钢纤维喷射混凝土在浅埋暗挖隧道中的应用探讨.pdf

公路 交通技术2 0 1 5年 8月 第 4期T e c h n o l o g y o f Hi g h w a y a n d T r a n s p o r t A u g 2 0 1 5 N o 4 D O I ： 1 0 1 3 6 0 7 j c n k i g l j t 2 0 1 5 0 4 0 2 8 钢纤维喷射混凝土在浅埋暗挖隧道 中的应用探讨 程 文钊 ( 福州城乡建设发展总公司， 福州3 5 0 0 0 1 ) 摘要： 钢纤维喷射混凝土由于其抗弯、 抗拉强度高、 抗变形能力大、 韧性大等特点， 被用于一些特殊地质条件下的 隧道施工。目前国内并未有系统的标准、 规范对钢纤维喷射混凝土的设计、 施工进行约束和指导。结合福州市的地 质特点和浅埋暗挖隧道的开挖情况， 选择钢纤维喷射混凝土作为浅埋暗挖隧道初期支护材料， 对材料使用中的技术 问题进行分析和探讨。 关键词： 钢纤维喷射混凝土； 城市隧道； 浅埋暗挖 文章编号 ： 1 0 0 9 6 4 7 7 ( 2 0 1 5 ) 0 4 0 1 3 2 04 中图分类号 ： U 4 5 9 2 文 献标识码 ： B Pr o b e i n t o Ap p l i c a t io n o f S t e e l F i b e r Sp r a y e d Co n c r e t e i n Sh a l lo w Emb e d d e d Tu n n e ls CHENG W e n z h a o Ab s t r a c t ：S t e e l fi b e r s p r a y e d c o n c r e t e i s u s e d i n t u n n e l c o n s t r u c t i o n u n d e r s o rt i e s p e c i a l g e o l o g i c a l c o n d i t i o ns f o r i t s f e a t ur e s o f h i【 g h be n d i n g r e s i s t a n c e， h i g h t e n s i l e s t r e n g t h， h i g h a n t i d e f o r ma t i o n c a p a b i l i t y a n d l a r g e t e n a c i t y， e t c As o f n o w s y s t e ma t i c d o me s t i c s t a n d a r d s a n d c o d e s a r e n o t a v a i l a b l e t o r e s t ri c t a n d g u i d e d e s i g n a n d c o n s t r u c t i o n o f s t e e l fi b e r s p r a y e d c o n c r e t e I n c o mb i n a t i o n w i t h g e o l o g i c a l f e a t u r e s o f F u z h o u a n d e x c a v a t i o n o f s h a l l o w e mb e d d e d t u n n e l s ，t h i s p a p e r s e l e c t s s t e e l fi b e r s p r a y e d c o n c r e t e a s i n i t i a l s u p p o r t i n g ma t e r i a l o f s h a l l o w e mb e d d e d t u n n e l s，a n d a n a l y z e s a nd d i s c u s s e s t e c h n i c a l p r o b l e ms i n u s e o f ma t e ria 1 Ke y wo r ds：s t e e l fib e r s p r a y e d c o nc r e t e；u r b a n t u n n e l ；s h a l l o w e mb e d d e d 随着隧 道城市 化建设 的发 展 ， 越来越 多 的城 市隧道在浅 表地层 修建 。通 常， 浅 埋地层 周边 环 境复杂， 地质条件较差， 基本以第 4系土质类围岩 为主。特别是对 于采用 浅埋 暗挖法 的隧道 ， 其 施 工过程中的变形控制直接影响隧道 的安全 和城市 市政管线安 全 。对 于隧道变 形控 制 ， 隧道 的初 期 支护非常重要 。 常规隧道设 计 中， 初期 支 护是 由喷射 混凝 土 和型钢拱架 ( 或 格栅拱架 ) 组成 。对 于变形控制 ， 除了在拱架 上采取措 施外 ， 也可 通过 提高 喷射混 凝土的早期强度来控 制。钢纤维 喷射混凝土就具 有这样 的优势 。本文 以福州市湖东东路 隧道 为 工程依托， 对钢纤维喷射混凝土的使用和注意事 项进行介绍 。 收稿 日期 ： 2 0 1 41 22 9 作者简介 ： 程文钊 ( 1 9 8 2一) ， 男 ， 福建省福州市人 ， 本科 ， 工程师 1 钢纤维喷射混凝土力学性能分析 1 1 钢纤维喷射混凝土与普通喷射混凝土的区别 普通喷射混凝土主要指用 于隧道快速支护的， 由水泥 、 砂石骨料 、 水及 其他添加剂拌 和而成 的集 合物。 钢纤维喷射混凝土是近几十年来发展起来 的一 种改良喷射混凝土， 其是在普通喷射混凝土中掺人 分布均匀且离散的钢纤维， 且依靠压缩空气高速喷 射在结构表面的一种复合材料。它可以显著改善混 凝土的抗裂性 、 延性、 韧性及抗 冲击性能。在地下工 程中， 钢纤维喷射混凝土可以代替现浇钢筋混凝土 和钢筋网喷射混凝土。与钢筋 网喷射混凝土相 比， 钢纤维喷射混凝土可与围岩及时、 完全结合， 可使围 岩 自承能力得到充分发挥 ， 可减少围岩变形， 并使围 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5年 第 4期 程文钊 ： 钢纤维喷射混凝土在浅埋暗挖隧道中的应用探讨 1 3 3 岩达到稳定 ， 强度更大， 从而保证施工安全 。 1 2 钢纤维类型 目前钢纤维主要有以下几类 ： 钢丝切断纤维 、 薄 板剪切纤维、 铣削纤维 、 熔抽纤 维 ， 见 图 1 。由于熔 抽纤维是采用将钢材熔化后加工成钢丝的工艺 ， 因 其强度太低 ， 故 目前基本不用， 因此 ， 本文仅介绍前 3种钢纤维 。 图 1 钢纤维 类型 1 2 1 钢丝切断钢纤维 采用冷拉及其他热处理工艺加工成钢丝 ， 具有 代表性的是佳密克丝冷拉型钢纤维。 佳密克丝钢纤维的母材是优质盘条钢筋 ， 材料 本身具有很高 的纯净度要求 。其加工工艺是冷拉 ， 即将直径 6 5 m m的盘条 ， 经过几十道拉拔工序 ， 最 后拉成直径 0 5 5 m m或 1 0 5 m m的钢丝 ， 中间不经 过任何热处理。所以， 该类钢纤维的抗拉强度均超 过 1 1 0 0 MP a 。 1 2 2 剪切钢纤维 母材是钢板 ， 通过刀具切断加工成型。由于受 母材 自身抗拉强度 的限制 ， 该类钢纤维 的抗拉强度 通常低于 3 8 0 M P a 。 1 2 3 铣销型钢纤维 母材是钢锭 ， 通过刀具铣销加工成 型。由于受 母材 自身抗拉强度的限制 ， 该类钢纤维 的抗拉强度 高于 6 0 0 M P a 。 1 3 钢纤维喷射混凝土力学性能分析 1 3 1 抗压强度和抗拉强度 大量试验研究表 明， 钢纤维 的掺入对混凝土抗 压强度影响较 小。实际工程 中， 常采用 C F 2 5 ( 抗压 强度大于 2 5 MP a ) 、 C F 3 0 ( 抗压强度大于 3 0 MP a ) 等 几种钢纤维喷射混凝土。 而钢纤维 的掺人对混凝土抗拉强度 和抗折强度 则有 明显提高 。对于 C F 3 0喷射 昆凝土 ， 通常抗拉 强度可超过 2 MP a 。钢纤维类型和掺人量不 同， 混 凝土抗拉强度和抗折强度也有所区别 。 1 3 2 弯曲韧度 弯曲韧度是钢纤维喷射混凝土最重要的性能指 标 ， 是评价钢纤维喷射混凝土复合材料初裂后处于 理想弹塑性状态时 ( 即具有在荷载不变情况下继续 变形的能力) 的指标。钢纤维喷射混凝土的荷载挠 度变化曲线见图 2 。图 2中， A、 c、 E、 G分别 为不 同 挠度下的荷载； B、 D、 F 、 丑为挠度坐标 ； P e为初裂挠 度对应的荷载。 挠 度 ram 图2 钢纤维喷射混凝土荷载 一挠度曲线 我国采用韧度指数法对 钢纤维混凝土 进行评 价 。弯曲韧度系数 I 5 、 I 1 0和 3 0分别 为变 形达到 3 6 、 5 5 和 1 5 5 6时所对应 的韧度 除以初裂韧度的 商值， 其中6 为初裂挠度。 假定钢纤维喷射混凝土复合材料初裂后处于理 想弹塑性状态( 即具有在荷载不变情况下继续变形 的能力) ， 则弯曲韧度指数分别为 I 5 、 I 1 0 、 3 0 。其 中， 1 5= ， 1 0= ； 。 通常 ， 我 国要求 钢纤 维 喷射混 凝 土达 到 以下 标准。 弯曲韧度指数 ： I 1 0= 6 8 ， 3 0=1 8 2 4 。 韧度系数 ： R 3 0 1 0 I6 0 。 达到上述要求的材料具备较好 的抗变形能力 。 2应用实例 2 1工程 概况 湖东东路隧道工程位于福州市东北侧鼓楼区金 鸡山公园南侧 ， 西起福州市湖东路 ， 东至二环路 。线 路全长约 1 9 0 0 m， 其中隧道约 1 6 5 0 m。 湖东东路 隧道为双 向 4车道 ， 单洞 限宽 9 2 5 m， 限高 5 m。其横断面见图 3 。 湖东东路隧道东侧下穿鹤林村段， 地下水位为 地面以下 0 5 m， 隧道埋深 41 6 m， 属于浅埋隧道 。 浅埋暗挖段地质剖面见 图4 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5年第 4期 程文钊： 钢 纤维喷射混凝土在 浅埋暗挖 隧道中的应用探讨 1 3 5 层垫层上 ， 其 回弹量减少 2 0 或更 小。如果分 2层 施工， 上述回弹问题能得到一定 的改善 ， 当喷射混凝 土层较坚硬时， 初喷时小颗粒的大量回弹依旧无法 得到解决。因此 ， 为减少 回弹损失 ， 应控制好喷枪喷 射混凝土的距离 、 角度 、 喷射顺序及 1次喷层厚度 。 2 )硅粉是从熔炉气烟中过滤出来的， 其含有大 量细小 的非晶体活性物质二氧化硅( S I O ) 颗粒。硅 粉比水泥更细 ， 其细度是水泥 的 1 1 0 0， 比表面积是 水泥的 2 0倍。 硅粉钢纤维混凝土的凝聚力和粘结强度 比普通 钢纤维混凝土要高 ， 可降低 回弹。因此， 在喷射混凝 土中掺人 3 一 7 的微硅粉， 可以改善混凝 土的密 实性 ， 降低喷射混凝土的回弹量 。 钢纤维混凝土中加入硅粉能提高其抗压强度 ， 同时还能减少水泥用量 ， 且强度发展也 比普通混凝 土要快。但并非硅粉掺量越多越好 ， 因为起胶结作 用还是靠水泥。如果过量使用硅粉取代水泥 ， 将 影 响钢纤维混凝土的整体强度。 2 4 施工管理 钢纤维喷射混凝土与普通 喷射混凝土相 比较 ， 其具有较好的抗变形能力。但目前国内对于钢纤维 混凝土施工技术 的相关规范较少 ， 施工过程 中需 要 较好的工程管理模式 。 对于湖东东路隧道 ， 采用选择试验段并逐渐 修 正 的方式进行管理。 第 1 步： 在洞口段， 结合地质情况， 按照设计图 纸要求进行钢纤维混凝土喷射施工。 第 2步： 结合已作业段的监测数据 、 监理评价及 施工队伍水平 ， 对喷射混凝土的工艺、 配合 比等进行 修正， 为后面大范围的隧道施工提供依据。 3结论 本文对福州市湖东东路隧道钢纤维喷射混凝土 的使用进行 了分析 ， 得出以下结论 。 1 )钢纤维喷射混凝土强度得到提高 ， 同等厚度 下， 其安全系数明显要高于普通喷射混凝土， 因此， 在浅埋暗挖隧道中使用钢纤维喷射混凝土能满足初 期支护承受大部分 围岩压力 的特点 ； 同时 ， 钢纤维喷 射混凝土还具备较好 的抗 变形 能力 ， 能适应浅埋暗 挖隧道中围岩变形较大的特点。 2 )钢纤维喷射混凝土使用过程中， 应控制好其 回弹 ， 除通过调整距离 、 角度 、 喷射顺序及 1次 喷层 厚度外 ， 还可加入一定 比例的硅粉来调整。可根据 现场现况 ， 按先修建试验段 ， 然后逐步修正方法来完 善施工参数 。 参 考 文 献 1 关宝树 隧道工程设计要点集 M 北京： 人民交通出 版社 ， 2 0 0 3 2 重庆交通科研设计院 J T G D 7 0 -2 0 04公路隧道设计 规范 S 北京： 人民交通出版社 ， 2 0 0 4 3 王梦恕 地下工程浅埋暗挖技术通论 M 合肥： 安徽 教育出版社， 2 0 0 5 4 高丹盈 钢纤维混凝土设计与应用 M 北京 ： 中国建 筑工业出版社， 2 0 0 3 5 中交第二公路勘察设计研究院有限公司 I- T G T D 7 0 2 0 1 0 公路隧道设计细则 S 北京： 人 民交通 出版 社 ， 2 0 1 0 6 中华人民共和国黑色冶金行业标准YB T 1 5 1 -1 9 9 9 混凝土用钢纤维 S 北京： 中国标准出版社 ， 2 0 0 0 7 杨会军 浅埋暗挖大跨隧道施工环境影响分析 J 铁 道工程学报 ， 2 0 1 0 ( 5 ) ： 4 3 4 7 8 李志业， 曾艳华 地下结构设计原理与方法 M 成都： 西南交通大学出版社， 2 0 0 3 9 王国春 浅埋 暗挖 C R D法施工技术 J 山西建筑， 2 0 1 0 ( 6 ) ： 3 0 33 0 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m