钢纤维喷射混凝土技术在地下工程中的应用工艺

　　1.钢纤维的作用机理

　　混凝土的抗拉强度较低，一旦开裂后会发生脆性破坏。利用钢纤维进行增强处理后，钢纤维能够控制裂缝的开展，并且传递拉应力，产生应力重分布，从而提高混凝土的裂后强度，使混凝土具有相当的弯曲韧度。和素混凝土相比，钢纤维混凝土在发生变形后仍能承担荷载。

　　2.钢纤维混凝土的性能

　　钢纤维混凝土的极限抗弯拉强度和加入钢纤维之前基本相同，但是钢纤维混凝土的弯曲韧度有大幅度提高。

　　钢纤维有各种不同的原材料，形状和抗拉强度，弯曲韧度各不相同。钢纤维根据生产工艺分为剪切型，铣削型，和冷拉型。前两种纤维本身的抗拉强度在400-700MPa之间，长径比在40-50，掺量较高，一般在80-120kg/m3；冷拉型纤维通过对母材（盘条）的高速拉丝，大幅提高了抗拉强度，通常在1000MPa以上，长径比在60以上，掺量一般在35-65kg/m3。

　　对不同的钢纤维应进行实验，得到达到保证钢纤维混凝土弯曲韧度的钢纤维纤掺量。钢纤维混凝土的韧度可以用“位移控制的梁的三分加载实验”进行。

　　图1.1钢纤维混凝土梁三分加载弯拉韧度实验荷载-位移曲线

　　根据荷载-位移曲线，通过下式计算钢纤维混凝土的弯曲韧度：

　　Re，3=100fftm，eq150/fftm

　　其中fftm，eq150：挠度达到l/150时等效抗弯拉强度平均值（N/m㎡）

　　fftm：试验极限抗弯拉强度值（N/m㎡）

　　Re，3：弯曲韧度系数

　　3.钢纤维喷射混凝土的性能

　　混凝土中加入钢纤维后可提高混凝土的弯拉韧度，能量吸收能力，抗冲击能力和对裂缝的控制。均匀分布的钢纤维使喷射混凝土任意截面都能够承受拉应力，同时和围岩有极佳的粘结力，因此可以通过应力重分布，充分发挥围岩的自承能力，是理想的支护材料。

　　《欧洲喷射混凝土规范》用大板实验比较钢纤维喷射混凝土和挂网喷射混凝土的性能，实验结果发现钢纤维喷射混凝土有更高的承载能力和吸收变形能力。

　　图3.1EFNARC喷射混凝土大板韧度实验

　　钢纤维混凝土既能作为初期支护、也可作为永久衬砌；和挂网相比有技术和经济上的优势：

　　钢筋挂网施工工艺复杂；在凹凸不平的岩面难以沿岩石表面布置在拉应力区；在喷射混凝土时回弹大；混凝土容易集结在挂网的表面，在挂网的背后形成空洞；当围岩条件较差时，不能形成及时支护。

　　钢纤维喷射混凝土可以顺着围岩表面形成快速有效的支护，和岩石有更好的粘结，而且提高施工安全性简化施工工序，加快了施工进度。

　　从经济角度出发，钢纤维混凝土衬砌厚度比挂网混凝土节约30%，回弹量减少30%，工期节约20-30%。

　　4.钢纤维喷射混凝土的应用

　　钢纤维喷射混凝土从70年代起在世界范围内得到广泛的应用，在“挪威地质学院”提出的“Q系统”中，全面采用钢纤维喷射混凝土取代挂网作为隧道永久支护。

　　我国很早就开始研究钢纤维混凝土的应用，但是由于当时钢纤维本身抗拉强度低，搅拌时易结团变形，喷射时易堵管，在施工上很难保证质量，使该项技术没有得到有效的推广。90年代起，国内引进了欧洲粘结成排的冷拉型钢纤维生产技术，冷拉型纤维掺量在35-65kg/m3，用快速水溶性胶水粘结成排后，钢纤维在随骨料一起搅拌的过程中，胶水遇水自动溶解，成排的钢纤维会分散成单根，在混凝土中均匀地分布，从而解决了钢纤维结团堵管的问题。钢纤维喷射混凝土在克服了施工中的弱点后，已经逐步在国内的一些工程中得到应用。

　　5.钢纤维混凝土的韧度设计

　　弯曲韧度是钢纤维喷射混凝土最为主要的性能，在设计中必须有明确的规定目前国内隧道设计规范中对钢纤维喷射混凝土的韧度暂无规定，日本，韩国，及欧洲的纤维喷射混凝土规范中，对用于地下工程中的钢纤维喷射混凝土的“弯曲韧度系数（Re，3）”值大多规定在68%以上。我国目前在隧道工程中的钢纤维喷射混凝土设计中应用的“弯曲韧度系数”值多在此范围。

　　为了能够方便地确定钢纤维喷射混凝土的韧度是否达到设计要求，有些规范中采用了“模板”法，在确定钢纤维混凝土的试件尺寸后，规定了韧度实验曲线，实际实验曲线若能够包络上述曲线，便认为钢纤维混凝土的韧度达到设计要求。

　　以下是日本高速公路局（JHC）>中对钢纤维喷射混凝土采用的韧度“模板”曲线：

　　图5.1钢纤维喷射混凝土梁三分加载实验弯拉韧度要求

　　将该“模板曲线”换算成弯曲韧度，Re，3=80%。

　　由于弯曲韧度实验对实验设备要求较高，根据设计规定的弯曲韧度通过实验确定钢纤维的型号和掺量后，在施工中只要检验钢纤维喷射混凝土的厚度和钢纤维的型号，掺量就能达到质量控制的目的。

　　目前采用韧度设计的钢纤维喷射混凝土在国内的铁路和公路隧道及水电站地下工程中都已经有所应用，[7]并且逐步成为一种趋势，铁路隧道中，围岩条件较好的工程中钢纤维喷射混凝土作为永久支护已经积累了相当经验（秦岭铁路），并且逐步推广到围岩条件较差的项目中去。其实，由于钢纤维喷射混凝土的韧度，使衬砌具有“吸收”围岩变形的能力。因此，在变形显著的软弱围岩中，钢纤维喷射混凝土更是一种理想的支护材料。在公路隧道中钢纤维喷射混凝土已经用于软弱围岩的初期支护（大保公路），而在水电站项目中，钢纤维喷射混凝土已有在岩爆条件的地下硐室永久支护的成功经验（二滩电站）。

　　表5.1佳密克丝钢纤维喷射混凝土工程部分应用实例

工程　用途　型号　用量（吨）　进展　水电　二滩水电站　地下厂房永久支护　ZP305　2000　完成　万家寨水电站　交通洞永久支护　ZP305　120　完成　LPG汕头　地下储气室永久支护　RC-65/35-BN　120　完成　铁路　西-康线
秦岭超长隧道　隧洞永久支护　ZP305　160　完成　公路　元-墨公路　隧洞初期支护　RC-65/35-BN　1700　在建　大保公路I II　隧洞初期支护　RC-65/35-BN　1500　在建　

　　6.钢纤维喷射混凝土的施工

　　从原则上而言，钢纤维喷射混凝土不需要改变任何工艺，喷射混凝土所使用的常规设备都适用于钢纤维喷射混凝土。

　　钢纤维喷射混凝土既适用于干喷，也适用于湿喷，但是由于干喷的回弹大，对钢纤维喷射混凝土而言，很不经济，一般推荐采用湿喷工艺。

　　目前，国内已经有自主生产的湿喷机，液态速凝剂和硅粉也得到了更多的使用，这些都有助于钢纤维湿喷工艺的推广。

　　7.结语

　　钢纤维喷射混凝土作为一种新型的支护材料，施工简单，速经济，有相当的优势，目前在国内的地下工程中已经有成功的经验，相信随着工程人员的努力，钢纤维喷射混凝土技术会在我国的地下工程中得到更广泛的使用。