秦志軍

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院，山西 太原 030012）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模也迅速擴(kuò)大，大量的隧道工程不斷出現(xiàn)，特長公路隧道工程的規(guī)模和數(shù)量也在日益增多，特別是山西省由于地形地貌的多元性和地質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，目前在建10 km以上的特長隧道已達(dá)到4座，根據(jù)山西省高速公路網(wǎng)新的調(diào)整規(guī)劃，大量特長公路隧道仍將不斷涌現(xiàn)，由于目前采用新奧法設(shè)計和施工，仍然采用傳統(tǒng)的支護(hù)措施，一定程度制約施工工期，在國外一些隧道襯砌結(jié)構(gòu)采用了鋼纖維混凝土，其相對素混凝土具有非常明顯的優(yōu)越性，它能確保施工安全，提高隧道施工進(jìn)度，降低噴射混凝土回彈量，而隧道輔助坑道因其斷面變化大、交叉數(shù)量多等特點(diǎn)，嚴(yán)重制約了施工的進(jìn)度和增加了工程造價，在國內(nèi)，由于對鋼纖維混凝土在隧道中應(yīng)用的綜合技術(shù)研究應(yīng)用相對較少，但在今后的隧道及地下工程中的應(yīng)用是發(fā)展趨勢，因此，對鋼纖維混凝土在設(shè)計、施工工藝及經(jīng)濟(jì)分析等方面進(jìn)行嘗試探討，具有非常重要的社會與經(jīng)濟(jì)價值。

1 鋼纖維混凝土在設(shè)計中的應(yīng)用情況

在我國隧道工程中，分別進(jìn)行過椅子山隧道（Ⅲ級圍巖）、高扁溝隧道（Ⅱ級圍巖）鋼纖維噴射混凝土做永久襯砌的試驗(yàn)研究，并在秦嶺隧道中應(yīng)用，進(jìn)行過武隆隧道（Ⅴ級圍巖）用復(fù)合纖維噴射混凝土替代鋼筋網(wǎng)噴射混凝土初期支護(hù)的研究，在橋梁涵洞中完成了鋼纖維混凝土預(yù)制管片的應(yīng)用研究，橋面鋪裝廣泛采用了鋼纖維混凝土。

目前，山西省鋼纖維混凝土在隧道中的應(yīng)用不多，僅作為初期支護(hù)采用，作為永久支護(hù)基本沒有，山西省汾陽至邢臺高速公路寶塔山特長隧道、云山特長隧道、康家樓特長隧道的輔助坑道中，二次襯砌采用了鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)代替了現(xiàn)澆混凝土二次襯砌結(jié)構(gòu)。

2 鋼纖維混凝土在設(shè)計中的設(shè)計情況

在山西省汾陽至邢臺高速公路的云山隧道和寶塔山隧道中，隧道斜井襯砌結(jié)構(gòu)中，二次襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計采用了噴射CF30鋼纖維硅粉混凝土結(jié)構(gòu)代替了現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，既可以加快施工進(jìn)度，又節(jié)約投資。斜井的初期支護(hù)為噴錨支護(hù)同一般隧道，二次襯砌噴射CF30鋼纖維硅粉混凝土結(jié)構(gòu)厚度在6～14 cm之間，根據(jù)斜井的寬度和斷面形式不同來采用，結(jié)構(gòu)形式見圖1。排水采用了排水半管，在初期支護(hù)滲漏水處貼縫布設(shè)，滲漏水多處加密布設(shè)排水半管和布設(shè)雙層排水半管，排水形式見圖2。

采用噴射CF30鋼纖維硅粉混凝土結(jié)構(gòu)和現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)對比詳見表1。

3 鋼纖維混凝土在隧道輔助坑道應(yīng)用的特點(diǎn)

我國對于鋼纖維混凝土進(jìn)行了大量研究，已經(jīng)積累了一些設(shè)計和施工經(jīng)驗(yàn)，特別是在長大隧道輔助坑道中的應(yīng)用取得了較好的效果，初步認(rèn)為，使用噴射鋼纖維混凝土代替掛網(wǎng)單從材料的角度可節(jié)約造價30%，工期可節(jié)約30%，對長大隧道來講，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益巨大[1]。

圖1 斜井鋼纖維混凝土襯砌結(jié)構(gòu)圖

圖2 斜井排水半管布置圖

鋼纖維混凝土作為初期支護(hù)，其特點(diǎn)是：a）噴射鋼纖維混凝土可以代替掛網(wǎng)噴射素混凝土，使準(zhǔn)脆性混凝土變?yōu)轫g性材料，有較好的變形能力；b）噴射鋼纖維混凝土速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于掛網(wǎng)噴混凝土，且減少空洞，節(jié)約時間，加快施工進(jìn)度；c）由于變?yōu)轫g性材料，更有利于應(yīng)力分配，增加結(jié)構(gòu)安全度[2]。

表1 斜井二次襯砌結(jié)構(gòu)采用不同結(jié)構(gòu)對比表

鋼纖維混凝土作為二次襯砌，其特點(diǎn)是：a）可以減少襯砌的厚度；b）可以代替鋼筋混凝土，減少鋼筋用量，使結(jié)構(gòu)受力更加合理；c）減少襯砌開裂的幾率，保證襯砌開裂后的結(jié)構(gòu)受力性能。

4 現(xiàn)結(jié)構(gòu)存在的問題和鋼纖維混凝土的優(yōu)點(diǎn)

隧道開挖噴射混凝土初期支護(hù)通常采用模注混凝土襯砌的“復(fù)合式襯砌”被廣泛使用，通常采用噴射混凝土和錨桿及其他加強(qiáng)措施來保持隧洞圍巖的穩(wěn)定，增加鋼筋直徑為4～8 mm的鋼筋網(wǎng)的措施增強(qiáng)韌性，然而也存在許多不足，在支護(hù)中設(shè)置的鋼拱和格柵拱難以同圍巖緊貼，因此也就難以及時起到支護(hù)作用。

a）在不規(guī)則洞壁上，鋼筋網(wǎng)通常是固定在褶曲凸點(diǎn)上，由于鋼筋網(wǎng)的阻擋，這些小的凹凸會成為噴射混凝土覆蓋不到的地方，如圖3所示，這樣噴射混凝土并未充分發(fā)揮將荷載重新分配給圍巖的作用；但是噴射混凝土中摻入鋼纖維后，噴射混凝土的抗彎強(qiáng)度、延性及其韌性得到提高，同時能隨巖體開挖的實(shí)際輪廓噴射支護(hù)，如圖4所示，襯砌與巖體能夠完全結(jié)合，合理分配巖體釋放的荷載，從而達(dá)到限制圍巖變形的目的。

圖3 鋼筋網(wǎng)噴射混凝土

圖4 鋼纖維噴射混凝土

b）掛網(wǎng)噴射混凝土如果采用的噴射壓力和噴射距離不合適，混凝土可能堆積在鋼筋網(wǎng)外面，鋼筋網(wǎng)后的巖石出現(xiàn)凹陷區(qū)和松散區(qū)，致使鋼筋網(wǎng)很快發(fā)生腐蝕。

c）鋼筋網(wǎng)的鋼筋使混凝土的粗骨料大量回彈，造成鋼筋網(wǎng)后面的混凝土質(zhì)量低劣，并形成地下水通道。

5 鋼纖維混凝土在隧道輔助坑道應(yīng)用的前景

隨著公路交通網(wǎng)的日趨完善，公路隧道得到了迅猛的發(fā)展。全國各省已建成或?qū)⑿藿ㄒ慌亻L隧道，僅在山西有太古高速公路西山隧道和長安高速公路洪梯關(guān)隧道長度均超過了13 km，解陌公路中條山隧道9.7 km，平榆高速公路寶塔山隧道10.5 km，正在修建的榆和高速公路云山隧道單洞長度超過11 km。大量公路特長隧道的修建，在技術(shù)上的要求也越來越高，工程的工期要求都比較緊張，這就需要安全、快速、經(jīng)濟(jì)的新技術(shù)新工藝，鋼纖維混凝土襯砌結(jié)構(gòu)將是一個方向，特別是在控制工程施工的輔助坑道中更是可以發(fā)揮其安全、高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

目前結(jié)合我國工程實(shí)際現(xiàn)狀，針對特長隧道鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計方法、計算方法、施工工藝等關(guān)鍵問題已開展系統(tǒng)的研究工作。通過研究，建立鋼纖維混凝土隧道襯砌的設(shè)計方法，提出應(yīng)用于隧道工程的施工工藝，豐富隧道襯砌材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計理論，同時也為今后公路隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工提供指導(dǎo)。該技術(shù)的成功應(yīng)用，將取得較好的經(jīng)濟(jì)和社會效益，可以減少隧道的開挖量，加快隧道的施工進(jìn)度，減少碳排放和環(huán)境污染，降低施工造價，取得明顯的社會和經(jīng)濟(jì)效益。

6 結(jié)束語

可以看出，我國在鋼纖維混凝土的使用方面范圍越來越廣泛，對于在隧道中采用鋼纖維混凝土作為支護(hù)體系的組成部分其研究已經(jīng)取得了若干成果。特別是在特長隧道的輔助坑道中的應(yīng)用是很值得推廣應(yīng)用，符合輔助坑道在工程中要求安全、快速、經(jīng)濟(jì)。但是，就其鋼纖維混凝土在隧道工程中的應(yīng)用仍有許多亟待解決的問題，特別是針對隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計理論、設(shè)計方法、施工工藝等相關(guān)問題仍缺乏系統(tǒng)的具有代表性的研究。尚需通過噴射鋼纖維混凝土的基本力學(xué)性能試驗(yàn)研究、噴射性能及工藝性試驗(yàn)、室內(nèi)試驗(yàn)研究、現(xiàn)場試驗(yàn)研究、數(shù)值模擬分析等進(jìn)行研究，重點(diǎn)依托工程開展噴射鋼纖維混凝土襯砌承載能力、支護(hù)模式、施工工藝技術(shù)，解決其安全性和壽命問題，從而加快鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)在隧道中的推廣和應(yīng)用。