钢纤维喷射混凝土在隧道施工中的应用

（福州成建工程监理有限公司）

钢纤维喷射混凝土在隧道施工中的应用

夏国庆

（福州成建工程监理有限公司）

钢纤维喷射混凝土具有较好的承载性能和强度被广泛应用到国内外工程建设的各个领域，近年来在复杂地质条件下的隧道施工作业中也得到了迅速推广。对于隧道施工中的钢纤维混凝土喷射技术，国内还没有形成完整的标准和规范，且钢纤维喷射砼的关键技术和工艺流程的控制还有待进一步总结提高。本文探讨了钢纤维喷射砼的基本力学性能和特点，并借助宁德福宁2号隧道在隧道开挖支护案例中对其施工工艺和技术进行了探究，为该材料在同类工程中的使用提供参考。

钢纤维喷射混凝土；工艺流程；关键技术；隧道

0、引言

随着城市交通发展，隧道工程在我国各大城市和地区大规模建设，隧道施工技术的研讨课题也越来越多。由于隧道受线路和地形、地貌等影响，浅埋偏压等形式，再加上不良地质条件的影响，其开挖、支护与混凝土浇筑等环节都面临着许多困难。特别是影响隧道施工安全的变形量控制，在隧道施工过程中的支护就显的至关重要。普通的隧道施工，往往选用普通喷射砼进行初期支护，但对于特殊、高风险地段，变形量控制要求很小的区域，使用普通喷射砼和支架支护就比较难实现其变形的严格控制。钢纤维喷射砼的使用改善了这种状况，但作为新型材料，其主要力学性能和实际施工工艺和技术在实践中的探究还比较少，还需要加强施工工艺、关键技术的控制。

1、钢纤维喷射砼（SFRC）主要特性

1.1主要特性介绍

该类材料是对传统混凝土的改良研发出的一种新型材料，其制备主要技术是将钢纤维均匀掺入到重新设计调配的普通喷射砼之中，同时通过现代高压机械设备实现钢纤维砼喷射在隧道支护表面的一种复合型新材料。其研发能够有效克服传统普通喷砼的易开裂、抗拉强度低、延性较差等缺陷，特别是提高了混凝土的韧性和抗冲击性，从而极大改变了混凝土原来一直作为脆性材料的概念。隧道支护施工使用的钢纤维喷砼与普通钢筋喷砼相比，具有跟围岩结合紧密、速度快、早期强度高、促进围岩自身承载能力提高等特点，有效杜绝初支背后空洞、抑制隧道围岩和初支结构的变形、确保了隧道施工安全。

1.2钢纤维的主要分类

钢纤维喷射砼中掺入的钢纤维大体包括：①钢丝切断型钢纤维、②薄板剪切型钢纤维、③铣削型钢纤维、④熔抽型钢纤维。有些钢纤维由于承载性能不佳，隧道工程中经常使用的多为前两类。

1.3基本力学性能分析

（1）钢纤维喷射砼的抗压强度与抗拉强度

通过工程试验研究表明，在普通混凝土之中加入钢纤维对其抗压强度影响是比较小的。当前隧道施工中，通常选用CF20、CF25和CF30等不同强度等级的钢纤维喷射砼进行支护施工，其抗压强度较C20、C25和C30强度稍高。但钢纤维砼却较普通砼的抗拉、抗折强度有了较大提升。比如CF30等级的钢纤维混凝土，其抗拉强度一般要较同等级的普通混凝土在2 MPa以上。

（2）钢纤维喷射砼的弯曲韧度

弯曲韧度是衡量该类砼的重要的性能标准，也是评估钢纤维喷射砼在发生开裂之后的承载性能的重要依据。其在荷载作用下的挠度曲线变化情况见下图1所示。其中A、B、C、D四个点主要指不同幅度大小作用力下的挠值； Pe代表刚开始开裂对应的承载力大小。

图1.钢纤维砼荷载与挠曲线变化情况图

国内根据韧度指数大小对钢纤维砼的承载性能进行评估。不同等级的韧度指数对应着不同开裂荷载的的荷载挠度值，比如I10对应的是5.5δ、I30对应15.5δ，弯曲韧度指数I5、I10、I30分别为变形达到3δ、5.5δ、15.5δ时试件对应的吸收能韧度与试件初裂时的吸收能韧度的比值，其中δ代表钢纤维砼刚开始开裂所对应的挠度值大小。国内使用的钢纤维喷射砼通常要符合如下规范要求：

①钢纤维砼的弯曲韧度指数要符合：I10=6～8 ，I30=18～24

②钢纤维砼的韧度系数：R30/10≥60

能够满足以上几项要求的钢纤维喷射混凝土材料才能使用到隧道工程建设中。

1.4钢纤维喷砼与普通喷砼的区别、受力分析

钢纤维喷砼与普通喷砼相比主要区别体现在如下几点：

（1）钢纤维喷砼相比普通喷砼主要掺入了钢纤维，在力学性能方面凸显了其承载力、延性较强，隧道初期支护关乎施工安全风险的变形控制主要就是通过钢纤维来实现的。

（2）关于力学性能方面，普通喷砼试件与钢纤维喷砼试件通过试验反应出了钢纤维喷砼在受力作用下的挠曲线变形情况，具体见下图2和图3所示

图2. 普通喷砼荷载—挠度曲线

图3. 钢纤维喷砼荷载—挠度曲线

2、应用实例

2.1工程概况

福宁2号隧道位于宁德市福宁北路兰田与漳湾之间，设计为双向四车道，为上下行分离的双洞大跨（最大开挖跨度接近16.6米，）、小净距隧道（中夹岩厚5-6米），隧道长405米，隧道限宽13.75米，限高5.0米。隧道埋深约2-35米，围岩为残坡积土及碎块状强风化凝灰熔岩，地下水位高于隧道底板，边仰坡采用锚喷防护，辅助进洞措施采用套拱加大管棚。由于隧道浅埋偏压、围岩破碎富水软弱，隧道采用双侧壁导坑法开挖即俗称眼睛法开挖见图4所示，为保证隧道施工安全，需加强防排水，并按设计要求采用合理的加固方法来提高中夹岩柱的承载能力,同时主洞初期支护采用刚度较大的工字钢和喷射钢纤维砼以控制其变形量。

图4.软弱围岩浅埋偏压小净距大跨双线隧道开挖支护顺序示意图

2.2钢纤维喷射砼主要工艺流程

该隧道初支钢纤维喷射砼施工具体步骤见图5所示

图5.隧道湿喷钢纤维砼施工工艺流程图

2.3钢纤维喷射砼施工工艺、技术要求

（1） 钢纤维喷砼施工控制要点

① 选用普通硅酸盐水泥，适当添加硅粉或置换一定量的水泥，细度模数大于2.5的硬质洁净砂，粒径5-12mm连续级配碎(卵)石，化验合格的拌合用水。

② 喷射混凝土严格按设计配合比进行拌和，按各种材料先干拌合均匀后再加水的步骤，配合比及搅拌的均匀性每班检查不少于两次。

③初支喷护采用湿喷工艺， 喷射前认真检查隧道断面，对欠挖部分及所有开裂、破碎、出水点、崩解的破损岩石进行清理和处理，清除浮石和墙角虚碴，并用高压水或风冲洗岩面。

④ 喷头距岩面距离为0.6m～1.2m，喷头垂直受喷面，喷初期支护钢架背后，将喷头稍加偏斜。喷射路线应先边墙后拱部，分区、分段螺旋形运动，喷头作连续不断的圆周运动，后一圈压前一圈1/3，螺旋状喷射。

⑤ 喷射混凝土作业采取分段、分块，先墙后拱、自下而上的顺序进行。喷嘴做反复缓慢的螺旋形运动，螺旋直径约为20～30cm，以保证混凝土喷射密实。同时掌握风压、水压及喷射距离，通过调整减少回弹量。

⑥ 隧道喷射混凝土厚度＞8cm时分两层作业，第二次喷射混凝土如在第一层混凝土终凝1h后进行，需冲洗第一层混凝土面。初次喷射先找平岩面。

⑦ 喷射混凝土终凝2h后，进行喷水养护，养护时间不少于7d。隧道开挖下次爆破距喷射混凝土完成时间的间隔，不得小于4h。

(2) 有水地段喷射混凝土的施工措施

① 当涌水点不多时，设导管引排水后再喷射混凝土；当涌水量范围较大时，设树枝状排水导管引排后再喷射混凝土；当涌水严重时可设置泄水孔，边排水边喷混凝土。

② 增加水泥用量或置换一定比例的硅灰，改变配合比，喷混凝土由远而近逐渐向涌水点逼近，在涌水点安设导管，将水引出，再向导管附近喷混凝土。

③ 当岩面普遍渗水时，先喷砂浆，并加大速凝剂掺量，初喷后再按原配合比施工。当局部出水量较大时采用埋管、凿槽、树枝状排水盲沟等措施，将水引导疏出后再喷混凝土。

④ 当喷射混凝土局部凹凸不平尺寸大于下述要求时，进行处理。边墙：D/L=1/6；拱部：D/L=1/8。式中：L—喷射混凝土相邻两凸面间的距离；D—喷射混凝土两凸面凹进的深度。

2.4钢纤维喷射砼施工效果分析

（1）钢纤维喷砼施工综合效果

湿喷钢纤维砼在该隧道初支的使用显现了其施工效率高、施工进度快、施工环境、安全有保障的施工综合效果。通过湿喷钢纤维砼有效提高了隧道围岩的初期支护强度，有效解决了隧道软弱地质类型支护早期结构开裂、沉降、变形等不稳定的问题。

（2）钢纤维喷砼施工回弹量分析

湿喷钢纤维砼从原材料选用、配比、拌合、运输、施工操作等力求科学和规范，并采取现代化的工装设备，回弹量较普通喷砼的25%左右下降到了5%-10%，有效降低了施工成本，并加快了施工进度。

（3）质量和安全防护方面分析

初支使用湿喷钢纤维混凝土施工，从喷砼的厚度、强度、平整度、空洞、裂缝、沉降、收敛等，根据现场实地观察、实测实量、实体检测、取样试验等检查各项指标和数据均能满足设计和规范要求。有效保证了施工质量和管控了风险。

3、钢纤维喷射混凝土的使用效益分析

3.1综合效益方面分析

选取湿喷钢纤维砼的形式对隧道初期支护起到显著的加强的作用，有效抑制了隧道围岩对初期支护造成的开裂和变形，并将设计预留变形量15公分控制在了8公分左右，解决了复杂地质条件下的不安全问题。同时使用湿喷法施工能够有效减少洞内粉尘污染，为施工人员身体健康和工作环境创造了条件，为综合效益的提高奠定了基础。

3.2施工进度方面效益分析

采取湿喷钢纤维砼减小了开挖预留变形量既减少了围岩开挖量和运输；省去了钢筋网的加工、安装等工序；钢纤维喷砼一次喷射厚度较普通喷砼提高一倍多，减少了多遍工序操作；使用湿喷机施工，创造了有利的洞内施工环境，提高了施工人员的工作积极性；通过不断的调整回弹控制方法来有效减少回弹量，对围岩及时有效的封闭、降低风险起到了重要作用。

4、结语

本文研究了钢纤维喷射砼的主要特性、主要施工技术控制要点等内容，并借助宁德福宁2号隧道项目钢纤维喷射砼实例，对钢纤维喷射混凝土的主要应用工艺流程和控制要点等进行了实践，进一步验证了钢纤维喷射砼在不良地质条件下和高风险隧道施工中较普通喷砼具有更高的抗变形能力及潜在的技术、经济和社会效益，希望通过本文的研究为今后加强隧道初期支护施工提供技术支持。

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