钢纤维混凝土在隧道工程的应用研究

(重庆交通大学土木工程学院 重庆 400074)

一、引言

随着我国交通行业快速发展，公路山区隧道在我国各大城市和地区大规模建设，而隧道的支护在其中发挥着重要的作用，一般的隧道施工，常常应用的是普通喷射混凝土进行初支，而针对那些高风险软弱地段，要求控制很小的变形量区域，使用普通喷射混凝土和支架支护难以达到其对变形量的控制。钢纤维作为一种新研发的材料,经过众多学者几十年的研究，在国内外得到了广泛的应用。相比于普通混凝土而言，钢纤维混凝土不但能明显改善混凝土基体延性和耐久性，而且增强其断裂韧性和抗冲击等力学性能,且由于它对施工的便捷和安全,在道路工程、桥梁工程、隧道工程上的应用越来越多。钢纤维混凝土是由乱向均匀的短钢纤维散布于混凝土基体中搅拌合成的新型建筑材料,在现代隧道设计理念的推广下,越来越多的被研究人员关注,在众多大型工程中得到应用。

二、钢纤维混凝土的增强作用机理

钢纤维混凝土是由乱向均匀分布于混凝土基体中的短钢纤维组成。了解钢纤维混凝土的增强阻裂机理,是在宏观上把握钢纤维对混凝土基体耐久性和延性提升,微观层面解释降低裂纹尖端应力强度的理论基础,也是进行其工程应用的理论依据。现在对于钢纤维混凝土增强机理比较成熟理论主要有复合材料理论：该理论主要原理是认为其是由复合材料构成的，视钢纤维和混凝土基体是共同工作的整体，并假定混凝土基体和钢纤维处于完全粘结的条件下，两者均为弹性状态并且承载能力为两者加在一起的结果。与纤维间距理论:该理论认为钢纤维混凝土块体单元中存在一定数量的钢丝在外部拉力作用方向上呈棋盘状均匀散布于四周，短钢纤维的平均中心距离为一确定数值 ，通过外部拉应力的作用，基体内部裂纹尖端会出现应力集中，钢纤维能够有效减小混凝土基体内裂缝尖端的应力强度。

纤维混凝土的韧性及增韧机理：在喷射混凝土中加入钢纤维可以有效增强结构整体吸收能量的能力和抗冲击能力,提供开裂的阻力,限制裂缝开裂,并且能明显改善混凝土的延展性，能够使混凝土基体由脆性破坏转换为具有一定延性的塑性破坏，常常以荷载—位移曲线与横坐标轴所包围的面积表示韧性大小。混凝土基体是抗拉强度很小的脆性材料,耐久性和延伸性能都很小，最本质的缺陷是材料内部含有许多初始微裂纹、微孔隙的存在，当基体受到外力作用,截面上的各质点受力不同,因而在这些原始裂缝尖端产生应力集中，致使裂纹不断扩展，最终导致基体过早的破坏，其力学性能并没有完全发挥，而钢纤维的加入使得混凝土在已经开裂，变形很大的情况下依然可以有稳定的变形，体现其延展性，说明了在加入钢纤维之后，基体可以带裂纹工作，即出现开裂后，构件仍然有一定工作性能。

三、钢纤维混凝土在隧道工程中的应用

在公路和铁路隧道快速发展下，喷射混凝土成为主要的支护形式，它也随着现代设计理念的成熟而不断变化。普通喷射混凝土在结构形成过程中会因为失水等原因引起干缩，当收缩应力达到了基体的抗拉强度，内部及表面就会产生一系列裂纹，最终成为微裂缝,这些开裂裂缝就会成为隧道地下水渗漏的途径。开裂之后的混凝土基体在地下水长时间的侵蚀下发生脱离甚至破坏,支护结构就会丧失承载能力,最终会产生坍塌现象，完全破坏。在钢纤维加入混凝土中后,结构整体变形能力得到提升，有效的加强了延展性和耐久性,且钢纤维在混凝土基体出现裂缝后的作用具有更明显的优势,能起到很好的阻止裂缝作用，可有效减少微裂缝的产生和扩展的概率，阻止原有裂纹的延伸和阻滞宏观新裂纹出现。所以，钢纤维混凝土可以安全的应用在不良地质软弱围岩的隧道工程中。现代隧道设计理念是充分发挥围岩的自承能力，允许围岩发生容许范围内的变形值，这也是新奥法的核心理念。在充分发挥围岩的自身承载能力上，当下建筑设计手段是在支护与围岩共同承载的过程中通过合理控制围岩的变形大小来实现的。现如今，大多隧道支护应用手段为喷锚支护、钢拱架喷射混凝土支护,我国多数服役隧道均采用以上支护方法。然而，随着越来越多的穿越不良地质建筑工程和新型材料的研发,传统支护形式已经不能满足现在支护要求,比如普通混凝土的抗拉强度与耐久性很差，高地应力支护结构围岩压力过大导致破坏等。而钢纤维混凝土的发展和应用很好地解决这些困难。钢纤维混凝土具有较好的延性耐久性，抗裂能力等力学性能,在构件作用达到极限强度后，随着变形的发展甚至开裂，仍具有较好的承载能力。

由于钢纤维的加入使得钢纤维混凝土具有良好的抑制开裂和带裂缝工作能力,减少了基体原始缺陷提高了支护结构的延性和耐久性,现在，较好的围岩级别应用钢纤维混凝土单层衬砌结构作为永久支护结构，钢纤维混凝土单层衬砌与围岩能够紧密粘结在一起，允许和控制围岩变形即与岩体共同变形。二十世纪八十年代,国外科学家针对普通混凝土和钢纤维混凝土两者之间进行了大量试验和理论研究,并在实践中获得试验数据对比，结果表明:钢纤维混凝土与普通喷射混凝土相比较,在开裂的情况下结构仍然具有一定承载的能力，且延性和耐久性，所以其能够代替钢筋网喷射混凝土支护而且与隧道围岩能够很好的粘结在一起，有效的防止出现钢筋网对施工质量、衬砌压缩变形以及接触面存在空洞的危害,大大加快施工进度和安全,提高了工作效率和安全性。与普通喷射混凝土相比,钢纤维喷射混凝土显著的提升了抗裂性和延性耐久性,很好的吸收变形的能力,能够更好的平衡围岩的变形，满足施工要求。同时,由于混凝土基体水分蒸发导致收缩干裂会降低其与岩石的粘结力,钢纤维的加入使得收缩裂纹受到钢纤维的抑制,钢纤维是乱向均匀分布在混凝土基体中的短纤维,有利于混凝土与围岩表面的粘结和协同变形，这些优点都表明钢纤维混凝土是一种理想的支护材料。

四、钢纤维混凝土应用前景

钢纤维混凝土由于其良好的力学性能和应用价值体现了它作为新型建筑施工材料的优势,故而在世界众多发达国家如欧盟多数国家、美国、日本等，钢纤维混凝土在隧道等地下工程中得到广泛的应用,发达国家也将钢纤维混凝土应用于军事建筑中。我国在钢纤维喷射混凝土的应用研究上起始于七十年代，随着国家经济和技术的发展，已经在铁路和公路隧道以及其他领域开始广泛应用，先后推出了钢纤维混凝土的试验及应用规范和标准，取得了显著的成绩。随着西部大开发以及一带一路的建设，对钢纤维混凝土有了更深入的研究和应用，这种新型的衬砌支护材料将会得到更为广泛的应用和发展。