纤维喷射混凝土硬化对隧道围岩的支护作用

侯伟，张露晨，王子方，王鹏程，王修伟

1.山东高速基础设施建设有限公司，山东 济南 250013；2.山东交通学院 交通土建工程学院，山东 济南 250357；3.山东大学 齐鲁交通学院，山东 济南 250100

0 引言

喷射混凝土广泛应用于钻爆法施工的隧道围岩支护中，与锚杆、钢筋网、钢拱架等组成联合支护，形成初支结构，对维护围岩稳定起到关键作用。喷射混凝土是将水泥、砂子、石子、水和外加剂按照一定比例混合，采用喷射机通过高压空气喷射到围岩表面，不需人工振捣，混凝土可快速凝结硬化，1 d抗压强度为10 MPa左右[1-3]。喷射混凝土的早期强度高，可有效抑制开挖洞室的围岩变形，发挥围岩的自撑能力。速凝剂是喷射混凝土中最重要的外加剂，可提高混凝土的早期强度，并有效提高一次喷层的厚度。目前，液体速凝剂应用较多，配合湿喷混凝土使用。速凝剂主要分为有碱和无碱2种：有碱液体速凝剂使混凝土后期强度损失严重，并对人体产生危害，目前使用量逐渐减少；无碱液体速凝剂对混凝土和人体无害，发展较为迅速。周博儒等[4]采用硫酸铝、硫酸镁、氟硅酸镁、磷酸等材料合成了一种新型无碱液体速凝剂，并研究了不同组分对无碱液体速凝剂性能的影响，该速凝剂与水泥的最佳质量比为4%时具有良好的促凝效果及砂浆强度比。关业程等[5]研究硫酸铝类无碱液体速凝剂的促凝机理，发现速凝剂掺量越大，凝结时间越短，此类速凝剂对混凝土的28 d抗压强度有一定影响，硫铝酸盐类速凝剂促进短时间内大量生成钙矾石，并吸收水分，使水泥浆快速硬化。李悦等[6]总结喷射混凝土用速凝剂的研究进展，分析各类速凝剂的特性和机理，指出速凝剂发展中存在产品性能评价指标不完善、使用有毒原料、促凝机理不确定等问题，并探讨速凝剂发展趋势。仇影等[7]以纳米活性氧化铝和改性醇胺为主要材料制成了一种无碱液体速凝剂，与水泥的质量比为6%时，能较好地满足规范要求。刘玮等[8]采用超细硫酸铝、氟硅酸镁、固体醇胺为主要原料，制备了一种干湿两用型粉状无碱速凝剂，该速凝剂溶解在水中可形成液体速凝剂，具有良好的水泥适应性。目前市面上的无碱液体速凝剂仍存在掺量大、促凝效果不好、适应性和稳定性差、含有毒物质等问题[9-11]，需要研制新型速凝剂代替现有产品，加强喷层的支护作用。

在高地应力、大变形等围岩状态下，普通喷射混凝土层易开裂、破碎，在混凝土中掺入纤维能有效提高其韧性。付玉军等[12]研究玄武岩纤维对喷射混凝土性能的影响，并通过试验确定了掺加3 kg/m3纤维对巷道支护具有良好的效果。罗洪林等[13]研究聚丙烯纤维长径比对混凝土力学性能影响，发现聚丙烯纤维直径450 μm时可明显提高基体的力学强度，合理的长径比为80～100。周红芳[14]研究和探讨高弹性模量聚乙烯醇合成纤维喷射混凝土的抗裂性能，高弹性模量PVA合成纤维可有效提高混凝土的抗裂强度，但纤维需均匀分散。部分学者研究喷射混凝土对围岩的支护作用：张顶立等[15]提出隧道支护的本质作用为调动和协助围岩承载，并提出了隧道支护结构体系协同优化设计方法；张德华等[16]考虑喷射混凝土随时间的硬化规律，对高应力隧道初期支护进行三维仿真模拟，建立了适合于高应力隧道的围岩支护特征曲线。对于纤维喷射混凝土，现场应用案例较少，目前主要存在纤维不易分散，混凝土基体分布不均匀，纤维的增韧效果不明显等问题。喷射混凝土层对围岩的支护作用机理不明确，将制约隧道支护技术的发展。

本文研发一种新型无碱液体速凝剂，进行凝结时间试验和砂浆强度试验。在喷射混凝土中掺入聚丙烯粗纤维，并进行室内力学试验，寻找纤维的最佳掺量，以期提高喷射混凝土的抗韧性能。考虑喷射混凝土随时间的硬化规律，采用数值模拟法，研究纤维喷射混凝土层对隧道围岩的支护效果。

1 无碱液体速凝剂

无碱液体速凝剂的主要成分为溶解度较低的硫酸铝，速凝剂与水泥的质量比一般为7%～12%。无碱液体速凝剂中铝离子为主要促凝组分，提高铝离子的质量分数并保证溶液的稳定性是配制速凝剂的主要目的。

1.1 主要材料

新型无碱液体速凝剂的主要材料包括硫酸铝、活性氢氧化铝、醇胺、酰胺和稳定剂。

硫酸铝选用聚合硫酸铝，Al2O3的质量分数大于18%，普通工业级硫酸铝中Al2O3的质量分数一般为15%～16%，在速凝剂溶液中的质量分数为40%～60%。添加活性氢氧化铝可提高溶液中铝离子的含量，粉状无定形氢氧化铝比结晶氢氧化铝的溶解性更好，在速凝剂溶液中氢氧化铝的质量分数为5%～25%。二乙醇胺是一种表面活性剂，促进硫酸铝和氢氧化铝的溶解。三乙醇胺是一种早强剂，与铝离子形成易溶于水的络合离子，降低铝离子的聚合沉淀，起到稳定剂的作用。聚丙烯酰胺是一种增稠剂，提高溶液的黏聚性，有利于减少喷射混凝土回弹。稳定剂促使硫酸铝和氢氧化铝充分溶解，防止硫酸铝析晶和铝离子水解聚沉，提高溶液中铝离子的质量浓度。在现场喷射施工时，采用无碱液体速凝剂确保不产生混凝土坍落现象。

1.2 合成步骤

称取一定量的水并加热至60～70 ℃，分多次加入硫酸铝和活性氢氧化铝，并进行高速剪切搅拌；再加入二乙醇胺和稳定剂，温度控制在70 ℃左右，搅拌90～150 min，初步得到无碱速凝剂母液；对无碱速凝剂母液进行复配，加入三乙醇胺、聚丙烯酰胺，温度控制在40～60 ℃，快速搅拌 60～90 min，过滤后得到新型液体速凝剂。经测定，该无碱液体速凝剂质量分数大于65%时溶液保持稳定不结晶。

1.3 室内试验

采用符合文献[17]的标准砂及混凝土外加剂检验专用基准水泥，化学分析结果及矿物组成见表1。

表1 基准水泥化学分析结果及矿物组成

速凝剂与水泥的质量比为4%～8%，按照文献[18]的要求，测定掺加无碱液体速凝剂的水泥净浆凝结时间和水泥砂浆抗压强度，试验结果如表2所示。

表2 掺加无碱液体速凝剂的水泥净浆凝结时间和水泥砂浆抗压强度

由表2可知：无碱液体速凝剂与水泥的质量比为4%时，凝结时间无法满足文献[18]的标准要求；无碱液体速凝剂与水泥的质量比为5%～8%时，凝结时间满足标准要求；无碱液体速凝剂与水泥的质量比越大，促凝效果越好，养护时间为1 d的水泥砂浆抗压强度越高。掺加无碱液体速凝剂的砂浆28 d抗压强度比均大于1，说明水泥砂浆后期强度有一定程度的提高，这有利于发挥喷层的支护作用。考虑成本，实际使用时，根据现场情况确定速凝剂与水泥的质量比一般为5%～7%。

2 纤维喷射混凝土的力学性能

为提高喷射混凝土的力学性能，在混凝土中加入纤维。目前喷射混凝土中主要采用的钢纤维存在易锈蚀，在喷射混凝土层中分布不均匀等问题。其他纤维如玻璃纤维、芳纶纤维、碳纤维、玄武岩纤维等均存在不易分散、成本高等问题。本文选择聚丙烯粗纤维进行研究，该纤维在混凝土中易分散、易搅拌、耐腐蚀、强度高[19-22]。将聚丙烯粗纤维按不同掺入密度掺入混凝土进行力学性能试验，确定纤维喷射混凝土的最佳配合比。在喷射混凝土中加入聚丙烯粗纤维和无碱液体速凝剂，配制聚丙烯纤维喷射混凝土，能有效抑制喷层开裂，提高喷层对围岩的支护效果。

2.1 试验材料

选用P.O.42.5硅酸盐水泥、中粗砂(细度模数大于2.5)、粒径5～10 mm的碎石，外加剂采用聚羧酸类减水剂，与水泥的质量比为0.8%，减水率为18%～25%。选用的聚丙烯粗纤维密度为0.91 g/cm3，长25 mm，呈波纹形，断裂强度大于560 MPa，弹性模量大于5 GPa，当量直径为0.8～1.2 mm，抗酸碱腐蚀。

2.2 试验方法

采用现场混凝土强度为C25的配合比，水泥、中粗砂、碎石、水的质量比为460∶950∶920∶207。混凝土分别掺入聚丙烯粗纤维2、3、4、5、6 kg/m3，测定混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度和抗弯强度。

制作150 mm×150 mm×150 mm的立方体块，按照文献[23]要求进行试验，采用型号为YAW-2000的全自动试验机测量抗压强度，加荷速度为0.5～0.8 MPa/s，测量劈裂抗拉强度的加荷速度为0.05～0.08 MPa/s。采用型号为WE-300B的电液式万能试验机进行四分点加载弯曲试验，试件选用150 mm×150 mm×600 mm的梁体，加荷速度为0.05～0.08 MPa/s。

2.3 试验结果及分析

保持混凝土的配合比不变，分别测定不同聚丙烯粗纤维密度混凝土的7、28 d的抗压强度、劈裂抗拉强度、抗弯强度，如表3所示。

表3 不同聚丙烯粗纤维掺入密度混凝土的7、28 d抗压强度、劈裂抗拉强度、抗弯强度

由表3可知：聚丙烯粗纤维掺入密度为4 kg/m3时混凝土的抗压强度最高，7、28 d混凝土的抗压强度比未掺加聚丙烯粗纤维的混凝土分别提高了6.9%、6.1%，加入纤维对提高抗压强度作用不明显；聚丙烯粗纤维掺入密度分别为5、6 kg/m3时，混凝土的抗压强度下降，这是因为纤维过多破坏了混凝土的整体性。聚丙烯粗纤维掺入密度越大，混凝土的劈拉强度也越大；聚丙烯粗纤维掺入密度为6 kg/m3时，混凝土28 d劈裂抗拉强度比未掺加纤维时提高了44.4%；聚丙烯粗纤维掺入密度为4 kg/m3时，劈裂抗拉强度提高不明显。随着聚丙烯粗纤维掺入密度的增大，混凝土的抗弯强度增大；聚丙烯粗纤维掺入密度为6 kg/m3时，混凝土28 d抗弯强度比不掺加聚丙烯粗纤维提高了69.2%。

因此，聚丙烯粗纤维掺入密度为4 kg/m3时，混凝土力学性能较好，且能控制成本。

3 考虑硬化的喷层支护作用

3.1 混凝土硬化规律曲线

在隧道支护中，喷射混凝土的早期抗压强度影响较大。在养护前3 d内，隧道的收敛变形发展变化较快，考虑喷射混凝土的硬化过程可较准确地分析喷射混凝土与围岩的相互作用关系[24-25]。

采用现场C25喷射混凝土配合比，加入研制的无碱液体速凝剂，聚丙烯粗纤维掺入密度为4 kg/m3，进行喷射混凝土大板试验，测得9个试块8、12 h与1、3、7、28 d的单轴抗压强度-时间回归曲线、弹性模量-时间回归曲线如图1、2所示。

图1 纤维喷射混凝土单轴抗压强度-时间回归曲线 图2 纤维喷射混凝土弹性模量-时间回归曲线

由图1、2可知，掺入研制的无碱液体速凝剂和聚丙烯粗纤维能有效提高喷射混凝土的强度。由此得到聚丙烯粗纤维喷射混凝土回归后的强度-时间曲线公式和弹性模量-时间曲线公式分别为：

{FC(t)}=31.2(1-0.27e-0.18{t}-0.77e-0.01{t})，

(1)

{E(t)}=25.4(1-0.39e-0.127{t}-0.46e-0.013{t})，

(2)

式中t为时间。

3.2 数值分析

采用通用离散单元程序法(universal distinct element code，UDEC)数值模拟软件模拟聚丙烯粗纤维喷射混凝土的支护作用。喷射混凝土的抗压强度随时间的延长而增大，并最终达到稳定值，一般取28 d抗压强度为最终结果。在模拟喷层对围岩的支护时，往往忽略喷射混凝土的硬化过程，直接采用喷射混凝土的28 d抗压强度进行模拟，造成模拟结果与实际数据有一定的差距。因此，数值分析时需考虑喷层的硬化过程规律，与不考虑硬化过程进行对比分析，引入式(1)(2)，得到模拟结果。

3.2.1 围岩塑性区

通过数值模拟分析，分别得到不考虑喷层硬化、考虑喷层硬化时纤维喷射混凝土层支护的围岩塑性区范围，如图3所示。

a)不考虑喷层硬化 b)考虑喷层硬化图3 围岩塑性区范围

由图3可知：考虑喷层硬化时，围岩的塑性区范围比不考虑喷层硬化时大，塑性区多分布在拱脚和边墙附件；不考虑硬化时，塑性区主要分布在边墙附件。喷射混凝土层在硬化过程中，围岩同时收敛，二者协同变形，喷射混凝土层起到了让压卸载的作用，有利于围岩的应力释放。

3.2.2 喷层轴力

通过数值模拟分析得到不考虑喷层硬化和考虑喷层硬化时的纤维喷射混凝土层的轴力，见图4。

a)不考虑喷层硬化 b)考虑喷层硬化图4 纤维喷射混凝土层的轴力

由图4可知：不考虑喷层硬化时纤维喷射混凝土喷层的最大轴力为728 kN，考虑喷层硬化时喷层的最大轴力为554 kN。考虑喷层硬化时，喷层与围岩共同变形，纤维混凝土喷层具有良好的韧性，围岩压力得到有效释放，作用于喷层上的应力相应减小，有利于支护结构的稳定。

在隧道开挖初期，考虑喷射混凝土硬化有利于喷层与围岩产生协同变形，起到让压卸载的作用，减少支护结构的受力。但应加强支护结构强度，否则可能扩大围岩塑性区，增大围岩位移，引起围岩失稳。

4 结论

1)研制一种无碱液体速凝剂，与水泥的最佳质量比为5%～7%，初凝时间约为3 min，终凝时间约为5 min，水泥砂浆后期抗压和抗弯强度有所提高，该液体速凝剂有较好的稳定性和水泥适应性。

2)对纤维喷射混凝土进行室内抗压强度试验、劈裂抗拉强度试验和抗弯强度试验，可知在混凝土中掺加聚丙烯粗纤维的掺入密度为4 kg/m3效果最佳。

3)采用离散单元程序法数值软件计算模拟纤维喷射混凝土对围岩的支护作用，可知：考虑喷层混凝土硬化时围岩塑性区范围比不考虑喷层硬化时大，这是因为喷层能起到让压卸载的作用，有利于围岩所受应力的释放；考虑硬化时喷层轴力较小，说明喷层韧性较好，与围岩协同变形，有利于支护结构的稳定。

本文主要针对聚丙烯粗纤维喷射混凝土及其硬化对隧道围岩的支护作用，随着可用纤维类型的增多，还需进一步研究不同类型纤维喷射混凝土的性能试验，对纤维的力学性能增强效果进行数值分析。对喷层与围岩的相互作用机理仅考虑喷层随时间的硬化规律，未全面反应喷层的支护作用，还需从支护结构与围岩的接触面等方面进行考虑，以便进一步明确支护与围岩的相互作用。