钢纤维喷射混凝土在隧道衬砌中的应用与研究

张欲晗

（中铁十二局集团 山西 太原 030032）

0 引言

在欧洲、日本等国，钢纤维喷射混凝土已成为隧道支护的主要结构形式和施工方法，我国干喷法钢纤维混凝土近年来发展的也较快。但是相比欧美、日本等国，我国目前的相应的研究、技术指导文件、行业标准还是有些滞后，有关的试验和检验的细节国内尚无相应的标准，虽然大量引用国外标准内容，仍缺乏大量工程应用的借鉴。

1 工程概况

卡迈尔公路隧道位于以色列海法市中心，是由东、西隧道组成，为双向分离式隧道，共4座单洞，全长9495m。该隧道属于暗挖隧道，洞身穿越砾岩 （Conglomerate）、白垩岩（Chalk）、石灰岩（Limestone）、凝灰岩（Tuff）、白云岩（Dolomite）等，地质情况复杂，施工难度大，其中西隧道穿越的890米火山凝灰岩段地段尤为复杂。隧道不设二次衬砌，采用C30/37干喷钢纤维混凝土、格栅钢架、砂浆锚杆组成的联合锚喷支护体系作为永久支护；该隧道采用新奥法施工，安全质量控制采用欧洲及以色列等国家相关安全技术质量控制标准。

2 原材料要求及配合比

该隧道衬砌全部采用C30/37钢纤维喷射混凝土作为永久支护，大部分喷射混凝土厚度为400mm，其中凝灰岩地段设计厚度为800mm，钢纤维掺量设计要求不低于50kg/m3，采用干喷法施工工艺。

2.1 为了达到最佳施工质量及相关要求，在进行喷射钢纤维混凝土配合比设计前，对混凝土原材料都有具体的要求。

2.1.1 钢纤维

根据国内大量的实验研究和工程应用，在选取钢纤维几何参数和掺量时，要兼顾钢纤维混凝土强度和韧性以及拌合物的施工性能，对于隧道衬砌而言，混凝土的阻裂、增强、增韧效果以及工程的成本是非常重要的，对于施工有特殊要求的干喷法喷射混凝土，不仅仅韧性要求较高，而且还要承受爆破、围岩荷载的情形，所以选择钢纤维宜细长些、掺量宜高些。本工程选用性能优良的新型高强钢丝切断端钩型纤维，选用钢纤维长度33mm，长径比为60，钢纤维掺量50kg/m3，体积率约为0.62%。

经试验试配和现场试喷表明，其增强效果和施工性能以均可满足要求。

2.1.2 水泥

采用CEMI52.5R水泥，早期强度高，增长快，后期强度有保障，钢纤维混凝土中水泥用量较大，为360kg/m3～480kg/m3。

2.1.3 细骨料

采用硬质、洁净的中砂为宜。

2.1.4 粗骨料

质地坚硬的人工碎石均可，喷射混凝土最大粒径不宜过大，选用粒径为5mm～10mm的碎石。我国喷射混凝土骨料最大粒径通常为15mm，砂率45%～50%，但考虑到减少喷射管道输送阻力减少堵管和减少回弹，及参考当地国家规范，确定最大骨料粒径为10mm，砂率为50%～70%。

2.1.5 水

选用饮用水。

2.1.6 速凝剂

隧道开挖中渗水较大时，为尽快提高混凝土的早期强度，一般按2%～4%的掺量加入速凝剂。使用前先做与水泥的相容性试验及水泥净浆凝结效果试验，初凝时间不应大于5min，终凝时间不应大于10min。经试验选定掺量为水泥质量的3%。

2.2 配合比

根据铁道科学研究院的试验证明，决定抗压强度的主要因素仍然是喷射混凝土的配合比设计。通过对C30/37干喷钢纤维混凝土强度、抗渗性和抗氯离子渗透性等耐久性特性要求的综合分析，结合以色列当地原材料特性，通过计算及试验室反复比选，C30/37喷混凝土理论配合比设计如下所示：

CEMI52.5R 水泥，477kg；机制砂 0.15-5mm，822kg；粗骨料（碎石）5-10mm，803kg；钢纤维，50kg；速凝剂：MEYCO SA 162(液态)；水，238kg。

3 施工工艺与控制

3.1 混凝土拌制、存放和运输

图1 混凝土施工工艺流程图

钢纤维在拌和料中的分布均匀性，不仅与原材料和搅拌工艺有关，而且受搅拌机械和投料方法影响更大。本工程施工中采用双阶式搅拌站和双卧轴强制式搅拌机。

干喷法施工时，喷锚料应尽量随拌随用，掺入速凝剂时存放时间不得超过20分钟，不掺入速凝剂时干混合料存放时间不超过1小时，否则被视为废料，废料不可以再使用。在运输和存放过程中不得淋雨、流入水或其他杂质。

表1 喷射混凝土试验项目检验标准

3.2 人员配备

喷射手两人轮换及辅助工作，兼任工班长；上料四人，两人一组轮换工作，每组一人兼任喷射机司机；搅拌3人，1人为搅拌机司机，两人轮换兼任运料车司机；另需当值电工1人。

3.3 现场喷射作业

3.3.1 在施工时还应注意风压对喷射钢纤维混凝土的影响。采用适当的风压是减少回弹损失、钢纤维均匀分布的必要条件。若风压过大，粗骨料碰围岩后会回弹，降低风压则横向气流的压力和流速也会降低，这样不仅会减少钢纤维的回弹损失，也会改善钢纤维分布的不均匀性；若风压小，喷射动能小，粗骨料冲不进砂浆层而脱落，都将导致回弹量增大。以混凝土回弹量小、表面湿润有光泽、易粘着为度来控制喷射压力。送风之前先打开计量泵，送风后调整风压，喷射风压控制在0.45～0.7MPa为宜。

3.3.2 混合料经过10mm的筛后进入混凝土喷射机通过胶管长距离的高速输送，在喷头处已稍有分离，水在按比例混合液体速凝剂后在喷头处加入，喷射应根据当前标定的给水速度和水压调整喷头处的水阀，按混凝土配合比设计确定的水灰比供水（扣除拌和时降尘用水）。

喷射混凝土时，喷枪要尽量垂直地正对工作面，喷射方向与受喷面垂直等距喷射，喷头与受喷面距离1.0～1.5m。若受喷面被钢架、钢筋网覆盖时，可将喷嘴稍加偏斜，但不宜小于70°，喷头连续平稳地自下而上水平横向移动，成一圈压半圈的螺旋缓慢移动，保证混凝土层面平顺光滑。

3.3.3 分层喷射混凝土到设计厚度，每层厚8～20cm；格栅钢架保护层不小于5cm。整个喷射混凝土表面要平顺。喷射作业分段分片依次进行，喷射顺序自下而上，分段长度不大于6m。分层喷射时，后一层喷射在前一层混凝土终凝后进行，若终凝1h后再进行喷射时，先用高压风水清洗喷层表面。在喷射下台阶及仰拱时，需首先将喷射面清理干净，禁止回弹料混入下部喷层中形成“蜂窝”，降低支护体系的强度。喷射过程中必须注意回弹物对工作人员的伤害，应加强防护，特别是对眼睛的防护。

3.3.4 养护

混凝土施工质量的好坏，受养护的影响相当明显。因此在混凝土喷射完毕后要及时洒水养护，其养护时间不应小于14d。

4 试验控制指标及性能研究

测试方法及控制指标

4.1 钢纤维含量

喷射混凝土钢纤维含量测定时为钢纤维与混凝土干拌料比值的百分数。

4.2 抗压强度

混凝土试验检测为实体钻心取样检测，根据检验频率随机选取取芯位置，由第三方试验室进行取芯试验检测。如取样不合格，则加倍取样，若仍有不合格试样，则判定此检验批混凝土为不合格。C30/37混凝土的标准立方体抗压强度为37MPa，其标准圆柱体轴心抗压强度为30MPa，经计算后对比试验验证，试验芯样28d的抗压强度不小于42MPa，且单个芯样的强度值不小于90%设计强度。

4.3 粘结强度

混凝土的粘结强度即为喷射混凝土与岩石的粘结强度。

4.4 缺陷等级

混凝土的缺陷等级通过钻芯所取试样的来评价其外观缺陷等级，其结果与钢纤维混凝土搅拌的均匀性和喷射混凝土的喷射水平有很大关系。

喷射混凝土的各试验项目控制指标见表1。

5 结束语

卡迈尔隧道工程实践证明，钢纤维喷射混凝土本身施工快捷、方便，有利于工程质量安全和进度，在适应隧道施工空间有限、隧道断面多变，横通道避车洞多等作业施工条件等方面具有明显的优越性。同时，混凝土质量及施工进度对配合比的选择和施工工艺有较高的要求，所以在施工前的精心比对选取配合比和施工前的试喷非常重要；另外，钢纤维的掺量对混凝土的工作性也有很大的影响，应引起重视。

［1］STATE OF ISRAEL.CHAPTER 54:General Specification[M].2nd edition.Updated,1997.

［2］怀平生.以色列卡迈尔隧道凝灰岩段设计施工技术[J].铁道建筑，2009（11）：30-33.

［3］程庆国，等.钢纤维喷射混凝土理论及应用[M].北京：中国铁道出版社，1999.

［4］BRITISH STANDARDS INSTITUTION.BS EN 206-1:2000 Concrete–Part 1:Specification,performance,production and conformity.

［5］中国工程建设标准化协会标准:CECS38:2004纤维混凝土结构技术规程及条文说明[S].北京：中国计划出版社，2004.

［6］EFNARC 1996.European specification for sprayed concrete[OL].www.cfnarc.org.

［7］ASTM CI116-02 standard specification for Fiber-Reinforced Concrete and Shotcrete[S].Philadelphia.P.A.:American society for testing and Materials(ASTM).