谈钢纤维喷射混凝土在隧道工程中的应用

谈钢纤维喷射混凝土在隧道工程中的应用【摘要】本文分析了钢纤维喷射混凝土的发展，结合钢纤维喷射混凝土的特性，钢纤维的韧性及与隧道新奥法锚喷支护中相关的主要力学性能，并且结合其在隧道工程中的应用，分析其在隧道工程中取得的经济效益，说明钢纤维喷射混凝土是种理想的支护材料，借此展望未来我国在钢纤维喷射混凝土技术发展方向。

【关键词】钢纤维喷射混凝土；隧道工程；新奥法；韧性；支护材料
一．引言
自1963年以来，钢纤维混凝土踏入实用化时代，在隧道工程中得到广泛的应用，节约了大规模投资的同时也提高了结构的使用寿命。

此外，钢纤维喷射混凝土在欧洲、日本等国已成为隧道支护的关键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，然而和欧美、日本等国相应的研究、行业标准相比起来仍然存在些许滞后。

由于我国国内暂且缺少相应的测试和检验的细节标准，因此虽频繁引鉴国外的标准，尚没有足够借鉴工程应用的经验。

二．钢纤维喷射混凝土的特性
钢纤维混凝土是由水、水泥中骨料、粗砂、钢纤维并且需要时加进掺和料遵循相应的比例调制而成。

，钢纤维是当前国内外相对高端的外掺料，其一，提高了混凝土的韧性、强度以及抗裂性等；其二，让混凝土的特性完成脆性向弹塑性转变。

因此钢纤维混凝土具备优良的总体力学性能。

钢纤维可以分为不锈钢和普通碳素钢这两种类型，其中后者得到比较广泛应用。

2．1 韧性
之所以掺加钢纤维喷射在混凝土中，大体是为了使喷射混凝土的韧性有所提高。

韧性指的是钢纤维喷射混凝土在承载过程中吸取与收纳变形的能力，因此，韧性是钢纤维喷射混凝土的关键特性之一。

2．2 其它关键力学性能
钢纤维喷射混凝土中随意分布的短纤维起到阻制混凝土里微裂缝的扩展以及阻滞宏观裂缝的发展蔓延的作用，由此掺入钢纤维显著改变和提高增强喷射混凝土的主要由主拉应力控制的抗剪、抗弯、抗扭强度和抗拉强度等。

2．3 断裂与断裂韧性
一般的喷射混凝土具有表层被拉容易收缩且干裂的缺点此后断裂缝变成隧道地下水的溢出路道。

在地下水长时间的侵蚀下，断裂后的混凝土将会发生脱落、剥离的现象，支护结构便可能失去支护的作用，甚至产生坍塌现象。

因此，有必要特别指出喷射混凝土处于被拉状况的断裂性能极其关键。

为了达到变形性能有所质量改变的目的，必须在喷射混凝土里面掺进钢纤维，只要钢纤维混凝土发生裂缝现象，钢纤维的作用将愈显而易见。

鉴此，在众多需要冲击需要抗裂并且环境恶劣的隧道工程结构中，钢纤维喷射混凝土尤其为必备材质之一。

了解钢纤维混凝土的特性后，自然而然需要研究其增强机理。

因为从理论上讲，探讨钢纤维混凝土的增强机理对钢纤维对混凝土的增韧、增强和阻裂效应的提高将有很大的帮助，从本质上改变其化学物理以及力学性能，在此基础上归纳与总结高新性能的理论，亦是设计钢纤维混凝土性能的重要依据。

三．钢纤维喷射混凝土在隧道工程中的应用
3．1 钢纤维喷射混凝土与新奥法
当今，新奥法的主要核心内容是在围岩承载环的主动作用下让隧道围岩变成承载的结构。

很明显，是通过支护系统在同围岩共同变形的过程中对围岩变形运动的掌控，实现新奥法对围岩承载能力的利用，换而言之，就是接受围岩变形在某种程度上有所释放。

在之前新奥法的锚喷支护过程中，采用了素喷加锚杆、素喷混凝土支护、喷锚网联合支护和素喷加钢筋网等支护策略，同时在工程应用里取得通过。

但是新奥法古老支护方式的缺点显得相当地突出，尤其在很多工程应用的验证和高新技术的进程中，比如施工容易出现空洞，钢筋网喷射混凝土集料反弹较大甚至素喷的脆性等。

这几年来，工程实践应用中也渐渐地在克服以上存在隐范。

由于钢纤维喷射混凝土的韧性不错，当结构承受的力度到达极点强度后，将会随着变形运动继续保持某种程度的承载力，鉴于它具备对围岩的变形有很好吸收功能的韧性，便于它在与围岩的同步形变中构建起除旧的平衡桥梁，较大规模地使新奥法施工的经济性、机械程度和安全性得以增强。

因此，钢纤维喷射混凝土不愧为理想的隧道支护材料。

3．2 钢纤维喷射混凝土支护
伴随着新奥法的发扬，喷射混凝土早已是一种普遍的支护方式在隧道工程应用实践中。

钢纤维喷射混凝土的抗裂性能大大阻碍了喷层收缩，并且使喷层材料的耐久性与密实性得到提高。

因此，普通喷射混凝土+二次衬砌的复合式结构可以用钢纤维喷射混凝土单层结构来替代，这是一种可行并且长期被接受的衬砌结构。

北美在2O世纪8O年代修建隧道中，便长期运用钢纤维喷射混凝土作为衬砌。

欧洲部分调研所在1979年对钢纤维喷射混凝土、素喷射混凝土和挂网喷射混凝土开展了许多调查探究，调查结果表明：如果拿钢纤维喷射混凝土相比于加钢筋网的喷射混凝土，可以发现很大程度上减少了钢筋网对岩面存在空洞和施工反弹等不利影响，节约了不少敷设钢筋网的同时也让运作效率提高了，总而言之，在经济和技能上都带来积极的情式和影响。

3．3 应用实例
由于位于福建漳龙高速公路的乌石山隧道处在地形不单一的构造剥蚀中低山区，隧道区里主要是断裂更糟糕的是裂隙两两互通，并且大量地方有密集裂隙带，特别在出IZl550 m区域的隧道内许多层间破碎带极其突出，显而易见，该隧道受到的影响是一层高于一层。

据悉，经常在隧道进洞50 m后由于拱顶涌现很多沉降而造成塌方事件。

通过施工方分析与研究，做出以下决策：在Ⅱ、Ⅲ类围岩地带用钢纤维喷射混凝土支护代替钢筋网喷射混凝土支护，左线ZK74+437
ZK74+457、右线YK73+600～YK73+620统一采用面钢纤维喷射混凝土进行工程应用。

做了以上改进后再对工程的支护结构进行分析，调查表明，支护沉降变形相对于施工前减小，并且在无数爆破运动下只产生3～5 mm裂缝同时无危险地经过塌方片区，从施工前后对比，可以看到钢纤维喷射混凝土在隧道工程中的应用取得了可观的成效。

四．取得的经济效益
下面以黎南复线槎路隧道工程为例子，分析与总结钢纤维混凝土在隧道工程应用中如何做到降低工程成本、提高工程质量和加快施工进程，并有良好的经济效益。

表现在如下三个方面：
(1)混凝土的用量及开挖土石方量减少。

喷射钢纤维混凝土减少了素喷混凝土中的本来就有的沉降量(15cm)，这样一来隧道断面开挖立方量减少1．9m每米，
总共1150m。

二次衬砌混凝土了使得复合预留变形到位的数量(均厚度7cm)减少，节约了二次衬砌混凝土890m。

运用喷射钢纤维混凝土来支护补强，可以大大削减了素喷混凝土50%的厚度，在这个过程中让成本降低。

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(2) 减少钢材用量。

喷射钢纤维混凝土代替“新奥法”中古老的网喷支护，换言之，方便扔掉钢筋网片，令施工步骤减少，同时提高施工效率，该隧道总共节省钢筋网片39．13t。

(3)干喷集料回弹率比素喷少。

在干喷(水在喷头处加入)实施运作中，在调查与测试中得知，素喷混凝土的集料返弹率平均大约25%上下，而干喷混凝土由于钢纤维的成网和联结作用，返弹率大概平均仅14%上下。

五．结束语
世界上很大一部分国家在隧道工程中是否采用钢纤维喷射混凝土这个问题上已有了绝对拥护答案。

为什么呢？原因还是值得令人接受并认可的，因为无论是在喷射工艺上，还是从综合经济效益上考虑，钢纤维喷射混凝土都展现出新型复合材料的关键的优点。

如英国应用钢纤维混凝土替代钢丝网加固隧道；日本采纳钢纤维混凝土支护以及修补不良地层和围岩；德国、美国、法国和西班牙等国家都一一制定了对应的运用钢纤维混凝土作为隧道的初期和长期支护的设计和施工规范。

1984年，我国才将钢纤维喷射混凝土实践在隧道工程中，虽然开始比许多发达国家迟，然而这几年发展迅猛，先后成功地运用与实践了钢纤维喷射混凝土技术在云南元磨高速公路、福建罗长高速公路、福建漳龙高速公路和福建京福高速公路等主要工程上，并且取得了良好成效。

同时，我国对钢纤维喷射混凝土技术进行了更深入的研究。

其中特别指出，若想追求优良的混凝土质量和顺利快捷的施工进度，那么必须对选择配合比要慎重，除此之外，认为钢纤维的掺量将对混凝土的运作效率起到关键的影响，所以这是个值得思考的话题。

【参考文献】
[1]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．
[2]赵国藩，仲伟秋．高性能材料在结构工程中发展与应用[J]．大连理工大学报，2003，43(3)：257～261
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