順序及手法

隧道應分段劃片進行噴射，噴射時應先噴射側壁凹陷的地方找平，同時應遵循由下及上的順序，采用水平旋轉噴射的方式并逐漸過渡到頂面，旋轉半徑以150 mm為標準進行控制，旋轉時后圈搭接前圈的寬度約25 mm左右。

3.2.3.3 噴射角度與距離

垂直隧道側壁進行噴射，但在某些邊墻等較厚部位噴射時，可以適當向下傾斜一定角度以減少骨料反彈率。噴射距離與風壓大小有關，一般以1.5 m的距離作為控制標準。

3.2.3.4 噴射厚度及速度

噴射時保持噴頭2 s旋轉一次，噴射厚度應大于等于50 mm，厚度的測量應以噴射料不墜落時的測量厚度為準，達到相應厚度后方可移動噴頭。

3.2.3.5 風壓控制

濕噴時，將空氣壓縮機的風壓調至0.45 MPa左右為宜。

3.2.4 養護

噴射完成后應及時做好養護工作，2 h后必須灑水養護，且應持續養護不少于14 d。

4 現場試驗

4.1 回彈試驗

參照相關測定方法[8]，現場制備試樣板，以100 mm的厚度作為噴射厚度，及時測定濕噴聚丙烯纖維混凝土及未摻纖維混凝土的回彈率，測定結果如表5所示。

表5 回彈試驗結果

由表5可知，摻入纖維后，濕噴混凝土的回彈率較大幅度降低，下降了約45.65%.這是因為纖維的加入使得混合料黏聚性加大，坍落度隨之降低，回彈率降低。

4.2 強度試驗

分別制備纖維混凝土與普通混凝土板試件，其中抗壓試驗所用試件為邊長100 mm的正方體，抗折試件尺寸為 100 mm×100 mm×400 mm，試件養護28 d后分別進行抗壓與抗折試驗，試驗結果見表6。

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表6 強度試驗結果 MPa

由表6可知，混凝土的抗壓、抗折強度在摻入纖維后，均得到了一定程度的增大，其中抗壓強度增大了4.82%，抗折強度提高了8.48%.抗壓強度增大的原因是纖維加入后吸收了混凝土中一定量的水，水灰比隨之降低。抗折強度增大是因為纖維在混凝土中起到加筋增韌的作用。

對比觀察纖維混凝土與普通混凝土試件的裂紋后發現，前者裂紋明顯少于后者，表明纖維的摻入有效提高了混凝土材料的抗裂性能。

5 現場監測與分析

隧道襯砌施工完成并養護28 d后，對其進行鉆芯取樣分析。同時在隧道完成施工后對其襯砌結構自身的應力及圍巖所受應力分別進行了持續監測，監測點布設在隧道右線YK32+120—YK33+451中第2段處（每段10 m，共133段，最后一段11 m）。

5.1 鉆芯取樣檢測

隧道襯砌結構養護28 d后，每隔333 m，分別選取具有代表性的隧道斷面邊墻進行鉆芯取樣，取樣后送至室內檢測其強度，結果見表7。

表7 鉆芯取樣檢測結果 MPa

對比表7與表6檢測結果可知，施工完成后鉆芯取樣所得抗壓、抗折強度均優于施工現場試驗結果，表明施工后的隧道襯砌強度滿足設計要求，施工質量良好。

5.2 現場監測與分析

選取隧道右線YK32+120—YK33+451段中的第3段進行圍巖應力與襯砌結構應力的監測以評測聚丙烯纖維噴射混凝土襯砌結構對圍巖的擾動及自身力學性能。

5.2.1 圍巖應力

圖2表明，隧道襯砌結構施工完畢后，隨時間增長，圍巖應力逐漸增大，但其增長幅度逐漸減緩，21 d時基本趨于穩定，圍巖應力最大值為0.27 MPa，發生在右墻腰側。不同位置處的圍巖應力均較小，在可控制范圍內，表明隧道襯砌施工對圍巖擾動較少，襯砌結構與圍巖結合良好。

圖2 隧道右線YK32+120—YK33+451第3段圍巖應力曲線

5.2.2 襯砌結構應力

在隧道右線第3段的側墻腰部、邊墻與拱頂處的墻中間處分別布置振弦式應變計進行應力監測，監測結果如圖3所示。

圖3 隧道右線YK32+120—YK33+451第3段襯砌結構應力曲線

由圖3可知，隧道襯砌結構施工完畢后，隨時間增長，襯砌結構應力逐漸增大，但其增長幅度逐漸減緩，30 d時基本趨于穩定，應力最大值為0.51 MPa，發生在左墻腰側。不同襯砌位置的應力均較小，表明該隧道襯砌結構安全可靠。

5.3 長期監測與評價

隧道施工完成后，在其通車的幾年時間里對其進行了持續觀測，觀測發現采用聚丙烯纖維混凝土濕噴隧道襯砌結構后，無裂縫及滲水現象產生，具有良好的抗裂與抗滲性能。

6 經濟效益分析

對比分析隧道襯砌結構中濕噴普通混凝土與纖維混凝土的成本如表8所示。

表8 成本對比 元/m3

由表8可知，普通混凝土計入回彈損失每立方米的成本總費用為974元，纖維混凝土計入回彈損失每立方米的成本總費用為943元。綜合比較，纖維噴射混凝土的經濟效益優于普通噴射混凝土。

7 結語

依托工程實例，對加入聚丙烯纖維的濕噴混凝土的施工過程和實際應用效果進行檢驗，得出以下幾點結論：

a）摻入纖維后，濕噴混凝土回彈率大幅度降低，下降約45.65%.

b）摻入纖維后，混凝土抗壓、抗折強度均得到了一定程度的增大，其中抗壓強度增大了4.82%，抗折強度提高了8.48%.

c）工程應用表明：隧道一次性成型襯砌拱在采用聚丙烯纖維噴射混凝土后，對周圍圍巖擾動較少，襯砌結構安全可靠。

d）計入回彈損失成本后，纖維噴射混凝土的經濟效益優于普通噴射混凝土。