鋼纖維噴射混凝土在隧道初期支護中的應用
發布時間：2010-01-14 共1頁
摘 要：結合槎路隧道工程實例，介紹在隧道襯砌施工中噴射鋼纖維混凝土過程中對鋼纖維的技術要求和具體的施工工藝以及所具有的經濟效益。
關鍵詞：鋼纖維；韌性；干噴；體積率
1 引言
鋼纖維混凝土是由水泥、水、中粗砂、骨料、鋼纖維及必要時摻入外加劑或摻和料按一定比例配制而成。鋼纖維混凝土具有良好的綜合力學性能，鋼纖維的加入可提高混凝土的強度、韌性及抗裂性，使混凝土的特性由脆性向彈塑性過渡，是目前國內外比較先進的外摻料。鋼纖維按材質分為普通碳素鋼和不銹鋼兩種類型，一般多用普通碳素鋼鋼纖維。鋼纖維混凝土自1963年進入實用化階段以來，在高層建筑、公路路面和橋面機場等工程中得到廣泛的應用，不僅提高了結構的使用壽命，而且節約了量投資。但其在隧道襯砌方面的應用卻不多。本文結合黎南復線槎路隧道的施工工藝，對鋼纖維混凝土在隧道襯砌方面的應用進行研究介紹。
2 工程概況
黎南復線槎路隧道位于廣西壯族自治區南寧市南郊區，隧道起訖里程為DK2+070～DK44-290，全長2 220m.該隧道屬于淺埋暗挖隧道，部分埋深在5～10m 左右，且要穿越超過400m 的公路及房屋建筑。地質為膨脹泥巖、粉砂質泥巖，圓礫土及煤層等；地下水豐富，開挖過程中涌水量較，且具有溶出型侵蝕性和腐蝕性，施工難度較。根據工程地質情況及相關要求，在施工時，全隧采用“新奧法”施工工藝，暗洞段采用復合襯砌和復合加強襯砌兩種方法。在穿越公路、樓房等建筑物段采用復合加強襯砌，即在初期支護中噴射鋼纖維混凝土。
3 噴射鋼纖維混凝土
3.1 對鋼纖維的基本要求
為了達到最佳施工質量及相關要求，在進行噴射鋼纖維混凝土施工時，對鋼纖維的幾何參數及體積率都有具體的要求。
3.1.1 鋼纖維的幾何參數
鋼纖維混凝土的增強效果與鋼纖維的長度、直徑、長徑比有關。鋼纖維增強作用隨長徑比增而提高。鋼纖維長度太短起不到增強作用，太長施工困難，影響拌和質量，直徑過細在拌和時易彎折，過粗則在同體積率時，其增強效果差。試驗表明，鋼纖維長度在15～ 60mm、直徑或等效直徑在0.3～1.2mm、長徑比在30～100的范圍內選用，其增強效果和施工性能可滿足要求。不同的鋼纖維混凝土結構中選用的鋼纖維不同。
3.1.2 鋼纖維的體積率選用范圍
鋼纖維混凝土中鋼纖維的體積率過小，其增強作用較差，國內外一般以0.5%為最小體積率。鋼纖維體積率超過2 時，拌和物的和易性變差，施工困難，質量難以保證。確定鋼纖維摻入量時根據鋼纖維的性能、混凝土結構對增強效果的要求及經濟合理的原則選定。結構對增強要求低時可選用低值，結構對增強要求較高時可選用高值。
3.2 配合比設計及要求
槎路隧道因噴射鋼纖維混凝土地段相對分散，同時受機具設備和開挖方法的限制，在施工時均采用干噴法施工。在此就干噴法施工的主要問題進行論述。
3.2.1 配合比設計槎路隧道初期支護混凝土設計強度為C20混凝土，其理論配合比為：42.5MPa普通硅酸鹽水泥，400kg；中粗砂（河道中），835kg；粗骨料（河卵石）5～ 15mm，835kg；耐腐蝕劑，32kg；鋼纖維，80kg.
3.2.2 有關要求
（1）鋼纖維參數及摻量：根據采用的噴射機型號，本隧道選用鋼纖維類型為ZH一06凸痕型，長度為20mm，等效直徑0.4mm，長徑比為50，鋼纖維體積率為1% ，約每立方混凝土8Okg.
（2）水泥：鋼纖維混凝土中常用強度等級為42.5MPa或52.5MPa的普通硅酸鹽水泥，鋼纖維混凝土中水泥用量較，一般為36O～450kg/m.
（3）細骨料：采用硬質、潔凈的中砂為宜，細度模數Mk =2.5～3.3.據經驗，天然含水率在5%～7%為宜。
（4）粗骨料：天然河卵石或質地堅硬的人工碎石均可，平均粒徑在5-15mm 為宜。
（5）水：只要不含影響水泥正常凝結硬化及對纖維和基體有腐蝕作用（pH< 4的酸性水和含硫量（按SO3計）超過水量的1% ）的有害物質的水均可。
（6）外加劑：槎路隧道整體處于膨脹泥巖和粉砂質泥巖中，泥巖中的水具有侵蝕性和腐蝕性，需加6% ～8% 的耐腐蝕劑。隧道開挖中滲水較時，為盡快提高混凝土的早期強度，一般按2 %～4%的摻量加入速凝劑。在滲水量不時，為避免混凝土的后期強度損失過，速凝劑盡可能少加或不加。
3.3 噴射鋼纖維混凝土施工
3.3.1 工藝流程
3.3.2 關鍵技術
（1）混凝土拌制、存放和運輸。鋼纖維在拌和料中的分布均勻性，不僅與原材料和攪拌工藝有關，而且受攪拌機械和投料方法影響更。試驗表明：采用強制攪拌機比自落式攪拌機效果好。本隧道施工中因受機械設備影響而采用自落式攪拌機。投料時采用先投水泥、砂和碎石，在拌和過程中分散加入鋼纖維的方法進行拌和，拌和時間不少于2min.
鋼纖維混凝土施工時，噴錨料應盡量隨拌隨用，摻入速凝劑時存放時間不得超過20min，不摻入速凝劑時干混合料存放時間不超過2h，否則被視為廢料，不可再行使用。在運輸和存放過程中不得淋雨、流入水或混合雜物。
（2）噴射作業。混合料通過膠管長距離的高速輸送，在噴頭處已稍有分離，水在距受噴面lm 左右處加入，噴射應根據其當前標定的給水速度調整水閥，按混凝土配合比設計確定的水灰比供水。噴射混凝土時，噴槍要垂直正對工作面，連續平穩地自下而上水平橫向移動，噴頭一圈壓半圈的旋轉噴射。
在施工時還應注意風壓對噴射鋼纖維混凝土的影響。在混合料輸送時，采用適當的風壓是鋼纖維均勻分布、減少回彈損失的主要條件。風壓太鋼纖維的分布就不均勻。試驗表明，鋼纖維混凝土噴射堆中心的鋼纖維含量為噴堆周邊的85.3% ，這種現象產生的主要原因是由于料流噴出后，分布在料束外緣的鋼纖維在接近受噴面前被橫向氣流吹至周圍（其中部分鋼纖維落地，部分鋼纖維滯留在噴堆周邊），因此，降低風壓則橫向氣流的壓力和流速也會降低，這樣不僅會減少鋼纖維的回彈損失，也會改善鋼纖維分布的不均勻性。一般混合料輸送距離在100m以內時，噴射風壓控制在0.15～0.2MPa為宜。
（3）養護。混凝土施工質量的好壞，受養護的影響相當明顯。因此在混凝土噴射完畢后要及時灑水或噴水霧養護。避免因養護不及時而導致噴射鋼纖維混凝土的質量不合格。
4 取得的經濟效益
槎路隧道噴射鋼纖維混凝土段總長605m，它的使用對降低工程成本、提高工程質量和加快施工進度起著積極的作用，并有良好的經濟效益。體現在以下方面：
（1）減少混凝土的用量及開挖土石方量。噴射鋼纖維}昆凝土取消了素噴混凝土中的預留沉降量（15cm），使隧道斷面開挖土方量每米減少1.9m3，合計1 150m……二次襯砌混凝土減少了復合預留變形到位的數量（平均厚度7cm），節約了二次襯砌混凝土890m……采用噴射鋼纖維混凝土進行支護補強，減少了素噴混凝土一半的厚度，因而降低了工程成本。
（2）鋼材用量減少。噴射鋼纖維混凝土可代替“新奧法”中傳統的網噴支護，即可取消鋼筋網片，減少了施工工序，加快了施工進度，本隧道共節約鋼筋網片39.13t.
（3）干噴集料回彈率比素噴少。在干噴（水在噴頭處加入）實施過程中，通過試驗，素噴混凝土集料回彈率平均在25 左右，而干噴混凝土由于鋼纖維的成網和聯結作用，回彈率平均只有14％左右。
5 結束語
槎路隧道在復合加強襯砌段初期支護采用噴射鋼纖維混凝土取得了良好效果。實踐表明，鋼纖維應用廣泛，不僅在初期支護中應用，在二次襯砌中及其它的地下工程防護、公路路面、水利工程、房屋工程及局部受壓構件等均可使用鋼纖維混凝土增強，并能提高效益。
關鍵詞：鋼纖維；韌性；干噴；體積率
1 引言
鋼纖維混凝土是由水泥、水、中粗砂、骨料、鋼纖維及必要時摻入外加劑或摻和料按一定比例配制而成。鋼纖維混凝土具有良好的綜合力學性能，鋼纖維的加入可提高混凝土的強度、韌性及抗裂性，使混凝土的特性由脆性向彈塑性過渡，是目前國內外比較先進的外摻料。鋼纖維按材質分為普通碳素鋼和不銹鋼兩種類型，一般多用普通碳素鋼鋼纖維。鋼纖維混凝土自1963年進入實用化階段以來，在高層建筑、公路路面和橋面機場等工程中得到廣泛的應用，不僅提高了結構的使用壽命，而且節約了量投資。但其在隧道襯砌方面的應用卻不多。本文結合黎南復線槎路隧道的施工工藝，對鋼纖維混凝土在隧道襯砌方面的應用進行研究介紹。
2 工程概況
黎南復線槎路隧道位于廣西壯族自治區南寧市南郊區，隧道起訖里程為DK2+070～DK44-290，全長2 220m.該隧道屬于淺埋暗挖隧道，部分埋深在5～10m 左右，且要穿越超過400m 的公路及房屋建筑。地質為膨脹泥巖、粉砂質泥巖，圓礫土及煤層等；地下水豐富，開挖過程中涌水量較，且具有溶出型侵蝕性和腐蝕性，施工難度較。根據工程地質情況及相關要求，在施工時，全隧采用“新奧法”施工工藝，暗洞段采用復合襯砌和復合加強襯砌兩種方法。在穿越公路、樓房等建筑物段采用復合加強襯砌，即在初期支護中噴射鋼纖維混凝土。
3 噴射鋼纖維混凝土
3.1 對鋼纖維的基本要求
為了達到最佳施工質量及相關要求，在進行噴射鋼纖維混凝土施工時，對鋼纖維的幾何參數及體積率都有具體的要求。
3.1.1 鋼纖維的幾何參數
鋼纖維混凝土的增強效果與鋼纖維的長度、直徑、長徑比有關。鋼纖維增強作用隨長徑比增而提高。鋼纖維長度太短起不到增強作用，太長施工困難，影響拌和質量，直徑過細在拌和時易彎折，過粗則在同體積率時，其增強效果差。試驗表明，鋼纖維長度在15～ 60mm、直徑或等效直徑在0.3～1.2mm、長徑比在30～100的范圍內選用，其增強效果和施工性能可滿足要求。不同的鋼纖維混凝土結構中選用的鋼纖維不同。
3.1.2 鋼纖維的體積率選用范圍
鋼纖維混凝土中鋼纖維的體積率過小，其增強作用較差，國內外一般以0.5%為最小體積率。鋼纖維體積率超過2 時，拌和物的和易性變差，施工困難，質量難以保證。確定鋼纖維摻入量時根據鋼纖維的性能、混凝土結構對增強效果的要求及經濟合理的原則選定。結構對增強要求低時可選用低值，結構對增強要求較高時可選用高值。
3.2 配合比設計及要求
槎路隧道因噴射鋼纖維混凝土地段相對分散，同時受機具設備和開挖方法的限制，在施工時均采用干噴法施工。在此就干噴法施工的主要問題進行論述。
3.2.1 配合比設計槎路隧道初期支護混凝土設計強度為C20混凝土，其理論配合比為：42.5MPa普通硅酸鹽水泥，400kg；中粗砂（河道中），835kg；粗骨料（河卵石）5～ 15mm，835kg；耐腐蝕劑，32kg；鋼纖維，80kg.
3.2.2 有關要求
（1）鋼纖維參數及摻量：根據采用的噴射機型號，本隧道選用鋼纖維類型為ZH一06凸痕型，長度為20mm，等效直徑0.4mm，長徑比為50，鋼纖維體積率為1% ，約每立方混凝土8Okg.
（2）水泥：鋼纖維混凝土中常用強度等級為42.5MPa或52.5MPa的普通硅酸鹽水泥，鋼纖維混凝土中水泥用量較，一般為36O～450kg/m.
（3）細骨料：采用硬質、潔凈的中砂為宜，細度模數Mk =2.5～3.3.據經驗，天然含水率在5%～7%為宜。
（4）粗骨料：天然河卵石或質地堅硬的人工碎石均可，平均粒徑在5-15mm 為宜。
（5）水：只要不含影響水泥正常凝結硬化及對纖維和基體有腐蝕作用（pH< 4的酸性水和含硫量（按SO3計）超過水量的1% ）的有害物質的水均可。
（6）外加劑：槎路隧道整體處于膨脹泥巖和粉砂質泥巖中，泥巖中的水具有侵蝕性和腐蝕性，需加6% ～8% 的耐腐蝕劑。隧道開挖中滲水較時，為盡快提高混凝土的早期強度，一般按2 %～4%的摻量加入速凝劑。在滲水量不時，為避免混凝土的后期強度損失過，速凝劑盡可能少加或不加。
3.3 噴射鋼纖維混凝土施工
3.3.1 工藝流程
3.3.2 關鍵技術
（1）混凝土拌制、存放和運輸。鋼纖維在拌和料中的分布均勻性，不僅與原材料和攪拌工藝有關，而且受攪拌機械和投料方法影響更。試驗表明：采用強制攪拌機比自落式攪拌機效果好。本隧道施工中因受機械設備影響而采用自落式攪拌機。投料時采用先投水泥、砂和碎石，在拌和過程中分散加入鋼纖維的方法進行拌和，拌和時間不少于2min.
鋼纖維混凝土施工時，噴錨料應盡量隨拌隨用，摻入速凝劑時存放時間不得超過20min，不摻入速凝劑時干混合料存放時間不超過2h，否則被視為廢料，不可再行使用。在運輸和存放過程中不得淋雨、流入水或混合雜物。
（2）噴射作業。混合料通過膠管長距離的高速輸送，在噴頭處已稍有分離，水在距受噴面lm 左右處加入，噴射應根據其當前標定的給水速度調整水閥，按混凝土配合比設計確定的水灰比供水。噴射混凝土時，噴槍要垂直正對工作面，連續平穩地自下而上水平橫向移動，噴頭一圈壓半圈的旋轉噴射。
在施工時還應注意風壓對噴射鋼纖維混凝土的影響。在混合料輸送時，采用適當的風壓是鋼纖維均勻分布、減少回彈損失的主要條件。風壓太鋼纖維的分布就不均勻。試驗表明，鋼纖維混凝土噴射堆中心的鋼纖維含量為噴堆周邊的85.3% ，這種現象產生的主要原因是由于料流噴出后，分布在料束外緣的鋼纖維在接近受噴面前被橫向氣流吹至周圍（其中部分鋼纖維落地，部分鋼纖維滯留在噴堆周邊），因此，降低風壓則橫向氣流的壓力和流速也會降低，這樣不僅會減少鋼纖維的回彈損失，也會改善鋼纖維分布的不均勻性。一般混合料輸送距離在100m以內時，噴射風壓控制在0.15～0.2MPa為宜。
（3）養護。混凝土施工質量的好壞，受養護的影響相當明顯。因此在混凝土噴射完畢后要及時灑水或噴水霧養護。避免因養護不及時而導致噴射鋼纖維混凝土的質量不合格。
4 取得的經濟效益
槎路隧道噴射鋼纖維混凝土段總長605m，它的使用對降低工程成本、提高工程質量和加快施工進度起著積極的作用，并有良好的經濟效益。體現在以下方面：
（1）減少混凝土的用量及開挖土石方量。噴射鋼纖維}昆凝土取消了素噴混凝土中的預留沉降量（15cm），使隧道斷面開挖土方量每米減少1.9m3，合計1 150m……二次襯砌混凝土減少了復合預留變形到位的數量（平均厚度7cm），節約了二次襯砌混凝土890m……采用噴射鋼纖維混凝土進行支護補強，減少了素噴混凝土一半的厚度，因而降低了工程成本。
（2）鋼材用量減少。噴射鋼纖維混凝土可代替“新奧法”中傳統的網噴支護，即可取消鋼筋網片，減少了施工工序，加快了施工進度，本隧道共節約鋼筋網片39.13t.
（3）干噴集料回彈率比素噴少。在干噴（水在噴頭處加入）實施過程中，通過試驗，素噴混凝土集料回彈率平均在25 左右，而干噴混凝土由于鋼纖維的成網和聯結作用，回彈率平均只有14％左右。
5 結束語
槎路隧道在復合加強襯砌段初期支護采用噴射鋼纖維混凝土取得了良好效果。實踐表明，鋼纖維應用廣泛，不僅在初期支護中應用，在二次襯砌中及其它的地下工程防護、公路路面、水利工程、房屋工程及局部受壓構件等均可使用鋼纖維混凝土增強，并能提高效益。
