纤维混凝土在武广铁路客运专线隧道中的应用试验研究.pdf

隧 道 地 下 工 程 纤维混凝土在武广铁路客运专线隧道中 的应用试验研究 李明领 ( 武广铁路 客运专线有限责任公司 ，武汉4 3 0 0 6 0 ) 摘要 ： 结合武广铁路 客运 专线 隧道二衬设 计和施 工情 况， 对 高速列车行驶过程 中二次衬砌的受力情况进行对 比分析 ； 对二 次衬 砌加 筋 的 必要 性 及 加 筋 方 式 进 行 比较 分 析 ； 对 前 期 施 工 的 隧道 采 用 纤 维 混凝 土进 行 室 内及 现 场 衬 砌 试 验 研 究 ， 纤 维 混 凝 土可改善早期抗裂性能 、 抑 制后期裂纹发展及 从整体上改善二 次衬砌混凝土的服役期工作性能 ， 应 用纤维混凝土衬砌工作性 能及 外 观 效 果较 好 。 纤 维 混 凝 土 的 试 验 研 究及 在 高速 铁 路 隧 道 、 级 围岩 中的二衬使 用 ， 对类似 工程将 具有较好 的参考 价 值 。 关键词 ： 武广铁 路客 运 专线 ；隧道二 衬 ；纤维混 凝 土；试验 研 究 中图分类号 ： U 2 3 8 ； 15 4 5 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 4 2 9 5 4 ( 2 0 1 0 ) O l 0 1 2 6 0 5 收稿 日期： 2 0 0 91 20 8 作者简介： 李 明领( 1 9 6 8 一) ， 男， 高级工程师。 1 概 述 武 广铁路 客运专 线正 线 隧道 约 1 7 2 k m， 占线路 长 度的 1 7 3 。隧道 穿 越 地 层 复杂 多变 ， 、 V级 围岩 占隧道 总长 的 5 7 1 9 ， l I、 I I I 级 围岩长 度 7 3 7 k m， 占 全线隧道 总长 度的 4 2 8 l 。 武 广铁路 客运专 线隧道 施工 图设计采 用复合 式衬 砌， 、 级围岩二次衬砌结 构采用素混凝土， 经结构 计算 和经验类 比确 定结 构 厚 度 ， 素混 凝 土结 构 能满 足 承载要求 ； 但 我 国对 防 止素 混 凝 土在 高 速列 车 作用 下 的长期 开裂性 及结 构的疲 劳性能研 究较少 ， 缺乏 经验 。 为控制 高速列 车下 混凝 土 结 构裂 缝 开展 ， 避 免 动 载影 响下结 构加 速 老 化 、 使 用 寿 命 降 低 、 确 保 结 构 使 用 安 全 ； 在武 广铁路 客运 专线 前 期 施 工 的几 座 隧道 二衬 中 采用纤 维混凝 土进 行 了试 验 研究 ， 根 据 相关 试 验研 究 成果及外方咨询意见， 组织专家研讨 ， 铁道部确定武广 _ 【 “_ 一 当其他条件一致时 ， 线间距离对声屏障脉动压力 影 响较大 ， 当距离 由 4 6 m改变 为 4 1 m 时 ， 压 力在 不 同速度 和声屏 障高度 的情况下 ， 均 有大 幅度 增大 ， 约为 4 6 m 时压力 的 1 2倍 。并 且 速 度 越 快 ， 随着 线 间 距 离 的缩小 ， 压力增 长越 快 。 ( 5 ) 声屏障高度对声屏障所受压力的影响 在其他条件一致时， 声屏障高度从 2 0 5 m变化为 3 0 5 m 后 ， 压 力 略 有 增 加 ， 但 增 加 不 大 ， 约 为 3 0 P a 。 然而这仅 仅是 在此 范 围 内讨 论 得 出的结 果 ， 并 不代 表 声 屏障 的高度对 其所受 压力 的影 响可 以忽略 。 ( 6 ) 脉 动力频 谱分 析 对 脉动压力 曲线 进 行 分 析 可得 ， 脉 动压 力 主要 频 率范围为 01 0 H z ， 最大功率谱对应频率为 2 0 H z 左 右 。因此 ， 声屏 障结构 一 阶频率应 远离 2 0 H z 。 4 结论 ( 1 ) 列 车 引起 的最 大正 负压 力 之差 达 到 1 5 0 0 P a ， 将 对声屏 障和地 基 连接 部 件产 生 重 大影 响 ， 特 别是 脉 动压力是个 动荷载 ， 对 连接部件 的抗 疲劳性能要求 很 高 。 ( 2 ) 在 各种 影 响 声 屏 障 压力 的 因 素 中 ， 线 间距 离 1 2 6 是最重 要 的参数之 一 。线 间 距离 的缩 短 ， 声屏 障 所受 压力 增大 ， 当线 间距离 由 4 6 m缩 短到 4 1 m 时 ， 压 力 增加 到原来 的 1 2倍 左右 。 ( 3 ) 两种 车型 的计 算 比较 ， 车 型 的不 同并 没有 使 声屏 障所 受 的最 大压 力有 太 大 变化 ， 两 种 车 型造 成 的 压力上升差最大也只有5 5 P a 左右， 基本可以认为车型 对声屏障脉动压力影响不大。同时现有声屏障高度的 不同， 也没有导致声屏障所受的最大压力有太大变化 ， 最 高 的声 屏障 高度 为 3 0 5 m， 最 低 的为 2 0 5 m， 压 力 的大小前 者 只 比后 者大 约 3 0 P a ， 基 本 可 以认 为 没 有 影 响 。 参 考文 献 ： 1 罗锟 ， 雷晓燕 铁路声屏障降噪效果影 响因素分析 J 噪声 与 振 动控制 ， 2 0 0 8 ， 2 8 ( 5 ) ： 1 4 21 4 6 2 马 筠 对高速铁路声屏障降噪效 果影响因素的探讨 J 铁道劳 动安全卫生与环保 ， 2 0 0 8 ， 3 5 ( 1 ) ： 58 3 李艳 声屏 障设计 中的结构验 算 J 噪声 与振动控 制 ， 2 0 0 7 ， 2 7 ( 3 ) ： 9 79 9 4 夏先芳 高速铁路声屏障技术的研究 与进展 J 科技交流 ， 2 0 0 4 ， 3 4( 1 )： 1 2 91 3 1 5 孙智一 ， 吴晓蓉 计算流体力学数值模 拟方法的探讨及应 用 J 水利 科 技 与 经 济 2 0 0 8， 1 4 ( 2 )： 1 2 61 2 8 铁道标准设计R A I L W AY S T A ND A R D D E S I G N 2 0 1 0 ( 1 ) 李 明领纤维混凝土在武广铁路客运专线隧道 中的应用试验研究 铁路客运专线部分隧道 、 级围岩二衬采用纤维混 凝土。武广铁路客运专线 2 0余座隧道采用 了纤维混 凝 土 。 2 高 速铁路 隧道 二次衬 砌加筋 的必要性 分析 2 1 国外高速 铁路 运营情 况 在 国外 ， 早期 建设 的高 速 铁路 隧道 较 好 地 层条 件 地段 的 内衬 曾采用 素 混凝土 ， 但 随着运 营时 间的 推移 ， 内衬 裂缝 的扩展也 在不 断加 大 、 加 密 ， 导 致后期 维 护工 程量 加大 ， 甚 至影 响运 营 。德 铁某 线统计 资料 表 明 ： 素 混凝 土地段 衬砌裂 缝发 育长度 是钢 筋混 凝土结 构 的近 1 0倍 ， 裂缝宽度也远大于钢筋混凝土结构 。日本高铁 也 曾出现运 营期 间隧道 内衬混 凝土 剥落 引发列 车事 故 的事例 。韩 国对于 隧道 进 口 、 级 围 岩衬 砌 加 强 了 加 筋设计 研究 。近期 建 设 的 国外 高速 铁路 隧道 、 级 围岩 内衬采用 加筋 结构 。 从结 构计算 角度 看 ， 隧道 设 计 采用 素 混 凝 土结 构 能 满足相 应地层 条件 的结构 安全 要求 。而 导致维 护工 作 量增加甚 至 出现事 故 的原 因 ， 主要 由于 素 混凝 土 结 构微 裂缝 扩 展 、 切 割 混 凝 土 结 构 ， 导 致 混 凝 土 表 层 孤 立 、 剥离 。采用素 混凝 土 结 构一 定程 度 上加 大 了铁 路 运 营的潜在 安全威 胁 。 2 2衬砌加 筋 的必要 性 高速客运 专线 由于行 车 速度快 ， 动荷 载频 率增 大 ， 此外受 高速 列车引 起 的 隧道 内气 压 波动 的影 响 ， 动 荷 载对隧道 衬 砌的影 响更 为 突 出 ， 使 结 构 易产 生 疲 劳 破 坏 ， 致使早期裂缝发展及后期衬砌薄弱部分发生开裂。 由于混凝 土材 质 的特 性 及 施工 工 艺 等 原 因 ， 微 裂 缝 的存在 不可 避免 。 因此 ， 必 须 采 取适 当 的措 施减 少 微 裂缝 的发生 、 抑制 裂缝 的扩展 ， 使裂缝 存 留在安 全允 许 的范 围内 。 3 客运 专线 隧道二 衬混凝 土 结构服 役期 受力机 理 有 关 资料表 明 ： 服 役 铁路 隧道 衬 砌 结 构病 害 产 生 的原 因主要包 括列 车 振动 荷 载 、 地 质 变化 以及 衬 砌 材 料本身老化等。对于高速铁路客运专线而言 ， 有其不 同之处 ： ( 1 ) 高速列 车通过 狭 长隧 道 时产 生 活 塞效 应 而 附 加 给衬砌 结构 的风荷 载 ； ( 2 )高速 列 车运 行 时 轨道 振 动 对 衬 砌结 构 的 影 响 ； ( 3 ) 由于振 动 导 致 隧 道 的 地 质 变 化 ， 从 而 在 衬 砌 结构 上产生 的影 响 。 铁 路 系统 部 分设计 院针对 列车 振 动引起 的隧道 结 构动应力和空气压力变化对隧道结构的影响进行了一 些计算分析 ， 并对国内既有普速铁路隧道 、 日本高速铁 铁道 标准 设计R A I LW A Y S T A N D A R D D E S I G N 2 0 1 0 ( 1 ) 隧 道 地 下 工 程 路隧道进行相应的对比计算 ， 并对武广铁路 客运专线 隧道 二衬 混凝 土结 构服 役 期 受 力 机理 进 行 了分析 ， 得 出以下初步结论 ： 列车振动荷载对隧道衬砌结构动力 响应的影响主要集中在隧道仰拱 、 拱脚和侧墙部位及 拱腰 ， 对拱顶部位的影响相对较小 ； 列车振动传递至隧 道衬砌 结构 上 的振动 频 率 较 低 ； 武 广铁 路 客 运 专线 隧 道衬砌 在高 速动 载下 的动 力响应 问题 本质 上是衬 砌结 构的疲 劳 问题 。疲 劳 荷 载循 环次 数 增 加 ， 应 变 也 随之 增 加 ， 开 裂逐 步发 展 ， 循 环次 数 达 到 某一 值 时 ， 试 验 体 不能继续维持荷载 ， 开裂急剧发展 ， 最终达到破坏。考 虑 到 因疲劳产 生 的开 裂发 展 速 度 非 常缓 慢 ， 在两 年 内 进行 一 次全 面检 查 可 以防止剥 落事 故 的发生 。 4 高速 铁路 隧道 二次 衬砌 加筋 采取 的方式 4 1 国内外 、 级 围岩 二 次衬砌 结构 采取 的方式 为解决 高速 铁路 隧道 运 营过 程 中混凝 土开裂 掉块 问题 ， 各个 国家有 不 同设 计 方法 ， 德 国采用 混凝 土加钢 筋 的方 式 ， 日本则 仍采 用素 混凝 土结 构 ， 韩 国在洞 口附 近采用 钢筋 混凝 土结 构 ， 在 其 余地 段 则 采 用 素 混凝 土 结 构 ， 但 在交 付运 营前对 高铁 隧道 逐座 检查 ， 发现裂 缝 后 逐条 进行处 理 。我 国客运 专线 铁路 隧道 正处于建 设 高潮 ， 十分有必要在借鉴 国外经验的基础上 ， 寻求适 当 的措 施 以抑制 裂缝 的产 生与扩 展 ， 满足运 营安 全要求 。 4 2 高 速铁 路隧 道二次 衬砌 加筋 的建 议方 案 二 次衬砌 是否需 要 加 筋 的关键 有 2个 方 面 ： 一 是 取决 于是 否可 以有效 控 制或尽 可能 减少混 凝土施 工过 程 中的裂缝 ， 二 是二 次衬 砌 在 运 营 期 是 否会 因为 承受 围岩 压力 而开裂 。二 次衬 砌是否 加筋 可根 据 围岩条件 而定 ， 初步 建议方 案如 下 。 ( 1 ) 1 I 级 围 岩 衬 砌 ： 由于 级 围岩 衬 砌 在 承 担 围 岩压力 的 5 0 时 ， 拱 顶拉应 力仍 较小 ， 一般 仅 为 3 8 0 4 8 0 k P a ， 抗拉 安全 系数 8 0 ， 可 以 不 考 虑运 营承 载 开 裂 问题 。 因此 ， 级 围岩 衬砌 建议 采用 素混凝 土结 构 。 ( 2 ) l l I 级 围 岩 衬 砌 ： 对 于 级 围 岩 衬 砌 ， 当 考 虑 3 0 的 围 岩 压 力 时 ， 拱 顶 拉 应 力 一 般 在9 5 0 1 0 5 0 k P a ， 抗 拉最 小 安 全 系 数 为 3 6 9， 超 出规 范 要 求 的安 全系数 不 多 ， 为 提高 结构 的可靠 性 ， 建 议采 用纤维 混凝 土 。 ( 3 ) 级 围岩 衬 砌 ： 对 于 级 围 岩 衬 砌 ， 当考 虑 3 0 的围岩 压力 时 ， 拱 顶拉应 力较 大 ， 抗 拉安 全系 数约 为 3 1 ， 基本满足规范要求 ； 当考虑 5 0 的围岩压力 时， 拱顶拉应力很大 ， 抗拉安全 系数仅为 2 1 ， 不满足 规 范要 求 。为此 ， 建 议 采 用 钢 筋混 凝 土 结 构 或 内表 面 设 单层 钢筋 网方式 。 4 3我国高 铁 隧道二 次衬砌 加 筋方式 抑 制混凝 土裂 缝 的 发展 可 以采 用 加筋 的办 法 ， 加 1 27 隧 道地 下工 程 李明领一纤维混凝土在武广铁路客运专线隧道中的应用试验研究 筋 的办法 有 以下 3种 形式 ： 采 用单 层钢 筋 网护 面结 构 、 采用钢纤维混凝土结构或采用合成纤维混凝 土结构。 并 进行技 术经 济性分 析 。 ( 1 ) 单 层钢 筋 网护 面结 构 该方 式通 过在 隧 道衬 砌 内表 面设 置 钢筋 网 ， 可 有 效 防止掉 块 的发生 ， 且施 工方便 ， 但造 价较高 。考 虑施 工方便 ， 采用 3肢主筋形式 ， 用以保证钢筋的保护层 以 及钢筋架 立 的稳定性 ， 环 向 主筋 采用 4 , 1 8 m m， 纵 向钢 筋采用 6 1 4 m m。 ( 2 ) 钢纤维 混凝 土结构 采 用钢 纤维混凝 土结 构也 可达到 控制 裂缝扩 展的 目的 ， 经分 析， 控 制裂缝 需要 钢纤维最 小掺量 为 4 5 k g m ， 设计 采 用掺量 为 5 0 k g m ， 造 价 也较 高 。钢 纤 维在施工中若搅拌不均 ， 容易结团成球 ， 影响钢纤维混 凝 土 的质量 ； 另外 ， 由于掺 加钢 纤维在 混凝 土浇筑 过程 中容 易造成 防水卷材 的损 坏 ， 影响 防水质量 。 ( 3 ) 合成纤 维混凝 土结 构 作 为混 凝土加筋材料 ， 合成纤维 可以有效抑 制混凝 土早期的塑性裂缝及 干缩 裂缝 ， 提高混凝 土 的韧 性及抗 冲击能力 ， 同时改善混凝 土的抗渗性 、 抗冻 融性能等 ， 从 而提高混凝土耐久性 。纤 维的材料 有纤维 素纤维 、 改性 聚丙烯纤维等 。掺 量一 般为 o 91 0 k g m ， 且 掺加之 后不改变原素混凝 土配合 比， 施工方便 ； 价格适 中。 5纤维 混凝 土试验研 究 5 1 纤维 素纤 维基本 性能 U F 5 0 0纤维 素纤 维是 由美 国 B u c k e y e公 司研 发 的 新一 代纤维 ， 属第 三代 工程用 纤维 ， 取材 于经基 因改 良 的特 殊树种 ， 基 于生 物技 术 、 化 学 技 术研 发 而 成 ， 具有 耐碱 性 、 抗 拉强度 高 、 亲 水 等特 点 ， 有 利 于在 混 凝 土 中 的分 散 ， 并 提高混 凝土 对纤维 的握裹 力 ， 且掺加 之后不 改变 原配合 比。其基 本参数 见表 1 。 国内外 一些 试验 表 明 ： 纤 维 素纤 维 能 改善 混 凝 土 的早 期抗 裂性 能 ， 具有 混凝 土后期抗 裂 改善作用 ； 能 提 高混 凝土 韧性 、 抗 弯 和抗疲 劳性 能 。 5 2 纤 维混凝 土施 工现 场试验 结合武广铁路客运专线现场施工 ， 选择 、 级围 岩地段进行现场试验 ， 研究对 比素混凝土和 U F 5 0 0纤 维素混 凝土 在工作 性 能 、 强 度 、 耐久 性 、 抗 裂性 能及施 工工 艺要求 等方 面的差 异 。 表 1 U F 5 0 0纤维素纤维基本参数 技术指标 标准 纤 维类 型 密度 ( g c m ) 平 均 长度 tl l m 标称直径 Ix m 比 表 面积 ( in k g ) 纤维 间距 ( 掺量 0 9 k g m ) p ,m 旦 尼尔 ( g 9 0 0 0 m) 纤维根数 ( 亿根 k g ) 抗拉 强度 MP a 弹性模量 G P a 燃 点 抗 酸 碱性 亲 水性 安 全性 环 保性 5 2 1 室 内试验 ( 1 ) 试验 内容 按试验规程和高性能混凝土要求 ， 在隧道衬砌混 凝 土配合 比中掺 加纤维 与未 加纤维 的同配 比混凝 土做 对 比试验 ， 通过 试验 获得 以下检 验 项 目的试 验对 比数 据 资料 。 混凝 土 工作性 能 ： 含气 量 、 坍 落度 、 常压泌水 率 、 和易性 等 ； 混凝土 强度 ： 3 、 7 、 2 8 、 5 6 d抗压 强度 ； 早 期抗 裂性能 与 5 6 d常规抗 裂性能 ； 2 8 、 5 6 d电通量( 耐久性 ) 。 ( 2 ) 试验情 况 原材料基本性能 P 0 4 2 5水 泥 ； 中砂 ： 细 度 模 数 2 6 ； 碎 石 ： 5 1 0 mm、 1 02 0 fi l m、 1 6 3 1 5 mm 级 配合 成 ； 粉 煤 灰 ： I 级 F类 粉 煤 灰 ； 塑 化 剂 ： 聚 羧 酸 高性 能 减 水 剂 ； 纤 维 ： UF 5 0 0纤 维 素纤维 。 混凝 土配合 比( 表 2 ) 表 2混凝 土 配 合 比 ( C3 5混凝 土 ) k g 工作性能测定结果( 表 3 ) 表 3混凝土工作性能 1 2 8 混凝 土拌 和及投 料情况 试 验室拌 和均 为 先加 入 骨 料 、 胶凝 材 料后 再 加 入 纤维干拌 3 0 S ， 后加水 、 外加剂再拌和 3 mi n ； 纤维混凝 土坍落度比基准混凝土坍落度小 1 0 m m， 外加剂掺量 为厂家 推荐掺 量 的上限 1 2 。 铁道标准设计R A I L W AY S T A N D A R D DE S I G N 2 0 1 0 ( 1 ) 一 一 一 一 M 一 m 高 好 一 一 块 ： 安 绿 李 明领一纤维混凝土在武广铁路 客运专线隧道中的应用试验研究 混 凝土抗 压强 度及 耐久性 ( 电通量 ) 对两 种配 合 比的 混 凝 土拌 和后 做 出各 龄 期 的试 件 ， 进 行标 准养 护 。测 试结 果见 表 4 。 表 4各龄期混凝土强度及 5 6 d电通量 纤 维在混 凝土 中的分 散性 纤维 在 混 凝 土 中 分 散 显 微 镜 下 的 照 片 见 图 1 、 图 2。 图 1 纤 维 分 布 均 匀 图 2 纤维 表 面 可 见 大 量 的水 泥 结 晶物 附着 试验 结果 室 内试 验结 果表 明 ， U F 5 0 0的纤 维 素 纤 维 可 在 不 改变混 凝 土设 计 配合 比和施 工 工 艺 的 前提 下 直 接 掺 入 ； 掺 入后对 混凝 土 的工作性 能影 响很小 ， 混 凝土 和易 性 良好 ， 未 出现离 析 、 泌水 等现 象 ； 掺 人 后对 混 凝 土 的 早 期强 度有一 定影 响 ， 对 后期抗 压 强度影 响不 大 ； 纤 维 在混凝 土 中分 散性 良好 ； 纤维 掺 入 后 对混 凝 土 的 抗 氯 离子渗透的能力有所降低 。 5 2 2现场 工艺试 验 2 0 0 7年 3月 ， 在 武广铁 路 客 运专 线 天 鹅岭 隧 道 出 口D K1 8 5 0 + 2 7 4D K 1 8 5 0 + 2 5 2段仰 拱 及 二 衬 进 行 掺 加纤 维 的混 凝 土工艺 试 验 ， 以确 定实 际施 工 的纤 维混 凝土 工作性 能 、 混凝 土抗压 强度 、 昆 凝 土抗氯 离子 渗透 性及 混凝 土表 观性 。具体 试验情 况如 下 。 ( 1 ) 原材料及配合 比采用室内配比( 表 2 ) 。 ( 2 ) 混凝 土拌 和及 投料 搅拌 站 一 次 拌 和 1 5 m ， 拌 和 时 间为 4 m i n 。水 泥 、 粗 细骨 料 、 粉 煤灰 、 外加 剂和 水为 自动计 量 ， 纤 维 为 人工 计量 直 接 加 入 拌 和 机 ， 每 1 5 m 混 凝 土 加 纤 维 铁道标准没计R A I L W AY S T A ND A R D D E S I G N 2 0 1 0 ( 1 ) 隧 道地 下 工 程 1 3 5 k go ( 3 ) 混凝土工作性能测定 配合比的设计坍落度 1 5 01 8 0 m m， 现场测试混 凝土 坍落度 1 6 5 mi l l ， 含气 量 2 3 ， 和易性好 ， 无 泌水 。 ( 4 ) 混凝 土表 观 拆 模后 现场 观察 ， 肉 眼不 能看 出纤 维 混 凝 土 与原 仰拱 C 3 5混 凝土 所施 工 的仰拱表 面有 明显差 别 。 ( 5 ) 混凝 土抗压 强度 、 耐 久性 能 对 选用 的基 准 C 3 5混 凝 土 和 加 人 纤 维 的 C 3 5混 凝 土在 施工 过程 中分 别 取样 做 出各 种 试 件 ， 进 行 同条 件 养护 ， 按 同龄期 、 同条件进行 试验 对 比 ( 表 5 ) 。 表 5各龄期混凝土强度及 5 6 d电通量 ( 6 ) 混凝 土抗 裂性 试验 ( 表 6 ) 表 6 现场 抗 裂试 验 检 测 结果 结论 ： 加 入 纤 维 素 纤 维 U F 5 0 0后 ， 混 凝 土抗 裂性 提 高 9 0 4 参 照铁 道部 铁路 混 凝 土工 程 施工 质 量 验 收补 充 标 准 铁 建 设 2 0 0 5 1 6 0 号 附 录 c 和 美 国 A S T M 1 5 7 9中方法 对 基 准 混 凝 土 和纤 维 混 凝 土 的 抗 裂 性 能 进 行平 行对 比试验 ， 通过 受 约 束 的 混凝 土试 件 在 规 定 的条件 下 ( 受 热 和 风 吹 ) 的开 裂 趋 势来 评 价 混 凝 土 的 抗 裂性 ( 图 3 、 图 4 ) 。 ( 7 ) 现场衬砌纤维混凝土试验结果 圈 3 电烤灯及风吹情况试验 图 4 基 准与掺加 纤维 混凝 土表面开裂情况 1 2 9 隧 道 地 下 工 程 李明领纤维混凝土在武广铁路客运专线隧道中的应用试验研究 以上试验 结果 表 明 ： 在 现场 搅拌 站进 行 纤维 素 纤 维混凝 土 的拌和 ， 搅 拌 时问需延 长 ； 纤 维素对 混凝 土的 工作性 能没 有影 响 ， 混 凝 土 和 易性 良好 ， 未 出现 离 析 、 泌水 等现象 ； 纤维 在混凝 土 中分 散性 良好 ， 正常养 护脱 模后 ， 混凝 土表 面未 出现 纤 维 露头 、 结 团现象 ， 外 观 良 好 ； 对 混凝 土 的抗 压强度 影 响较 小 ； 对 混凝 土的 电通 量 有适 当影 响 ， 但 能满 足 设计 耐 久性 要 求 。用 于施 工 时 不需 改变 隧道混 凝土 的施工 工艺 。 5 3 纤维混 凝土在 隧道二 衬服役 期抗 裂性能试 验 以武广铁路 客运 专 线 隧道 二 衬 为项 目背景 ， 基 于 对 客运 专线隧道 二衬 混凝 土结构 服役期受 力机理 的研 究 ， 建立 受疲 劳荷载 作 用下 的衬砌 混 凝 土服 役 期试 验 模 型 ， 对 基 准 混 凝 土 和 U F 5 0 0纤 维 混 凝 土 的 力 学 性 能 、 抗渗 性能 进行进 一步研 究 ， 以表征荷载 作用下 混凝 土在 客运专线 隧道二 次衬 砌服役 期的抗裂 性能 。 混 凝土渗 透性 是因为 混凝土 内部 的微 细裂纹 存在 和扩展 造成 的 ， 因此 用 混凝 土 结构 的抗 渗透 性 能可 以 反映 出混凝 土 内部微 细裂 纹存在 的多少 以及在荷 载作 用下 的扩展程 度 。因此 ， 将 采 用疲 劳 试 验下 混凝 土 结 构的抗渗透性能来表征荷载作用下混凝土在客运专线 隧道 二次衬砌 服役期 的抗 裂性能 。 考虑 到服役期 受力 情 况 ， 所 加上 限 荷 载为 极 限荷 载 的 l 5 、 3 0 ， 构件 经 5 0万次 循 环 后卸 荷 ， 对 疲 劳 试验 后 的试 件参 照 普 通 混凝 土 长期性 能 和 耐久 性能 试验方 法( G B J 8 2 -8 5 ) 进行 抗 渗性 能测 试 ( 气渗 法 )， 见表 7 表 7二衬 服 役 期 抗 裂 性 能 研 究 课题 试 验 结 果 由表 7可 知 ， U F 5 0 0纤 维 混凝 土能 够有 效 提 高武 广铁路 客运 专线二 次衬砌 混凝 土结构服 役期 间的抗裂 性能 ， 从 而 整体改 善混凝 土 的服 役工作性 能 。 6 现场 纤维混 凝土应 用 通过 研究理 论分 析 和前 期 现场 室 内外试 验成 果 ， 通 过专家 评审 和部 审查 ， 决 定对 武 广铁 路 客 运专 线 部 分 隧道 、 围岩衬砌 采用纤 维素纤 维混凝 土 。 2 0 0 9年 3月 4月 ， 对 武广铁 路客运 专线 2 0座 隧 道 、 级 围岩地 段 二 次衬 砌混 凝 土 表观 现象 进 行 了 调 查 ， 其 中包括 素混 凝 土 、 加 纤 维 素纤 维 混凝 土 、 单 层 护面钢筋 混凝 土 。现 场核查 表明 ： 无 论是素 混凝土 、 纤 维 混凝土 、 单 层 钢 筋 网 混 凝 土 ， 二 衬 基 本 上 都 没 有 裂 缝 ， 仅 极 少 数 素 混 凝 土 地 段 衬 砌 发 现 少 量 宽 度 小 于 0 2 m m 的裂纹 。现场 实 际掺 量为 0 91 2 k g m ， 添 加纤维 素纤维 不需 改 变配 合 比， 纤维 分 散 性好 ， 拌 和 、 施 工方便 ， 添加 后 的衬砌表 观光滑 ， 部分施 工单位 反应 掺加纤 维素纤 维后 混凝 土 黏 稠度 有所 增 加 ， 坍 落度 损 失较素混 凝 土略大 ； 实测抗 压强度 基本相 当 ； 掺加 纤维 混凝土 比不掺实测电通量略大。 7结论及 建议 ( 1 ) 高速铁 路隧 道运 营过 程 中裂缝 发 展 的主 要 原 因之一是 由于隧道 气动 效应 的影 响 ， 其 本质 是 衬砌 结 构的抗拉疲劳问题。 ( 2 ) 武广铁路客运专线现场试验表明 ， U F 5 0 0纤 维素纤维可以在不改变原有基准混凝土配合比的情况 下 直接掺 入 ， 且对 混凝 土的 工作性 能基本无 影 响 ， 混凝 土和易性 良好 ； 纤 维在 混凝 土中分散 性 良好 ， 混凝土 表 面光洁 ， 未 出现纤 维 露头 、 结 团现 象 ； 对 混 凝 土抗 压 强 度影响很小； 纤维素纤维能较好 的改善混凝土的早期 抗 裂性能 ； 可对后 期混凝 土裂纹 发展起 到抑 制作用 ； 能 够 提高客 运专线 二次衬 砌混凝 土结 构服役 期间 的抗 裂 性 能 ， 从 而整体 改善混 凝土 的服役 工作性 能 。 ( 3 ) 为防止运营期高速铁路隧道产生开裂掉块现 象 ， 首先应保证二次衬砌不会在运营期因承载而开裂 ， 并应采 取有效 措施 控 制混 凝 土在 施 工过 程 中的裂 缝 。 混凝 土材料选 择可 根据 围岩 条件 而 定 ， 建 议高 速铁 路 部分 隧道 、 级 围岩衬砌 可采用 纤维 素纤维混 凝土 ， 以减少 微裂缝 的发 生 、 抑制 裂缝 的扩展 ， 使裂缝 存 留在 安全允 许的 范 围内。 ( 4 ) 对采 用纤 维混凝 土 的实 际 效果 在武 广铁 路 客 运专 线投 入运 营中需 进一 步 跟 踪 观测 考 察 ， 同 时在 推 广 应用纤 维混凝 土 中需 要从设 计 、 原 材料 、 配合 比以及 施工工艺等方面综合采取措施。可进一步重点对动载 疲 劳 、 空气 动力 效应 作用 下 的 衬砌 混 凝土 开裂 进行 试 验 研究 。 参考文献 ： 1 关 宝树编著 隧道工程维修管理要点集 M 北京： 人民交通出版 社 ， 2 0 0 4 2 铁道部工程设计鉴定 中心编著 高速铁路 隧道 M 北京 ： 中国铁 道 出版 社 ， 2 0 0 6 3 铁建设 2 0 0 7 4 7号 ， 新建时速 3 0 0 3 5 0 k m客运专线铁路设计暂 行规定 S 4 熊华伦 ， 毛宇飞 太行 山隧道喷射微 纤维混凝 土施 工技术 J 铁 漕标 准 设 计 2 0 0 7( 4) 1 3 1 ) 铁道标准设计R A I L WAY S T A N D A R D DE S I G N 2 0 1 0 ( 1 )