鋼纖維混凝土在隧道斜井單層襯砌支護結構中的應用研究

李逢源

（山西路橋第七工程有限公司，山西 晉城 048000）

0 引言

由于普通混凝土為脆性材料，其抗拉強度相對較小，在拉應力、剪應力作用下極易產生變形、裂縫及脆性破壞，使其在工程應用方面受到一定的局限性。近年來，隨著新材料、新工藝的不斷發展，鋼纖維混凝土應運而生，由于鋼纖維具有較好的表面性能，且抗拉性能優良，極大提高了混凝土的抗拉、抗剪、抗彎等方面的能力，使得傳統脆性材料變為抗變形能力較強的新型材料。

隨著國家高速公路網的不斷完善，高速公路逐步向崇山峻嶺邁進，其地質條件、氣象、地形等因素更加復雜，對隧道支護結構的抗壓、抗拉、耐久性、韌性等提出了更高的要求。目前鋼纖維混凝土在隧道工程支護結構中逐步推廣應用[1-3]。國內外學者們也針對鋼纖維混凝土開展了大量研究工作，如王道遠[4]結合工程案例研究了鋼纖維混凝土在穿越斷層破碎帶隧道中的應用，對不同參數條件下隧道襯砌的抗錯斷能力進行了全面評價，提出了新型纖維混凝土隧道襯砌抗錯斷技術；王建偉[5]利用現場試驗、室內試驗研究了噴射鋼纖維混凝土的配合比設計及施工工藝，為鋼纖維混凝土技術的推廣提供技術支撐；崔光耀[6]分別從靜力學、動力學角度研究了纖維混凝土隧道襯砌結構的力學特性，并分析了纖維尺寸、摻量、類型等參數對其性能的影響；周平[7]利用模型試驗手段研究了鋼纖維混凝土單層隧道襯砌的力學特性，并分別研究了考慮及不考慮層間效應的應力分布特征。本文在上述研究的基礎上，結合典型工程案例，研究鋼纖維混凝土的基本特性，并深入分析鋼纖維混凝土隧道襯砌的支護效果。研究成果可為鋼纖維混凝土隧道設計、施工及運營養護提供技術支撐。

1 工程概況

和榆高速云山隧道為雙向四車道分離式隧道，其左右洞長度分別為11 408 m、11 377 m，最大埋深為742.67 m，附屬設施為4處斜井。隧址區位于太行山脈中南部，地形復雜，溝壑縱橫，進出口相對高差達855.4 m。氣象條件為溫帶季風氣候，四季分明，年平均氣溫為7.9℃。在地質條件方面，云山隧道穿越地層單元較多，主要由元古界、古生界及新生界組成，出露地層由老到新包括元古界長城系中統上亳州溝組，古生界寒武系中統毛莊組、徐莊組、張夏組，奧陶系下統冶里組、亮甲山組，新生界第四系松散巖類堆積物。巖性以灰巖、泥巖為主，隧道進出口位置圍巖極為破碎，且局部分布有大小不一的巖溶，導致隧道支護結構受力特性復雜，施工難度較大。根據該隧道的設計文件，其1號豎井、3號斜井采用“鋼纖維噴射混凝土+系統錨桿”形成單層襯砌結構，代替傳統的復合式襯砌結構型式，從而提高隧道支護結構承載力，提高施工效率。

2 鋼纖維混凝土基本性能研究

2.1 試驗方案

為對比分析普通混凝土和鋼纖維混凝土的性能差異，本文采用室內試驗對其抗拉強度、抗壓強度、早期強度等參數進行了測試。首先，在試驗材料方面，鋼纖維采用剪切波浪型纖維，其長度為30 mm，直徑為0.5 mm，其抗拉強度為375 MPa，其具體情況如圖1所示。

圖1 剪切波浪型鋼纖維

為保證水泥與鋼纖維的相互作用效果，該試驗采用42.5號普通硅酸鹽水泥，摻入無堿速凝劑將砂漿初凝時間控制在3 min左右，終凝時間控制在5 min左右，保證水泥砂漿具有較好的和易性。粗骨料采用機制瓜米石，其最大粒徑控制在10 mm以內，表觀密度不小于2 580 kg/m3，壓碎指標為7.5%，其中細顆粒含量不大于25%.細骨料采用機制砂、河砂按質量比1∶0.75進行調配，從而保證細骨料具有較好級配。為改善鋼纖維混凝土的孔隙結構、提高其早期強度、增加耐腐蝕性，該試驗在混凝土中加入適量的微硅粉，其平均粒徑為0.1 μm，二氧化硅含量應大于85%，含水量小于2%，比表面積大于21 000 m2/kg。

試件采用現場噴射法進行制作，首先用木板制作出長寬分別為60 cm、12 cm的模具，將其靠墻呈45°斜放，用鋼纖維混凝土從下而上逐步噴滿模具；其次在溫度為20℃、濕度為80%的環境中養護7 d，再進行脫模，并切割成邊長為10 cm的立方體，繼續養護至28 d齡期，取出試樣后備用。試驗設備采用SYE-2000型壓力試驗機，其最大加載力為2 000 kN，加載速度可控制在0.3 MPa/s左右。養護完成后的試樣及其強度試驗分別如圖2和圖3所示。

圖2 養護完成后的試樣

圖3 混凝土試塊強度試驗

2.2 抗拉壓強度結果分析

采用上述試驗方案，對普通混凝土及鋼纖維混凝土試樣分別進行14 d、28 d條件下的抗拉及抗壓強度測試，所得試驗結果如表1所示。

表1 普通混凝土及鋼纖維混凝土抗拉及抗壓強度試驗結果 MPa

從表1中可以看出，鋼纖維混凝土抗壓強度明顯大于普通混凝土抗壓強度，其28 d齡期的最大值為45.20 MPa，較普通混凝土同期抗壓強度最大值36.09 MPa的增幅達25.2%；同時，鋼纖維混凝土抗拉強度也明顯大于普通混凝土抗拉強度，其28 d齡期的最大值為5.24 MPa，較普通混凝土同期抗拉強度最大值2.43 MPa的增幅達115.6%.結合試樣的破壞形式可以看出，鋼纖維混凝土在整個加載過程中未出現碎裂、錯斷等現象，僅出現了局部微裂縫及表面剝落現象，并保持了原有整體形狀。可見，摻入鋼纖維極大地增加了混凝土的抗拉強度，延緩了混凝土結構破壞速度，將原有的脆性破壞轉變為柔性破壞，極大地提高了混凝土的使用性能。

2.3 早期強度結果分析

采用上述試驗方案，對普通混凝土及鋼纖維混凝土試樣分別進行 2 h、4 h、8 h、12 h、1 d、3 d 條件下的抗壓強度測試，所得試驗結果如表2所示。

表2 普通混凝土及鋼纖維混凝土早期抗壓強度試驗結果 MPa

從表2中可以看出，在上述不同齡期中，鋼纖維混凝土早期強度明顯大于普通混凝土強度；當齡期分別為 2 h、4 h、8 h、12 h、1 d、3 d 時，鋼纖維混凝土抗壓強度較普通混凝土強度的增幅分別為78%、115%、83%、119%、75%、39%，且鋼纖維混凝土在齡期為1 d時強度已達到17.83 MPa，完全滿足相關規范[8]關于噴射混凝土早期強度不小于5.0 MPa的規定。可見，鋼纖維混凝土具有較高的早期強度，對于隧道工程而言，可大幅提高初期支護結構的剛度，提高其抗變形能力。

3 鋼纖維混凝土隧道襯砌支護效果研究

3.1 數值模型的建立

以云山隧道3號斜井為依托工程，研究普通混凝土（工況1）和鋼纖維混凝土（工況2）兩種工況下隧道襯砌結構的支護效果。本文采用數值模擬手段建立二維分析模型，該隧道斜井最大開挖寬度為11.5 m，高度為7.0 m，為消除隧道模型邊界效應對試驗結果的影響，該模型在水平、豎直方向分別取3倍的隧道洞徑及凈高，并在模型左右兩側施加水平向約束、底部施加豎向約束、模型頂部未施加約束。在單元體選擇方面，利用Beam3單元模擬噴射混凝土形成的襯砌結構，用Plane82單元模擬圍巖體，用Link1單元模擬隧道系統錨桿，所建立的細部網格劃分情況如圖4所示。

圖4 隧道斜井模型細部網格劃分圖

3.2 數值模擬結果分析

利用上述二維數值模型對兩種工況下隧道襯砌支護效果進行模擬分析，得出兩種工況下隧道圍巖的最大主應力及塑性區分布結果，具體情況如圖5～圖8所示。

圖5 工況1最大主應力分布圖

從圖5、圖6可以看出，普通混凝土和鋼纖維混凝土兩種工況下隧道最大主應力分布規律基本相同，主要分布在拱頂、邊墻及仰拱部位，但工況2較工況1的最大主應力分布范圍明顯減小。工況1的最大主應力為20.5 MPa，而工況2的最大主應力為13.5 MPa，減小幅度達34.1%，且工況2的最大主應力遠小于鋼纖維混凝土的極限抗壓強度，整體結構安全性較好。

圖6 工況2最大主應力分布圖

從圖7、圖8中可以看出，兩種工況下圍巖塑性區的分布規律基本相同，主要分布在兩側邊墻及拱腳處，工況1隧道兩側邊墻部位圍巖塑性區分布范圍較大，且從邊墻往下至拱腳部位呈逐漸增大趨勢，而工況2兩側邊墻部位塑性區明顯減小，僅兩側拱腳處存在塑性區。可見，鋼纖維噴射混凝土在單層隧道襯砌中與錨桿共同作用，大幅度減小了圍巖塑性區分布范圍，有效改善了隧道支護結構的受力狀態，提高了隧道斜井支護結構的整體穩定性。

圖7 工況1圍巖塑性區分布圖

圖8 工況2圍巖塑性區分布圖

4 結語

a）鋼纖維混凝土在抗拉及抗壓試驗加載過程中未出現碎裂、錯斷等現象，僅出現了局部微裂縫及表面剝落現象，說明摻入鋼纖維極大地增加了混凝土的抗拉強度，延緩了混凝土結構破壞速度，將原有的脆性破壞轉變為柔性破壞。

b）鋼纖維混凝土早期強度較大，齡期為1 d時的強度已滿足相關規范關于噴射混凝土早期強度的要求，應用于隧道工程中可大幅提高初期支護結構的剛度，提高其抗變形能力。

c）隧道斜井單層襯砌結構采用鋼纖維混凝土后，其最大主應力及圍巖塑性區大幅減小，說明在單層隧道襯砌中鋼纖維混凝土與錨桿共同作用時，可有效改善隧道支護結構的受力狀態，提高了隧道斜井支護結構的整體穩定性。