曹康建

(云南第二公路橋梁工程有限公司,云南昆明650205)

鋼纖維噴射混凝土是借助噴射機(jī)械,并利用高壓,將按一定比例配合的拌和料,通過(guò)管道輸送并以高速噴射到需要支護(hù)加固的表面上凝結(jié)硬化而成的一種鋼纖維混凝土。鋼纖維噴射混凝土與現(xiàn)澆鋼纖維混凝土相比,施工簡(jiǎn)便易行,省去支模、澆筑和拆模等工序,使混凝土的輸送、澆筑和搗實(shí)合為一道工序,節(jié)省了人力、縮短了工期;鋼纖維噴射混凝土密度高,強(qiáng)度和抗?jié)B性較好,節(jié)約混凝士;還可以通過(guò)輸料軟管在高室或狹小工作區(qū)間的薄壁結(jié)構(gòu)施工,工作簡(jiǎn)單、機(jī)動(dòng)靈活,有較廣的適應(yīng)性,此外其經(jīng)濟(jì)效益也較好[1-3]。

目前,鋼纖維噴射混凝土已在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用[4-7]。鋼纖維噴混凝土在隧道及地下工程中的應(yīng)用可分為兩個(gè)方面:由于鋼纖維噴射混凝土的柔性,在軟巖中,特別是在圍巖變形顯著或急劇的隧道工程中,主要采用鋼纖維噴混凝土作初期支護(hù)以控制圍巖變形,防止坍塌;在硬巖中,由于鋼纖維具有阻裂的作用,能快速傳遞應(yīng)力應(yīng)變,大大加強(qiáng)了混凝土吸收能量的能力,而且初裂后還具有韌性,因此可利用鋼纖維噴射混凝土的抗裂性和韌性作為隧洞單層襯砌永久支護(hù)。

1 鋼纖維噴射混凝土單層襯砌應(yīng)用研究現(xiàn)狀

采用鋼纖維噴射混凝土代替鋼筋混凝土作為單層襯砌支護(hù),是當(dāng)今國(guó)內(nèi)外鋼纖維混凝土應(yīng)用最廣泛的一個(gè)工程領(lǐng)域。鋼纖維噴射混凝土作為隧道襯砌是其發(fā)展趨勢(shì)。我國(guó)近年來(lái)對(duì)于鋼纖維噴射混凝土作為隧道工程的單層永久襯砌及初期支護(hù),己在Ⅱ～Ⅴ級(jí)圍巖中進(jìn)行過(guò)試驗(yàn)研究,取得了成功,并在公路隧道、鐵路隧洞、水工輸水隧洞、礦井等工程中規(guī)模試用,效果良好。表1、表2分別為鋼纖維混凝土作為隧道單層襯砌在國(guó)外和國(guó)內(nèi)成功的案例。

目前,在奧地利、芬蘭、南非以及日本等國(guó)家,都已經(jīng)允許將鋼纖維噴射混凝土作為隧道單層永久襯砌,并且制定了相應(yīng)的設(shè)計(jì)和施工規(guī)范。國(guó)內(nèi)采用鋼纖維噴射混凝土作為單層襯砌永久支護(hù)的工程包括:西合線花子溝隧道、西康鐵路高蝙溝隧道、磨溝嶺隧道、南昆鐵路家竹箐隧道、合武鐵路大別山隧道斜井、云南昆曼高速公路上的所有隧道、青島地鐵工程區(qū)間隧道試驗(yàn)段等,均達(dá)到了預(yù)期效果。此外,鶴壁礦務(wù)局第十煤礦修補(bǔ)、盤適嶺隧洞搶險(xiǎn)、金川礦區(qū)主出礦水平回風(fēng)石門巷、安徽佛子嶺水庫(kù)大壩加固、襄渝線青徽鋪隧道病害整治、浙江省桐柏抽水蓄能電站、甘肅盤道嶺無(wú)壓輸水隧洞、西南鋁加工廠路面改擴(kuò)建工程、津浦線公路橋等工程經(jīng)過(guò)鋼纖維噴射混凝土的支護(hù)、補(bǔ)強(qiáng)或加固后,也獲得了滿意的效果。

2 隧道單層噴射混凝土襯砌支護(hù)機(jī)理分析

隧道單層襯砌技術(shù)是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的一種新型隧道支護(hù)體系。與復(fù)合式襯砌比較,單層襯砌最顯著的特點(diǎn)就是在支護(hù)層間取消了防水板,層間可以充分傳遞剪力,其力學(xué)動(dòng)態(tài)是一體的。單層襯砌在支護(hù)過(guò)程中經(jīng)歷不同的荷載狀況,隧道開挖后產(chǎn)生的圍巖松弛及碎脹形變壓力是荷載的主要來(lái)源。這就要求單層襯砌構(gòu)造必須滿足兩個(gè)條件:一是噴射混凝土要有一定的早期強(qiáng)度;二是必須盡可能地形成緊密咬合的一體化斷面,也就是要求噴射混凝土與圍巖之間、噴射混凝土層與噴射混凝土層有足夠的粘結(jié)強(qiáng)度,包括沿著接觸面切線方向產(chǎn)生“錯(cuò)位”的抗剪粘結(jié)力和沿著接觸面法線方向的“因拉拔引起的剝落”的抗拉粘結(jié)力。

目前,復(fù)合式襯砌的二次支護(hù)通常是不考慮承載和防水功能的,但在單層襯砌中,涉及結(jié)構(gòu)物的耐久性,支護(hù)作為最終結(jié)構(gòu)的一部分來(lái)考慮。隧洞單層襯砌法堅(jiān)持了噴射混凝土臨時(shí)襯砌的設(shè)計(jì)理念,但強(qiáng)化了材料性能和施工控制,單獨(dú)殼體可以滿足結(jié)構(gòu)在施工期及設(shè)計(jì)年限內(nèi)的永久性支護(hù)要求。同時(shí)由于不考慮將部分襯砌作為臨時(shí)支護(hù),減少了隧道開挖量和襯砌材料,減少施工時(shí)間,節(jié)省工程費(fèi)用。

噴射混凝土有一些重要特性:①混凝土是以20～100 m/s的高速吹到巖石表面上,噴射速度取決于噴射方法和設(shè)備;砂漿和細(xì)料被擠入巖石縫隙和節(jié)理,產(chǎn)生加楔效應(yīng);②形成粘接層后的混凝土在噴射壓力下被壓實(shí),只要速凝劑不引起“瞬時(shí)凝結(jié)”,噴射混凝土層將粘結(jié)在表面,如鋼纖維噴混凝土其粘結(jié)強(qiáng)度可達(dá)2～4 MPa;③巖石表面被完全封閉,水泥砂漿被擠入縫隙和節(jié)理,隔離濕度變化、空氣和溫度作用、流水的沖刷作用等,可以有效防止圍巖強(qiáng)度降低。因此,采用噴混凝土單層襯砌對(duì)局部活石及不穩(wěn)定荷載支護(hù)時(shí),關(guān)鍵要保證噴混凝土與圍巖之間的粘結(jié),與圍巖充分粘附、充填和密實(shí),這是發(fā)揮噴混凝土支護(hù)效果的基本保證,也是噴混凝土最主要的力學(xué)作用;同時(shí),在支護(hù)過(guò)程中,可采取非等參支護(hù),不穩(wěn)定區(qū)域可通過(guò)提高混凝土等級(jí)以及在噴射混凝土中摻入鋼纖維等措施進(jìn)行,這樣既可保證襯砌支護(hù)質(zhì)量和安全,同時(shí)又可以節(jié)約投資。

表1 濕噴鋼纖維混凝土單層襯砌在國(guó)外的應(yīng)用

表2 濕噴鋼纖維混凝土單層襯砌在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用

3 濕噴鋼纖維混凝土的力學(xué)特性

鋼纖維噴射混凝土可看成是由噴射混凝土基體和鋼纖維組成的多相復(fù)合材料,其力學(xué)性能受噴混凝土基體和鋼纖維及兩者粘結(jié)性能的影響。材料內(nèi)部同樣存在微裂縫,復(fù)合材料受荷后,這些微裂縫進(jìn)一步發(fā)展,從界面到砂漿、水泥石,逐步擴(kuò)展為宏觀裂縫,其破壞過(guò)程就是其裂縫的產(chǎn)生、擴(kuò)展和失穩(wěn)的過(guò)程。鋼纖維噴混凝土試件隨著裂縫發(fā)展程度的不同,其全過(guò)程如圖 1所示,可分為:彈性階段(OA段)、裂縫穩(wěn)定擴(kuò)展階段(AB段)、裂縫失穩(wěn)擴(kuò)展階段(BC段)和纖維拔出破壞階段(過(guò)C點(diǎn)后)四個(gè)階段。鋼纖維的加入,改變了普通混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線下降段的形狀,試件在很大的應(yīng)變下仍未破壞,從而提高了延性,使之由脆性破壞轉(zhuǎn)化為塑性破壞,同時(shí)鋼纖維的增強(qiáng)作用只有在試件受力達(dá)到極限強(qiáng)度之后,即裂縫穩(wěn)定擴(kuò)展階段時(shí)才得以發(fā)揮,這就是鋼纖維加入后對(duì)混凝土基體的抗壓強(qiáng)度提高不是很明顯,而對(duì)基體的彎曲韌性則有很大改善的根本原因[1]。

圖1 鋼纖維噴射混凝土的破壞過(guò)程

3.1 鋼纖維噴射混凝土的物理力學(xué)性能

研究表明[8-10]:隨鋼纖維含量的增加,混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗拉和抗折強(qiáng)度均提高。噴射鋼纖維混凝土隨著速凝劑和減水劑的摻入混凝土的早期強(qiáng)度也明顯提高,這樣有利于抵抗隧道開挖初期的圍巖變形。速凝劑的摻量增大有利于早期強(qiáng)度的提高,但是是以犧牲其長(zhǎng)期強(qiáng)度為代價(jià)的,因此在滿足噴射施工要求的前提下,要盡可能的降低其摻量。在噴射混凝土中加入一定量亂向分布的鋼纖維,部分鋼纖維在界面粘結(jié)劑(水泥砂漿)的作用下伸入到圍巖凹凸不平的表面里,并且與圍巖粘結(jié)良好,從而提高了兩者之間的劈拉粘結(jié)強(qiáng)度。普通混凝土摻入纖維和硅粉、礦粉等微集料后,纖維的彈性模量相對(duì)于凝結(jié)初期噴混凝土基體彈性模量,增加了混凝土塑性和硬化初期抗拉強(qiáng)度,而有效地抑制了噴混凝土早期收縮裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展,降低了混凝土的孔隙率。同時(shí)發(fā)揮礦粉的微集料效應(yīng)以及和添加防水劑的微膨脹作用,減少了早期收縮裂縫的產(chǎn)生,使混凝土抗?jié)B能力大大提高。

3.2 鋼纖維噴射混凝土的彎曲韌性

在實(shí)際隧道錨噴支護(hù)工程中,噴射混凝土層會(huì)承受彎矩作用,鋼纖維噴混凝土的韌性可使與巖面緊密貼合的噴層不但具有一定的柔性,而且在與圍巖共同變形過(guò)程中持續(xù)有效地提供支護(hù)抗力。鋼纖維噴射混凝土開裂前的性能主要取決于混凝土基體的性能;開裂后的性能則主要取決于鋼纖維的種類、形狀和含量,怎樣評(píng)價(jià)鋼纖維噴混凝土裂后的性能,是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外各有關(guān)單位的研究重點(diǎn)。在各國(guó)規(guī)范及試驗(yàn)方法中,都采用能量法、強(qiáng)度法或特征點(diǎn)法通過(guò)梁或板的彎曲試驗(yàn)得出的荷載-撓度曲線來(lái)評(píng)價(jià)鋼纖維噴混凝土的裂后性能[11],圖2為不同鋼纖維摻量的噴射鋼纖維混凝土三分梁加載試驗(yàn)測(cè)得的荷載-撓度曲線。

圖2 不同鋼纖維摻量的噴射混凝土荷載-撓度曲線

從圖2曲線可以看出,當(dāng)荷載較小時(shí),基體通過(guò)界面粘結(jié)力將荷載傳至纖維,鋼纖維與混凝土基體作為一個(gè)整體共同承擔(dān)荷載,二者變形協(xié)調(diào)處于彈性階段,故荷載-撓度曲線呈直線;隨著荷載的增大,此時(shí)基體內(nèi)部微裂縫穩(wěn)定擴(kuò)展成為宏觀裂縫,荷載-撓度曲線逐漸呈非線性變化。由彎曲韌性計(jì)算結(jié)果可知,加鋼纖維40 kg/m3、45 kg/m3的混凝土比基準(zhǔn)混凝土的彎拉強(qiáng)度分別提高14.4%、23.7%,顯示出鋼纖維混凝土的抗彎、抗拉性能的優(yōu)良。

鋼纖維噴混凝土在荷載-撓度試驗(yàn)中表現(xiàn)出了良好的彎曲韌性、阻裂和變形性能,將其應(yīng)用于隧道的單層襯砌可以較好的提高襯砌的抗壓剪以及抗拉壓破壞能力,允許圍巖有限制的變形而不至于破壞,并阻止襯砌的裂縫開展,大大提高隧道的安全性和穩(wěn)定性。

4 工程應(yīng)用

湖北省宜昌至巴東高速公路峽口隧道位于鄂西山區(qū)興山縣峽口鎮(zhèn)境內(nèi),為路線穿越一近南北向山嶺而建設(shè),隧道最大埋深1 500 m。地處秦嶺山脈東南麓,呈現(xiàn)構(gòu)造剝蝕溶蝕層狀單斜低中山峰嶺地貌景觀。山體由寒武系～三疊系碳酸鹽夾碎屑巖地層構(gòu)造,以堅(jiān)硬碳酸鹽、砂巖為主,夾半堅(jiān)硬泥頁(yè)巖。隧道處水文地質(zhì)主要屬?gòu)?fù)雜類型,地下水主要有第四系孔隙水、基巖裂隙水、碳酸鹽巖巖溶水,隧道洞室具滲流、面流、局部涌水現(xiàn)象。

該隧道的通風(fēng)斜井底部位于左線隧道ZK108+459右側(cè)97.77 m(洞室中心距離),斜井出口位于左線隧道YK109+187右側(cè)181.65m(洞室中心距離),水平投影長(zhǎng)度為715 m,斜長(zhǎng) 780.95 m,傾角 24.5°,坡度-45.57%。凈空9.50 m×6.10 m,開挖斷面10.88 m×8.22 m,聯(lián)絡(luò)進(jìn)風(fēng)道長(zhǎng)149.38 m,聯(lián)絡(luò)排風(fēng)道長(zhǎng) 101.68 m,凈空 6.60 m×5.32 m,總長(zhǎng)1 032.01 m。斜井穿越Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ三個(gè)圍巖級(jí)別,原設(shè)計(jì)采用復(fù)合式襯砌,后經(jīng)設(shè)計(jì)、建設(shè)及施工單位共同協(xié)商,選擇其中200 m作為試驗(yàn)段,利用濕噴鋼纖維混凝土單層襯砌代替原復(fù)合式襯砌,設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為CF30,鋼纖維摻量為45 kg/m3。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)隧道斜井鋼纖維噴射混凝土試件抗壓強(qiáng)度平均值為37.2 MPa,現(xiàn)場(chǎng)1 d強(qiáng)度達(dá)到 8 MPa,滿足1 d強(qiáng)度≥5 MPa的設(shè)計(jì)要求。28 d抗折彎拉強(qiáng)度均大于4.0 MPa,抗?jié)B能力達(dá)到S13,遠(yuǎn)大于《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD70-2004)定的不低于S6抗?jié)B要求。圍巖壁面與鋼纖維噴射混凝土平均粘結(jié)抗拉強(qiáng)度分別為1.79 MPa(規(guī)范規(guī)定Ⅲ級(jí)圍巖應(yīng)≥0.5 MPa[12-13])。與原設(shè)計(jì)相比,工期可以提前至少3個(gè)月以上,取得了良好的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益。

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