曹康建，普加富（.云南公投建設(shè)集團(tuán)有限公司；.云南第二公路橋梁工程有限公司，云南　昆明　650000）

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鋼纖維噴射混凝土在隧道通風(fēng)斜井中的應(yīng)用

曹康建1，普加富2
（1.云南公投建設(shè)集團(tuán)有限公司；2.云南第二公路橋梁工程有限公司，云南昆明650000）

在現(xiàn)代隧道工程當(dāng)中，噴射混凝土技術(shù)，已經(jīng)在地下工程和巖土工程支護(hù)工程中得到了廣泛應(yīng)用。利用噴射混凝土技術(shù)，可以與其配合其它支護(hù)構(gòu)件或單獨(dú)地作為結(jié)構(gòu)的永久性支護(hù)。本文首先對(duì)濕噴混凝土工藝進(jìn)行了概述；其次，對(duì)隧道中的單層襯砌支護(hù)機(jī)理以及濕噴鋼纖維混凝土的力學(xué)特性進(jìn)行了分析；最后介紹了其在湖北宜昌至巴高速公路峽口隧道通風(fēng)斜井中的具體應(yīng)用。

鋼纖維；噴射混凝土；隧道通風(fēng)斜井

鋼纖維噴射混凝土是在噴射機(jī)械的基礎(chǔ)上，利用高壓，將拌和料按照一定的比例，通過(guò)管道輸送并且高速噴射到需要支護(hù)加固的表面上，從而在表面凝結(jié)硬化形成一種鋼纖維混凝土。鋼纖維噴射混凝土與現(xiàn)澆鋼纖維混凝土相比，具有施工簡(jiǎn)便易行的特點(diǎn)，在施工過(guò)程中省去支模、澆筑和拆模等工序，使得混凝土的輸送、澆筑和搗實(shí)合為一道工序，在很大程度上節(jié)省了人力、縮短了工期；并且鋼纖維噴射混凝土還具有密度高、強(qiáng)度和抗?jié)B性較好的特點(diǎn)，節(jié)約了建筑成本；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，因此具有較廣的適應(yīng)性。

1　濕噴混凝土工藝

鋼纖維混凝土必須采用濕噴的工藝來(lái)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，在整個(gè)施工過(guò)程當(dāng)中的水泥、砂、骨料、水、減水劑等都必須要按照要求來(lái)進(jìn)行合理配置，在加入攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌的時(shí)候攪拌好的成品混凝土需要利用運(yùn)輸設(shè)備來(lái)將成品運(yùn)輸?shù)絿娚涞攸c(diǎn)并且加入濕噴機(jī)料斗［1］，之后需要根據(jù)濕噴機(jī)的操作規(guī)程來(lái)進(jìn)行噴射，其中原材料的配比如表1所示。

表1　鋼纖維噴射混凝土配合比

2　隧道中的單層襯砌支護(hù)機(jī)理和力學(xué)特性

2.1支護(hù)機(jī)理

隧道單層襯砌技術(shù)屬于一種新型隧道支護(hù)體系。單層襯砌具有在層間可以充分傳遞剪力的特點(diǎn)。單層襯砌在整個(gè)支護(hù)過(guò)程中需要經(jīng)歷不同的荷載狀況，這就要求單層襯砌構(gòu)造必須滿足兩個(gè)條件：①噴射混凝土要有一定的早期強(qiáng)度；②必須盡可能地形成緊密咬合的一體化斷面。

目前，復(fù)合式襯砌的二次支護(hù)在一般情況下是不考慮承載和防水功能的，但在單層襯砌中，需要根據(jù)結(jié)構(gòu)物的耐久性，來(lái)對(duì)最終形成的結(jié)構(gòu)進(jìn)行充分的考慮。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，在材料性能和施工方面進(jìn)行了控制，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(kāi)挖量和襯砌材料，減少施工時(shí)間，節(jié)省工程費(fèi)用。

噴射混凝土在施工當(dāng)中具有一些重要的特點(diǎn)：

（1）混凝土必須以20～100m/s的高速吹到巖石表面上，在噴射過(guò)程中的速度是根據(jù)噴射設(shè)備和噴射方法來(lái)決定的。砂漿和細(xì)料在被擠入巖石縫隙和節(jié)理之后，就會(huì)產(chǎn)生加楔效應(yīng)；

（2）在形成粘接層后的混凝土?xí)趪娚鋲毫ο卤粔簩?shí)，因此只要速凝劑不引起“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)2～4MPa；

（3）在巖石表面被完全封閉之后，其中的水泥砂漿就會(huì)被擠入縫隙和節(jié)理，對(duì)其中的濕度變化、空氣和溫度、流水的沖刷進(jìn)行隔離，可以對(duì)圍巖強(qiáng)度進(jìn)行有效防護(hù)。因此，在采用噴混凝土單層襯砌的時(shí)候，最關(guān)鍵的是需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)，才可以發(fā)揮到噴混凝土支護(hù)效果的基本保證，同時(shí)也可以發(fā)揮噴射混凝土最主要的力學(xué)作用［2］。在支護(hù)過(guò)程中，還可以采取非等參支護(hù)，在隧道當(dāng)中的不穩(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)量和安全的同時(shí)，同時(shí)又可以在很大程度上節(jié)約投資。

2.2力學(xué)特性

鋼纖維噴射混凝土實(shí)際上是由噴射混凝土基體和鋼纖維組成的多相復(fù)合材料，因此在力學(xué)特性方面也會(huì)受到噴混凝土基體和鋼纖維及兩者粘結(jié)性能的影響。在鋼纖維噴混凝土的材料內(nèi)部同樣存在微裂縫，在復(fù)合材料進(jìn)行受荷后，材料內(nèi)部所存在的這些微裂縫也會(huì)得到進(jìn)一步發(fā)展，因此就會(huì)從界面到砂漿、水泥石，逐步擴(kuò)展為宏觀裂縫，在這個(gè)過(guò)程也就是隧道裂縫的產(chǎn)生、擴(kuò)展以及失穩(wěn)的過(guò)程。

鋼纖維噴混凝土內(nèi)部構(gòu)建會(huì)隨著裂縫發(fā)展程度而產(chǎn)生不同的破壞力度，其全過(guò)程如圖1所示，從圖1當(dāng)中可以看出，整體的破壞過(guò)程可以分為：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）以及纖維拔出破壞階段（過(guò)C點(diǎn)后）四個(gè)階段［3］。在混凝土中加入鋼纖維之后，對(duì)普通混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線也會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響，從圖1當(dāng)中可以看出是呈現(xiàn)出下降段的形狀，試件在很大的應(yīng)變下仍未破壞，從另外一方面將也就是其延性得到了提高。

圖1　鋼纖維噴射混凝土的破壞過(guò)程

與此同時(shí)，在鋼纖維當(dāng)中的試件受力達(dá)到極限強(qiáng)度之后，也就是裂縫穩(wěn)定擴(kuò)展階段時(shí)才會(huì)進(jìn)行大力發(fā)揮，證明了在鋼纖維加入后對(duì)混凝土基體的抗壓強(qiáng)度的提高并不是很明顯，反而對(duì)基體的彎曲韌性則有很大程度的提高。

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)度都會(huì)得到很大程度地提高。噴射鋼纖維混凝土也會(huì)隨著速凝劑和減水劑的摻入，而得到提高，從而使得混凝土的早期強(qiáng)度也明顯提高，在這種情況下對(duì)抗隧道開(kāi)挖初期的圍巖變形是有著極其有利的好處的。

在實(shí)際隧道錨噴支護(hù)工程中，噴射混凝土層也會(huì)承受彎矩作用，但是鋼纖維噴混凝土的韌性會(huì)使得巖面緊密貼合的噴層所具有的柔性變得更加強(qiáng)大，而且可以和圍巖來(lái)共同支護(hù)抗力提供較大的變形力度。

3　實(shí)例運(yùn)用

在湖北宜昌至巴高速公路峽口隧道通風(fēng)斜井工程當(dāng)中，隧道全長(zhǎng)左幅為6456m，右幅全長(zhǎng)6487m，為上、下行分離的四車道高速公路特長(zhǎng)隧道。該隧道左線ZK107+377～ZK110+ 670，長(zhǎng)3293m；右線YK107+400～YK110+710，長(zhǎng)3310m。該隧道當(dāng)中的山體是由寒武系～三疊系碳酸鹽夾碎屑巖地層構(gòu)造，整體構(gòu)造以堅(jiān)硬碳酸鹽、砂巖為主，夾半堅(jiān)硬泥頁(yè)巖。該隧道的水文地質(zhì)屬于復(fù)雜類型，該隧道當(dāng)中的地下水主要有第四系孔隙水、基巖裂隙水、碳酸鹽巖巖溶水構(gòu)成，因此在隧道洞室具滲流、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)97.77m（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715m，斜長(zhǎng)780.95m，傾角24.5°，坡度-45.57%。凈空9.50×6.10m，開(kāi)挖斷面10.88m×8.22m，聯(lián)絡(luò)進(jìn)風(fēng)道長(zhǎng) 149.38m，聯(lián)絡(luò)排風(fēng)道長(zhǎng)101.68m，凈空6.60×5.32m，總長(zhǎng)1032.01m。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，該隧道的平面圖和剖面圖如圖2～3所示。

圖2　該隧道工程平面圖

圖3　該隧道工程剖面圖

在該隧道當(dāng)中，通風(fēng)斜井的坡度是相對(duì)較大的，達(dá)-45.57%，因此用二襯臺(tái)車組織施工是相對(duì)比較困難的，但是按照原設(shè)計(jì)模筑施工，在每版二襯的地方就需要進(jìn)行腳手架、立架、裝模、加固、澆筑等的加固加大，在施工工期方面必然延長(zhǎng)工期，且存在較大的安全隱患。因此結(jié)合斜井的實(shí)際情況，除明洞段及洞口破碎帶人工立架裝模澆筑混凝土以外，在隧道當(dāng)中的其余段均取消原設(shè)計(jì)模筑二襯，都變更為鋼纖維噴射混凝土。選擇其中200m作為試驗(yàn)段，利用濕噴鋼纖維混凝土單層襯砌代替原原復(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45kg/m3，如圖4～5所示。

圖4　鋼纖維噴射混凝土

圖5　鋼纖維噴射現(xiàn)場(chǎng)

在對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)隧道斜井鋼纖維噴射混凝土試件的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試之后，抗壓強(qiáng)度的平均值為37.2MPa，現(xiàn)場(chǎng)1d強(qiáng)度達(dá)到8MPa，滿足1d強(qiáng)度≥5MPa的設(shè)計(jì)要求，28d抗折彎拉強(qiáng)度均大于4.0MPa，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。因此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1.79MPa（規(guī)范規(guī)定Ⅲ級(jí)圍巖應(yīng)≥0.5MPa）。與原設(shè)計(jì)相比，工期可以提前3個(gè)月的同時(shí)，還取得了良好的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益。

4　結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在噴射混凝土當(dāng)中摻入一定量的鋼纖維之后，混凝土的各項(xiàng)力學(xué)性能都有了一定的改善，但是抗壓強(qiáng)度的提高程度并不是非常明顯，在抗拉強(qiáng)度、抗裂性以及抗?jié)B水壓力強(qiáng)度方面都有所改善，對(duì)混凝土的密實(shí)程度、耐久性能和質(zhì)量穩(wěn)定性能方面都有所改善，鋼纖維噴射混凝土技術(shù)來(lái)作為隧道單層襯砌，在現(xiàn)場(chǎng)的噴射效果是相當(dāng)良好的，在一定程度上拓寬了噴錨式襯砌的應(yīng)用范圍，同時(shí)也豐富了隧道的襯砌形式。

［1］劉新榮，祝云華，李曉紅，杜國(guó)平，宋戰(zhàn)平.隧道鋼纖維噴射混凝土單層襯砌試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2009，08：2319～2323.

［2］劉炳輝.鋼纖維噴射混凝土在隧道初期支護(hù)中的應(yīng)用實(shí)踐［J］.公路交通技術(shù)，2003，02：62～66.

［3］曹康建.濕噴鋼纖維混凝土在隧道單層襯砌中的應(yīng)用［J］.水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2011，03：83～86+102.

［4］王事成.隧道通風(fēng)斜井鋼纖維噴射混凝土單層襯砌應(yīng)用研究［J］.施工技術(shù)，2015，S1：233～236.

普加富（1980-），男，工程師，本科，主要從事公路和橋梁的建設(shè)工作。

U454

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2095-2066（2016）11-0158-02

2016-3-8

曹康建（1972-），男，高級(jí)工程師，本科，主要從事公路橋梁建設(shè)及管理方面的工作。