湿喷钢纤维混凝土在隧道单层衬砌中的应用

曹康建

(云南第二公路桥梁工程有限公司,云南昆明650205)

钢纤维喷射混凝土是借助喷射机械,并利用高压,将按一定比例配合的拌和料,通过管道输送并以高速喷射到需要支护加固的表面上凝结硬化而成的一种钢纤维混凝土。钢纤维喷射混凝土与现浇钢纤维混凝土相比,施工简便易行,省去支模、浇筑和拆模等工序,使混凝土的输送、浇筑和捣实合为一道工序,节省了人力、缩短了工期;钢纤维喷射混凝土密度高,强度和抗渗性较好,节约混凝士;还可以通过输料软管在高室或狭小工作区间的薄壁结构施工,工作简单、机动灵活,有较广的适应性,此外其经济效益也较好[1-3]。

目前,钢纤维喷射混凝土已在国内外得到了广泛的应用[4-7]。钢纤维喷混凝土在隧道及地下工程中的应用可分为两个方面:由于钢纤维喷射混凝土的柔性,在软岩中,特别是在围岩变形显著或急剧的隧道工程中,主要采用钢纤维喷混凝土作初期支护以控制围岩变形,防止坍塌;在硬岩中,由于钢纤维具有阻裂的作用,能快速传递应力应变,大大加强了混凝土吸收能量的能力,而且初裂后还具有韧性,因此可利用钢纤维喷射混凝土的抗裂性和韧性作为隧洞单层衬砌永久支护。

1 钢纤维喷射混凝土单层衬砌应用研究现状

采用钢纤维喷射混凝土代替钢筋混凝土作为单层衬砌支护,是当今国内外钢纤维混凝土应用最广泛的一个工程领域。钢纤维喷射混凝土作为隧道衬砌是其发展趋势。我国近年来对于钢纤维喷射混凝土作为隧道工程的单层永久衬砌及初期支护,己在Ⅱ～Ⅴ级围岩中进行过试验研究,取得了成功,并在公路隧道、铁路隧洞、水工输水隧洞、矿井等工程中规模试用,效果良好。表1、表2分别为钢纤维混凝土作为隧道单层衬砌在国外和国内成功的案例。

目前,在奥地利、芬兰、南非以及日本等国家,都已经允许将钢纤维喷射混凝土作为隧道单层永久衬砌,并且制定了相应的设计和施工规范。国内采用钢纤维喷射混凝土作为单层衬砌永久支护的工程包括:西合线花子沟隧道、西康铁路高蝙沟隧道、磨沟岭隧道、南昆铁路家竹箐隧道、合武铁路大别山隧道斜井、云南昆曼高速公路上的所有隧道、青岛地铁工程区间隧道试验段等,均达到了预期效果。此外,鹤壁矿务局第十煤矿修补、盘适岭隧洞抢险、金川矿区主出矿水平回风石门巷、安徽佛子岭水库大坝加固、襄渝线青徽铺隧道病害整治、浙江省桐柏抽水蓄能电站、甘肃盘道岭无压输水隧洞、西南铝加工厂路面改扩建工程、津浦线公路桥等工程经过钢纤维喷射混凝土的支护、补强或加固后,也获得了满意的效果。

2 隧道单层喷射混凝土衬砌支护机理分析

隧道单层衬砌技术是20世纪70年代发展起来的一种新型隧道支护体系。与复合式衬砌比较,单层衬砌最显著的特点就是在支护层间取消了防水板,层间可以充分传递剪力,其力学动态是一体的。单层衬砌在支护过程中经历不同的荷载状况,隧道开挖后产生的围岩松弛及碎胀形变压力是荷载的主要来源。这就要求单层衬砌构造必须满足两个条件:一是喷射混凝土要有一定的早期强度;二是必须尽可能地形成紧密咬合的一体化断面,也就是要求喷射混凝土与围岩之间、喷射混凝土层与喷射混凝土层有足够的粘结强度,包括沿着接触面切线方向产生“错位”的抗剪粘结力和沿着接触面法线方向的“因拉拔引起的剥落”的抗拉粘结力。

目前,复合式衬砌的二次支护通常是不考虑承载和防水功能的,但在单层衬砌中,涉及结构物的耐久性,支护作为最终结构的一部分来考虑。隧洞单层衬砌法坚持了喷射混凝土临时衬砌的设计理念,但强化了材料性能和施工控制,单独壳体可以满足结构在施工期及设计年限内的永久性支护要求。同时由于不考虑将部分衬砌作为临时支护,减少了隧道开挖量和衬砌材料,减少施工时间,节省工程费用。

喷射混凝土有一些重要特性:①混凝土是以20～100 m/s的高速吹到岩石表面上,喷射速度取决于喷射方法和设备;砂浆和细料被挤入岩石缝隙和节理,产生加楔效应;②形成粘接层后的混凝土在喷射压力下被压实,只要速凝剂不引起“瞬时凝结”,喷射混凝土层将粘结在表面,如钢纤维喷混凝土其粘结强度可达2～4 MPa;③岩石表面被完全封闭,水泥砂浆被挤入缝隙和节理,隔离湿度变化、空气和温度作用、流水的冲刷作用等,可以有效防止围岩强度降低。因此,采用喷混凝土单层衬砌对局部活石及不稳定荷载支护时,关键要保证喷混凝土与围岩之间的粘结,与围岩充分粘附、充填和密实,这是发挥喷混凝土支护效果的基本保证,也是喷混凝土最主要的力学作用;同时,在支护过程中,可采取非等参支护,不稳定区域可通过提高混凝土等级以及在喷射混凝土中掺入钢纤维等措施进行,这样既可保证衬砌支护质量和安全,同时又可以节约投资。

表1 湿喷钢纤维混凝土单层衬砌在国外的应用

表2 湿喷钢纤维混凝土单层衬砌在国内的应用

3 湿喷钢纤维混凝土的力学特性

钢纤维喷射混凝土可看成是由喷射混凝土基体和钢纤维组成的多相复合材料,其力学性能受喷混凝土基体和钢纤维及两者粘结性能的影响。材料内部同样存在微裂缝,复合材料受荷后,这些微裂缝进一步发展,从界面到砂浆、水泥石,逐步扩展为宏观裂缝,其破坏过程就是其裂缝的产生、扩展和失稳的过程。钢纤维喷混凝土试件随着裂缝发展程度的不同,其全过程如图 1所示,可分为:弹性阶段(OA段)、裂缝稳定扩展阶段(AB段)、裂缝失稳扩展阶段(BC段)和纤维拔出破坏阶段(过C点后)四个阶段。钢纤维的加入,改变了普通混凝土的应力-应变曲线下降段的形状,试件在很大的应变下仍未破坏,从而提高了延性,使之由脆性破坏转化为塑性破坏,同时钢纤维的增强作用只有在试件受力达到极限强度之后,即裂缝稳定扩展阶段时才得以发挥,这就是钢纤维加入后对混凝土基体的抗压强度提高不是很明显,而对基体的弯曲韧性则有很大改善的根本原因[1]。

图1 钢纤维喷射混凝土的破坏过程

3.1 钢纤维喷射混凝土的物理力学性能

研究表明[8-10]:随钢纤维含量的增加,混凝土的抗压强度、抗拉和抗折强度均提高。喷射钢纤维混凝土随着速凝剂和减水剂的掺入混凝土的早期强度也明显提高,这样有利于抵抗隧道开挖初期的围岩变形。速凝剂的掺量增大有利于早期强度的提高,但是是以牺牲其长期强度为代价的,因此在满足喷射施工要求的前提下,要尽可能的降低其掺量。在喷射混凝土中加入一定量乱向分布的钢纤维,部分钢纤维在界面粘结剂(水泥砂浆)的作用下伸入到围岩凹凸不平的表面里,并且与围岩粘结良好,从而提高了两者之间的劈拉粘结强度。普通混凝土掺入纤维和硅粉、矿粉等微集料后,纤维的弹性模量相对于凝结初期喷混凝土基体弹性模量,增加了混凝土塑性和硬化初期抗拉强度,而有效地抑制了喷混凝土早期收缩裂缝的产生和发展,降低了混凝土的孔隙率。同时发挥矿粉的微集料效应以及和添加防水剂的微膨胀作用,减少了早期收缩裂缝的产生,使混凝土抗渗能力大大提高。

3.2 钢纤维喷射混凝土的弯曲韧性

在实际隧道锚喷支护工程中,喷射混凝土层会承受弯矩作用,钢纤维喷混凝土的韧性可使与岩面紧密贴合的喷层不但具有一定的柔性,而且在与围岩共同变形过程中持续有效地提供支护抗力。钢纤维喷射混凝土开裂前的性能主要取决于混凝土基体的性能;开裂后的性能则主要取决于钢纤维的种类、形状和含量,怎样评价钢纤维喷混凝土裂后的性能,是近年来国内外各有关单位的研究重点。在各国规范及试验方法中,都采用能量法、强度法或特征点法通过梁或板的弯曲试验得出的荷载-挠度曲线来评价钢纤维喷混凝土的裂后性能[11],图2为不同钢纤维掺量的喷射钢纤维混凝土三分梁加载试验测得的荷载-挠度曲线。

图2 不同钢纤维掺量的喷射混凝土荷载-挠度曲线

从图2曲线可以看出,当荷载较小时,基体通过界面粘结力将荷载传至纤维,钢纤维与混凝土基体作为一个整体共同承担荷载,二者变形协调处于弹性阶段,故荷载-挠度曲线呈直线;随着荷载的增大,此时基体内部微裂缝稳定扩展成为宏观裂缝,荷载-挠度曲线逐渐呈非线性变化。由弯曲韧性计算结果可知,加钢纤维40 kg/m3、45 kg/m3的混凝土比基准混凝土的弯拉强度分别提高14.4%、23.7%,显示出钢纤维混凝土的抗弯、抗拉性能的优良。

钢纤维喷混凝土在荷载-挠度试验中表现出了良好的弯曲韧性、阻裂和变形性能,将其应用于隧道的单层衬砌可以较好的提高衬砌的抗压剪以及抗拉压破坏能力,允许围岩有限制的变形而不至于破坏,并阻止衬砌的裂缝开展,大大提高隧道的安全性和稳定性。

4 工程应用

湖北省宜昌至巴东高速公路峡口隧道位于鄂西山区兴山县峡口镇境内,为路线穿越一近南北向山岭而建设,隧道最大埋深1 500 m。地处秦岭山脉东南麓,呈现构造剥蚀溶蚀层状单斜低中山峰岭地貌景观。山体由寒武系～三叠系碳酸盐夹碎屑岩地层构造,以坚硬碳酸盐、砂岩为主,夹半坚硬泥页岩。隧道处水文地质主要属复杂类型,地下水主要有第四系孔隙水、基岩裂隙水、碳酸盐岩岩溶水,隧道洞室具渗流、面流、局部涌水现象。

该隧道的通风斜井底部位于左线隧道ZK108+459右侧97.77 m(洞室中心距离),斜井出口位于左线隧道YK109+187右侧181.65m(洞室中心距离),水平投影长度为715 m,斜长 780.95 m,倾角 24.5°,坡度-45.57%。净空9.50 m×6.10 m,开挖断面10.88 m×8.22 m,联络进风道长149.38 m,联络排风道长 101.68 m,净空 6.60 m×5.32 m,总长1 032.01 m。斜井穿越Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ三个围岩级别,原设计采用复合式衬砌,后经设计、建设及施工单位共同协商,选择其中200 m作为试验段,利用湿喷钢纤维混凝土单层衬砌代替原复合式衬砌,设计混凝土强度等级为CF30,钢纤维掺量为45 kg/m3。

经现场实验隧道斜井钢纤维喷射混凝土试件抗压强度平均值为37.2 MPa,现场1 d强度达到 8 MPa,满足1 d强度≥5 MPa的设计要求。28 d抗折弯拉强度均大于4.0 MPa,抗渗能力达到S13,远大于《公路隧道设计规范》(JTGD70-2004)定的不低于S6抗渗要求。围岩壁面与钢纤维喷射混凝土平均粘结抗拉强度分别为1.79 MPa(规范规定Ⅲ级围岩应≥0.5 MPa[12-13])。与原设计相比,工期可以提前至少3个月以上,取得了良好的社会与经济效益。

[1] 程庆国,高路彬,徐蕴贤,等.钢纤维混凝土理论及应用[M].北京:中国铁道出版社,1999.

[2] 孙成访,谷倩,彭少民,等.喷射纤维混凝土的性能与应用综述[J].混凝土,2008,(8):101-127.

[3] Beuadoin J J.Handbook of fiber-reinforced concrete:principle,properties,development and application[M].Canada.N.J.Noyes Publication,1990:142-147.

[4] 陈兵,张俊儒.大别山隧道单层衬砌湿喷混凝土现场试验[J].路基工程,2009,(4):44-45.

[5] 刘涛.单层衬砌钢纤维喷射混凝土抗渗性能试验研究[J].四川建筑,2009,29(3):221-222.

[6] 韩玉芳,谢士宏,吕臣敬.喷射钢纤维混凝土的工程特性及在隧道工程中的应用[J].石家庄铁道学院学报(自然科学版),2007,20(3):99-101.

[7] 张俊儒,仇文革.隧道单层衬砌研究现状及评述[J].地下空间与工程学报,2006,2(6):693-699.

[8] 张亚梅,孙 伟,王亚丽,等.硅灰和钢纤维对喷射混凝土性能的影响研究[J].混凝土与水泥制品,2002,(3):33-35.

[9] 秦鸿根,刘斯凤,孙伟,等.钢纤维掺量和类型对混凝土性能的影响[J].建筑材料学报,2003,6(4):634-638.

[10] 贺少辉,马万权,曹德胜,等.隧道湿喷纤维高性能混凝土单层永久衬砌研究[J].岩石力学与工程学报,2004,23(20):3509-3517.

[11] CECSl3-89.钢纤维混凝土试验方法[S].北京:人民交通出版社,2001.

[12] GB50086-2001.锚杆喷射混凝土支护技术规范[S].北京:中国冶金出版社,2001.

[13] CECS38-2004.纤维混凝土结构技术规程[S].北京:中国计划出版社,2004.