隧道喷射钢纤维混凝土支护的力学特性及其施工技术.pdf

B DGE AND TUNNEL CONS TRUCTI ON AND M ACHI NERY 文章编号： 1 0 0 0 0 3 3 X( 2 0 1 5 ) 0 6 0 0 9 2 0 3 隧道喷射钢纤维混凝土支护的力学特性 及其施工技术 胡 雪钦 ， 陈思 茹。 ( 1 湖南广播 电视大学 ， 湖南 长沙4 1 0 0 0 4 ； 2 陕西交通职业技术学院 ， 陕西 西 安7 1 0 0 1 8 ) 摘 要 ： 阐述 了钢 纤维掺 合料 对混 凝 土性 能的 改善 机 理及技 术原理 ， 并 与非复 合 型混凝 土进 行对 比 分析 ； 探讨喷射钢纤维混凝土支护隧道 围岩的主要 力学特性与作用机理 ； 论证 了在隧道支护工程 中 使 用喷射 钢 纤维混凝 土 可 以满足新 奥 法的要 求 ； 并 对 湿喷钢 纤 维 混凝 土 施 工 的 关键技 术进 行 了简 要 介 绍 。 关键词 ： 钢纤维混凝土； 隧道支护； 力学特性 ； 作用机理 中图分 类号 ： U4 5 5 4 文 献标 志码 ： B M e c h a ni c a l Pr o p e r t i e s a nd Co n s t r u c t i o n Te c hn o l o g y o f S t e e l Fi be r Re i nf o r c e d S ho t c r e t e a s Tu nn e l S u p po r t H U Xue q i n CHEN Si r u (1 Hun a n Ra di o a nd Te l e vi s i o n Uni ve r s i t y，Cha n gs h a 41 00 04，H u na n，Chi na； 2 S h a a n x i Co l l e g e o f Co mmu n i c a t i o n Te c h n o l o g y，Xi a n 7 1 0 0 1 8，S h a a n x i ，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：The t e c hni c a l pr i n c i pl e o f i mpr o v i ng t h e pe r f o r ma n c e o f c o nc r e t e wi t h s t e e l f i be r wa s e xp ou nd e d， a n d a c o m p a r i s on wi t h n o n c o mpos i t e c o nc r e t e wa s c a r r i e d o ut The m e c ha n i c a l p r o p e r t i e s a n d wo r k i n g p r i n c i p l e o f a p p l y i n g s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d s h o t c r e t e t o s u p p o r t s u r r ou ndi ng r oc ks we r e di s c u s s e d I t i s s t a t e d t ha t us i n g s t e e l f i be r r e i nf o r c e d s ho t c r e t e a s t u nne l s u pp or t m e e t s t he r e qu i r e me n t o f Ne w Aus t r i a n M e t ho d a nd ha s g r e a t p r o s p e c t An d ke y t e c hn ol o gi e s o f t he c on s t r u c t i on we r e b r i e f l y i nt r o du c e d Ke y wo r d s ：s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d s h o t c r e t e ；t u n n e l s u p p o r t ；me c h a n i c a l p r o p e r t y ；wo r k i n g p r i n c i p l e 0 引 言 1 钢纤维混凝土支护技术原理 在 隧道 施工 中 ， 围岩支 护具 有 良好 的稳定 性 ， 是 保证开挖施工的安全 、 开挖质量 、 使用性能和效果的 关键。然而， 许多隧道开挖层处于地下水丰富、 岩石 破 碎 、 多断 层 的软弱 围岩 环境 中 ， 这 些不 良地 质会 给 隧道施工带来许多 困难 ， 或导致施工后产生许多病 害 。业 内学 者们 对 围岩 支护 曾做 了大 量 的探 索 ， 采 用过许多有效的工程措施 ， 其中采用喷射钢纤维t 昆 凝土是 国内近年来借鉴和运用 国外经验发展起来 的 一 种技 术 可行 、 效果 理想 的工 程措 施 。 收 稿 日期 ： 2 0 1 4 1 1 2 3 9 2 钢 纤维具 有很 高 的强 度 和 韧性 ， 在 喷 射混 凝 土 拌 和物 中掺 人适 量 的优 质 钢 纤 维 ， 经 过 特 定 的投 料 顺序和一定时间的拌 和后 ， 便 可成为钢纤维均匀分 布 的可 喷射 的新 型特 种混 凝土 。由于大量 钢 纤维 均 匀 、 等 向分 布于混 凝 土 中 ， 与混凝 土 形成 较大 的接 触 面 ， 从而使混凝土在抗拉、 抗剪 、 抗弯 、 耐磨 、 抗冲击 、 抗裂等性能方面都有较大的提 高。此外 ， 钢纤维的 存在还能对混凝土张拉裂缝的发展起到阻碍及控制 作 用 ， 防止 裂缝 产生 所 造 成 的 内部钢 筋 加 速 腐 蚀 及 BRI DGE AND TUNNEL CoNs TRU( r I oN AND M ACHI NERY 混凝土劣化等问题 ， 能够达到在建设工程 中普通混 凝 土难 以满 足 的技术 要 求 。 2力学特性与性能对 比分析 由试 验可 知 ， 在混凝 土 中添 加适 量 的钢纤 维 ， 其 抗 压强 度 、 抗剪 强度 、 抗 弯强 度 、 抗变 形 能力 、 抗裂 能 力均有较大的提高 ， 特别是韧性指数 的提高达几十 个数量级 。韧性指数的提高又使得混凝土的残余抗 弯 拉强 度 得到 了很 大 的提 高 ， 增 强 了混 凝 土 在 出现 裂 纹后 的应变 能 吸 收 能 力 和延 伸 性 能 。因 此 ， 在 混 凝 土 中加 入钢 纤维 后 将 脆 性 材 料 变 成 了韧 性 材 料 ， 使 混凝 土 的力 学性 质 发生 了根 本变 化 。评 价钢 纤维 混凝土出现裂纹后 的应变能吸收能力和延伸性能的 指标是韧度指数 ， 美国弯曲韧度指数应用较广泛 ， 其 韧度设计值 R 。 一5 ( I 。 。 一I 。 ) 。R 。 。 1 O 值为 4 0时 ， 韧度 达到 中 等 ； R 。 为 6 0时 达 到 良好 ； R 。 值 为 8 0时达 到优 秀口 。 钢纤 维混 凝 土 的破坏 与钢 纤维 的含 量 、 长径 比 、 钢 纤维 与 混凝 土基 体 之 间的粘 结强 度 和钢纤 维 的分 布状态等诸多 因素有关 ， 常见的几种破坏形 态如 图 1 所 示 。 匿目 。 ( a )因泊桑比产生的侧向收缩 ( b )拉脱破坏 o I 匿 习匿 ( c )拉断破坏 ( d )剪力破坏 图 1 钢 纤 维 混 凝 土 破 坏 的形 态 从图 1 ( a ) 可以看出 ： 混凝 土被破坏前 ， 钢纤维 混凝土所承受 的拉应力 由混凝土与钢 纤维共 同承 担 ； 当混凝土开裂后 ， 外力会 由混凝土基体通过钢纤 维表面的剪力变形 传递到 相邻 的钢纤 维上。一方 面 ， 当钢 纤 维所受 的拉 应 力 大 于 钢 纤 维 和 基 体 的 粘 结容许应力时， 就会发生钢纤维与混凝土基体剥离 ， 钢纤维被拉脱 ； 另一方 面， 当钢纤维受拉过长 时 因 泊桑 比的作用 ， 使其侧 向体积 收缩， 致使 粘结力下 降 ， 而加 速 拉 脱 破坏 ， 如 图 1 ( b ) 所 示 。 当钢 纤 维 的 含量小于其临界值或者粘结力 大于钢纤维 的容许 拉 应 力 时 ， 会 导致 钢 纤 维 被 拉 断 破 坏 ， 如 图 1 ( c ) 所 示 。 图 1 ( d ) 表 明 钢纤 维 混 凝 土 也 会 因 剪 力 作 用 发 生破 坏 。 混凝土基体是一种非匀质材料 ， 且 材料 内部存 在初始微裂纹 、 微孔隙。当构件受力后 ， 截面上的各 质点受力极不均匀 ， 会出现大量的应力集中点 ， 迫使 微 纹 、 孔 隙不 断发展 ， 从 而发 生开 裂 。在 昆凝 土 中加 入钢纤维后 ， 一方面改善了基体的质量， 降低了混凝 土内部缺陷处的应力集 中系数 ， 从而提高 了混凝 土 的应 变能 力和 韧性 ； 另 一方 面 ， 钢 纤维 起 到 了阻止 裂 缝 的产生和发展的作用 ， 同时也提高 了混凝 土基体 的变形 能 力 6 - 7 。不 同混凝 土 的性 能 ( 相 对 于素 混 凝 土 ) 对 比如 表 1所示 。 表 1 不 同混凝土性能对 比 素混 钢筋混 钢纤维混 项 目 备注 凝 土 凝土 凝土 衬砌厚 度 1 0 1 O 0 7 8 开 挖量 1 0 1 0 0 9 5 假定 隧道 的 使用 混凝 土 1 0 1 O 0 7 7 内径为 1 0 m 材料 钢材 O 1 0 0 1 1 压缩 1 0 1 0 1 3 6 变形 最 大 强 度 能力 弯曲 1 0 1 9 5 5 3 时的变 形 剪切 1 0 1 5 2 0 抗 裂 拉力 1 O 1 0 1 1 8 能力 弯曲 1 O 1 0 0 9 3 抵抗 收缩变形能力 1 0 1 9 0 2 5 0 裂缝 的分散性 1 0 2 0 疲劳强度 1 0 1 1 8 1 2 1 1 0 O万次 冲击能力 1 O 1 0 3 冻结融解性能 1 0 1 0 2 O 止水性 小 中 大 耐 热 性 1 0 1 O 2 3 施工性 普通 复杂 普通 修补性 普通 复杂 容易 韧性 1 O 7 0 1 0 0 抗震能力 1 0 2 0 抗拉强度 1 0 1 5 1 8 抗压强度 1 0 1 1 3 抗剪强度 1 0 4 6 抗弯强度 1 O 2 3 造价 1 0 1 2 6 1 2 3 表 1 试 验数 据 表 明 ， 在 喷 射 混凝 土 中加 入 钢 纤 维 可 以改 善 混 凝 土 吸 收 能 量 的 能 力 和 抗 冲 击 的能 力 ， 增大 混凝 土开 裂 的 阻力 ， 控 制 开 裂 ， 并 且 能 明显 改善其延展性。例如在混凝 土基体开裂后 ， 它仍然 具有 承 载能 力 ， 相 比素混凝 土 和钢 筋混 凝土 ， 钢 纤维 9 3 BRI DGE AND TUNNEL C0NS TRUCTI oN AND M ACHI NEI 混凝 土改 善和 提高 了许 多方 面 的性 能 。 在混 凝土 中加 入 钢 纤 维 ， 不 但 可 以提 高 混 凝 土 的抗压强度、 弹性模量、 最大抗 弯强度 ， 而且更突出 的是使混凝土的残余抗弯强度有 了很大的提高， 如 图 2所示 。 图 2 荷 载一 位 移 曲 线 3 在 隧道工程 中应用的优越 性 隧 道新 奥 法 施 工 的实 质 就 是 通 过 发 挥 围岩 承 载 环 的 主 动 作 用 ， 使 隧 道 围 岩 成 为 承 载 结 构 。 显 然 ， 新 奥 法 对 围 岩 承 载 能 力 的 利 用 是 通 过 支 护 系 统在同围岩共 同变形 的过程 中， 对 围岩变形 进行 控制来实现 的。即允许 围岩变形有 一定程度 的释 放 ， 但这一“ 程度” 须 限制 在 围岩能保 持 自承而 不 坍塌的范 围 内， 这就 要求对 围岩起 保护 和控制 作 用 的支护 系统 不仅要 有足够 的强度 ， 而且 还要 具 有 合 理 的 刚度 。 与 普通混 凝 土相 比 ， 钢 纤 维 混 凝 土 除 了具 有 施 工快、 与围岩密贴 以及柔性三大特点外， 还具有 以下 优 点 ： 抗 冲击 能力 、 抗 震能 力强 ； 抗裂 性能 好 ， 可 以控 制 裂纹 的扩 张 ； 材 料 韧 性 好 ， 吸 收 变 形 能力 强 ， 有 利 于在 同围 岩 的共 同 变 形 中建 立 起 新 的平 衡 ； 适 应性 广泛 ， 特别 适应 于 大变 形 的软 弱 围岩 或 具 有 膨 胀 压 力 的环 境 的支护 。 有 经 验 数 据 表 明 ， 使 钢 纤 维 混 凝 土 材 料 达 到 完全 破 坏 所 需 的能 量 为 普 通 混 凝 土 的 1 0 5 0倍 。 还有 研 究 证 明 ， 喷 钢 纤 维 混 凝 土 与 挂 网喷 混 凝 土 相 比， 在大变形情况下有 同等 的支护性 能 ， 在初裂 小变形情况下具有更好 的残余承受荷载 能力。因 此 ， 说 明在 某 种 程 度 上 喷 钢 纤 维 混 凝 土 可 以 代 替 钢筋 网喷 混凝 土 和钢 筋 混 凝 土 衬 砌 。在 北 美 一 些 国家修 建 的 隧 道 中 ， 已 采 用 喷 钢 纤 维 混 凝 土 作 为 永久衬砌 ， 从经 济和技 术上都 体现 了很好 的优越 性 。这 是 因为 ， 采 用 喷 钢 纤 维 混 凝 土 衬 砌 ， 能 够 节 省 大量 的钢 筋绑 扎 和挂 网 时 间 ， 还 可 提 高 安 全 性 ， 9 4 适 应 隧 道 支 护 施 工 中 及 时 、 快 速 、 安 全 的要 求 ； 有 时挂 网 喷混 凝 土 施 工 很 难 保 证 与 岩 石 密 贴 而 形 成 良好的结合 ， 往往需 要增加 喷射 厚度并 产生 大量 的 回弹 ， 否 则 就 极 易 造 成 钢 筋 网 没 有 完 全 被 覆 盖 或 背 后 凹 陷 的现 象 ， 使 钢 筋 网 发 生 腐 蚀 ， 从 而 增 加 混 凝 土 的 消耗 量 。 由 于 混 凝 土 的 收 缩 干裂 会 降 低 与 岩 石 的 结 合 力 ， 加 入 钢 纤 维 后 可 使 混 凝 土 收 缩 裂 纹 因 受 到 钢 纤 维 的影 响 而 均 匀 分 布 ， 裂 纹 宽 度 减 小 ， 这 样 能 提 高衬 砌 的 防水 性 能 和 抗 腐 蚀 能 力 。 喷射钢纤维混凝土的性能对隧道衬砌是非 常重要 的 ， 因而 具 有 显著 的技 术 、 经 济 意义 。 4 施工关键技术 喷 钢纤维 混凝 土用 作 隧道 围岩材 料 的优越性 能 是 显而 易见 的 ， 但 要保 证充 分发挥 其优 越性 ， 施 工工 艺 和质 量控 制是 关键 。下 面结合 湿 喷钢纤 维混 凝土 的施工 实践 ， 简要 介绍 施工 关键技 术 。 ( 1 )精 心设 计全 套工 艺 流程 。湿 喷钢 纤 维 混凝 土 的工 艺流 程如 图 3 所 示 。 l兰 竺 竺 兰 H墨 翌 l 叵巫互H1 I l-_-_-。一 磊 厂 受喷面清理 ( 风、水 ) 埋设检测标高 湿喷钢纤维混凝土 混凝 土养护 图 3 湿 喷 钢 纤 维 琨 凝 土工 艺 流程 ( 2 )根据不同部位设计强度的要求 ， 按照 钢纤 维 昆 凝 土结构设计与施工规程 的有关规定 ， 科学合 理地选定喷射物料的配合比。 ( 3 )合 理选 用适应 性 能 良好 的喷射机 具 。 ( 4 )严格控制水灰 比( 建议选用范围 0 4 O 5 ) 。 ( 5 )严格 检查 所用 材料 的质 量 、 规 格 等 ， 并 经 试 验验证合格后 ， 才能大面积投入使用( 速凝剂掺量由 试 验确 定 ， 一 般 为 水 泥 质 量 的 3 4 ， 速 凝 剂 以 液 态型 为佳 ) 。 ( 6 )采用机械加入钢纤 ， 控制好添加顺序 和加 人数 量 ， 做 到均匀 分布 不成 团 ( 钢 纤维 掺量 由设 计给 定 ， 一般 每立 方米 混凝 土 中掺人 量为 3 5 4 O k g ) 。 ( 7 )合 理控 制好 搅拌 时 间 。 ( 8 )根据不同喷射机机型， 正确选择喷射参数 ， 即喷射距离 、 工作风压 、 喷射厚度等。 ( 下转 第 9 8页) RoAD C0NS TRUCTI ON AND MACHI NERY K1 7 +6 5 5左 幅处 ， 桥 面 层 问剪 切 力 为 8 7 8 0 N， 剪 切强 度为 1 1 2 1 MP a ； 在 K2 1 + 1 5 0右 幅处 ， 桥 面 层 间剪 切力 为 9 9 5 4 N， 剪 切强度 为 1 2 6 8 MP a 。 由苏州 和郑 州 两个 工程 项 目的 现场 检测 结果 可 以看 出 ： 苏州两个点 的剪切强度分别 为 0 9 8 5 MP a 和 1 0 4 8 MP a ， 一个点 的拉拔 强度为 1 1 6 2 MP a ； 郑 州两 个点 的剪 切 强度 分 别 为 1 1 2 1 MP a和 1 2 6 8 MP a 。 虽然监测点很少 ， 但是同一个项 目不 同桩号的检测结 果都很接近； 剪切强度和抗拉强度的检测结果基本都 达到 了 1 MP a ， 说 明环 氧沥青作为 防水粘 结层材 料在 实 际工 程应用 中的性 能表现优异 。 4 结 语 ( 1 )环 氧沥 青 的 固化 是 一 种 化 学反 应 ， 由 固化 前 的线 型分子 结构 转 变 为 固化 后 的 网型 分 子 结 构 ， 环氧沥青 固化后形成不溶的热固性材料。通过物理 和 化学 两个方 面产 生 的作 用 ， 使 环 氧 沥青 具 有 很 高 的粘 结性 能 。 ( 2 )施 工过 程 中只要严 格按 规 定 的施 工 工艺 进 行 ， 便可 达 到要求 的施 工质 量 。 ( 3 )在 工程 实践 中检 测 了环 氧沥 青铺 装 层 的粘 结强度 ， 证实新型环氧沥青作 为桥面防水铺装层材 料 具有 很高 的粘 结性 能 。 参考 文献 1 2 3 4 5 6 7 8 徐强 ， 吴浩 ， 张占军， 等 郑 州市跨机场路高架桥桥面防水 设计 J 公路 ， 2 0 0 1 ( 9 ) ： 3 8 4 0 曹佐 高速公路 桥面防水 层施工工 艺探讨 J 山西交通 科 技 ， 2 0 0 3 ( 5 ) ： 6 7 - 6 8 叶奋 ， 陈越 桥面 防水 层施 工质量 控制 J 公路 交通 科 技 ， 2 0 0 6 ( 6 ) ： 3 4 3 5 蒋维祥 ， 魏为成 水泥混凝土桥 面防水粘结层研究综述 J 公 路交通技术 ， 2 0 0 7 ( s 1 ) ： 8 7 9 0 葛胜锦 ， 余 培玉 桥梁桥 面防水体系的设计与施工技术 J 公 路 ， 2 0 0 8 ( 9 ) ： 2 2 2 2 2 8 周 寅 ， 宋绪丁， 吕彭 民 沥青路 面层 间检测仪器测 试系统 开 发及应用口 筑路机械与施 工机械化 ， 2 0 1 2 ， 2 9 ( 1 1 ) ： 7 3 7 5 张 占军 ， 闵召辉 ， 黄卫 不 同交联度环 氧沥青混合 料低温 弯 曲性能研究 J 中国公路学报 ， 2 0 1 2 ， 2 5 ( 1 ) ： 3 5 3 9 张争奇 ， 陶 晶， 张思桐 桥面铺装环氧沥青防水粘结层性能试 验与评价 l_ J 长安大学学报 ： 自然科学版， 2 O l 1 ， 3 1 ( 4 ) ： 1 6 责任编辑 ： 王玉玲 ( 上接 第 9 4页) ( 9 )确 定 和掌握 好初 喷 与复喷 时机 。 ( 1 0 )制订好施工作业中的各项安全措施 和应 急预案 。 ( 1 1 )及 时进行 质量 检测 ， 保证 施工 质量 。 5 结 语 ( 1 )采用喷射钢纤维混凝土这种新型复合材料 作为隧道围岩支护 ， 能使工程构造物本身 的结构参 数 、 受 力性 能 、 耐久 性等 多方 面得 到大 幅度 的改善 和 提高 ， 并具 有 广泛 的适应 范 围 。 ( 2 )符合 新 奥法对 利用 围岩承 载 能力 的 实质 性 要求 ， 且施 工 中能 做 到 及 时 、 快 速 、 安 全 ； 工 艺 简 单 、 成本 低 ， 受力 性能 、 防水 性能 、 抗腐 蚀性 能 良好 ， 具有 作为一次性永久衬砌的应用价值 。 ( 3 )科学的施工工艺和严格的质量控制是保证施 9 8 工质量 和充分发挥喷射钢纤维混凝土优越性的关键 。 参考 文献 ： 1 2 3 4 5 6 7 易成 ， 沈世剑 ， 谢和平 局部高 密度 钢纤维 混凝土疲 劳纹扩 展实验研究 J 实验力学 ， 2 0 0 1 ， 1 6 ( 2 ) ： 1 5 0 1 5 7 易成 ， 沈世剑 ， 谢和平 局部高 密度钢纤维 混凝土 弯曲疲劳 性能的研究口 土木 工程学报 ， 2 0 0 1 ， 3 4 ( 6 ) ： 2 9 3 3 易 成 ， 沈世剑 ， 谢 和平 局部高 密度钢纤 维混凝土 疲劳裂纹 的分形描述 J 力学与实践 ， 2 0 0 1 ， 2 3 ( 6 ) ： 2 6 2 8 胡新民 ， 李世秋 喷射钢纤维混凝土在隧道工程中的应用探析 口 筑路机械与施工机械化 ， 2 0 0 5 ， 2 2 ( 3 ) ： 4 4 4 6 倜 曾 熊火耀 隧道及地下工程 的施工 M3 成都 ： 西南交 通 大学出版社 ， 2 0 0 6 孙小凯 ， 刁 波 ， 叶英华， 等 超高性能混杂钢纤维混凝土力学 性能试验口 建筑科学与工程学报 ， 2 0 1 2 ， 2 9 ( 2 ) ： 5 5 6 0 郑丹 喷射钢纤维混凝 土支护 隧道 围岩 的施 工技术 J 筑 路机械与施工机械化 ， 2 O 1 1 ， 2 8 ( 1 1 ) ： 7 6 7 8 责任编辑 ： 王玉玲