鋼纖維噴射混凝土技術(shù)在地下工程中的應(yīng)用工藝1.鋼纖維的作用機(jī)理混凝土的抗拉強(qiáng)度較低，一旦開裂后會(huì)發(fā)生脆性破壞。利用鋼纖維進(jìn)行增強(qiáng)處理后，鋼纖維能夠控制裂縫的開展，并且傳遞拉應(yīng)力，產(chǎn)生應(yīng)力重分布，從而提高混凝土的裂后強(qiáng)度，使混凝土具有相當(dāng)?shù)膹澢g度。和素混凝土相比，鋼纖維混凝土在發(fā)生變形后仍能承擔(dān)荷載。2.鋼纖維混凝土的性能鋼纖維混凝土的極限抗彎拉強(qiáng)度和加入鋼纖維之前基本相同，但是鋼纖維混凝土的彎曲韌度有大幅度提高。鋼纖維有各種不同的原材料，形狀和抗拉強(qiáng)度，彎曲韌度各不相同。鋼纖維根據(jù)生產(chǎn)工藝分為剪切型，銑削型，和冷拉型。前兩種纖維本身的抗拉強(qiáng)度在400-700MPa之間，長徑比在40-50，摻量較高，一般在80-120kg/m3；冷拉型纖維通過對(duì)母材（盤條）的高速拉絲，大幅提高了抗拉強(qiáng)度，通常在1000MPa以上，長徑比在60以上，摻量一般在35-65kg/m3。對(duì)不同的鋼纖維應(yīng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到達(dá)到保證鋼纖維混凝土彎曲韌度的鋼纖維纖摻量。鋼纖維混凝土的韌度可以用“位移控制的梁的三分加載實(shí)驗(yàn)”進(jìn)行。圖1.1鋼纖維混凝土梁三分加載彎拉韌度實(shí)驗(yàn)荷載-位移曲線根據(jù)荷載-位移曲線，通過下式計(jì)算鋼纖維混凝土的彎曲韌度：Re，3=100fftm，eq150/fftm其中fftm，eq150：撓度達(dá)到l/150時(shí)等效抗彎拉強(qiáng)度平均值（N/m）fftm：試驗(yàn)極限抗彎拉強(qiáng)度值（N/m）Re，3：彎曲韌度系數(shù)3.鋼纖維噴射混凝土的性能混凝土中加入鋼纖維后可提高混凝土的彎拉韌度，能量吸收能力，抗沖擊能力和對(duì)裂縫的控制。均勻分布的鋼纖維使噴射混凝土任意截面都能夠承受拉應(yīng)力，同時(shí)和圍巖有極佳的粘結(jié)力，因此可以通過應(yīng)力重分布，充分發(fā)揮圍巖的自承能力，是理想的支護(hù)材料。歐洲噴射混凝土規(guī)范用大板實(shí)驗(yàn)比較鋼纖維噴射混凝土和掛網(wǎng)噴射混凝土的性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)鋼纖維噴射混凝土有更高的承載能力和吸收變形能力。圖3.1EFNARC噴射混凝土大板韌度實(shí)驗(yàn)鋼纖維混凝土既能作為初期支護(hù)、也可作為永久襯砌；和掛網(wǎng)相比有技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢：鋼筋掛網(wǎng)施工工藝復(fù)雜；在凹凸不平的巖面難以沿巖石表面布置在拉應(yīng)力區(qū)；在噴射混凝土?xí)r回彈大；混凝土容易集結(jié)在掛網(wǎng)的表面，在掛網(wǎng)的背后形成空洞；當(dāng)圍巖條件較差時(shí)，不能形成及時(shí)支護(hù)。鋼纖維噴射混凝土可以順著圍巖表面形成快速有效的支護(hù)，和巖石有更好的粘結(jié)，而且提高施工安全性簡化施工工序，加快了施工進(jìn)度。從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，鋼纖維混凝土襯砌厚度比掛網(wǎng)混凝土節(jié)約30%，回彈量減少30%，工期節(jié)約20-30%。4.鋼纖維噴射混凝土的應(yīng)用鋼纖維噴射混凝土從70年代起在世界范圍內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用，在“挪威地質(zhì)學(xué)院”提出的“Q系統(tǒng)”中，全面采用鋼纖維噴射混凝土取代掛網(wǎng)作為隧道永久支護(hù)。我國很早就開始研究鋼纖維混凝土的應(yīng)用，但是由于當(dāng)時(shí)鋼纖維本身抗拉強(qiáng)度低，攪拌時(shí)易結(jié)團(tuán)變形，噴射時(shí)易堵管，在施工上很難保證質(zhì)量，使該項(xiàng)技術(shù)沒有得到有效的推廣。90年代起，國內(nèi)引進(jìn)了歐洲粘結(jié)成排的冷拉型鋼纖維生產(chǎn)技術(shù)，冷拉型纖維摻量在35-65kg/m3，用快速水溶性膠水粘結(jié)成排后，鋼纖維在隨骨料一起攪拌的過程中，膠水遇水自動(dòng)溶解，成排的鋼纖維會(huì)分散成單根，在混凝土中均勻地分布，從而解決了鋼纖維結(jié)團(tuán)堵管的問題。鋼纖維噴射混凝土在克服了施工中的弱點(diǎn)后，已經(jīng)逐步在國內(nèi)的一些工程中得到應(yīng)用。5.鋼纖維混凝土的韌度設(shè)計(jì)彎曲韌度是鋼纖維噴射混凝土最為主要的性能，在設(shè)計(jì)中必須有明確的規(guī)定目前國內(nèi)隧道設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)鋼纖維噴射混凝土的韌度暫無規(guī)定，日本，韓國，及歐洲的纖維噴射混凝土規(guī)范中，對(duì)用于地下工程中的鋼纖維噴射混凝土的“彎曲韌度系數(shù)（Re，3）”值大多規(guī)定在68%以上。我國目前在隧道工程中的鋼纖維噴射混凝土設(shè)計(jì)中應(yīng)用的“彎曲韌度系數(shù)”值多在此范圍。為了能夠方便地確定鋼纖維噴射混凝土的韌度是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，有些規(guī)范中采用了“模板”法，在確定鋼纖維混凝土的試件尺寸后，規(guī)定了韌度實(shí)驗(yàn)曲線，實(shí)際實(shí)驗(yàn)曲線若能夠包絡(luò)上述曲線，便認(rèn)為鋼纖維混凝土的韌度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。以下是日本高速公路局（JHC）>中對(duì)鋼纖維噴射混凝土采用的韌度“模板”曲線：圖5.1鋼纖維噴射混凝土梁三分加載實(shí)驗(yàn)彎拉韌度要求將該“模板曲線”換算成彎曲韌度，Re，3=80%。由于彎曲韌度實(shí)驗(yàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備要求較高，根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)定的彎曲韌度通過實(shí)驗(yàn)確定鋼纖維的型號(hào)和摻量后，在施工中只要檢驗(yàn)鋼纖維噴射混凝土的厚度和鋼纖維的型號(hào)，摻量就能達(dá)到質(zhì)量控制的目的。目前采用韌度設(shè)計(jì)的鋼纖維噴射混凝土在國內(nèi)的鐵路和公路隧道及水電站地下工程中都已經(jīng)有所應(yīng)用，7并且逐步成為一種趨勢，鐵路隧道中，圍巖條件較好的工程中鋼纖維噴射混凝土作為永久支護(hù)已經(jīng)積累了相當(dāng)經(jīng)驗(yàn)（秦嶺鐵路），并且逐步推廣到圍巖條件較差的項(xiàng)目中去。其實(shí)，由于鋼纖維噴射混凝土的韌度，使襯砌具有“吸收”圍巖變形的能力。因此，在變形顯著的軟弱圍巖中，鋼纖維噴射混凝土更是一種理想的支護(hù)材料。在公路隧道中鋼纖維噴射混凝土已經(jīng)用于軟弱圍巖的初期支護(hù)（大保公路），而在水電站項(xiàng)目中，鋼纖維噴射混凝土已有在巖爆條件的地下硐室永久支護(hù)的成功經(jīng)驗(yàn)（二灘電站）。表5.1佳密克絲鋼纖維噴射混凝土工程部分應(yīng)用實(shí)例工程用途型號(hào)用量（噸）進(jìn)展水電二灘水電站地下廠房永久支護(hù)ZP3052000完成萬家寨水電站交通洞永久支護(hù)ZP305120完成LPG汕頭地下儲(chǔ)氣室永久支護(hù)RC-65/35-BN120完成鐵路西-康線秦嶺超長隧道隧洞永久支護(hù)ZP305160完成公路元-墨公路隧洞初期支護(hù)RC-65/35-BN1700在建大保公路I II隧洞初期支護(hù)RC-65/35-BN1500在建6.鋼纖維噴射混凝土的施工從原則上而言，鋼纖維噴射混凝土不需要改變?nèi)魏喂に?，噴射混凝土所使用的常?guī)設(shè)備都適用于鋼纖維噴射混凝土。鋼纖維噴射混凝土既適用于干噴，也適用于濕噴，但是由于干噴的回彈大，對(duì)鋼纖維噴射混凝土而言，很不經(jīng)濟(jì)，一般推薦采用濕噴工藝。目前，國內(nèi)已經(jīng)有自主生產(chǎn)的濕噴機(jī)，液態(tài)速凝劑和硅粉也得到了更多的使用，這些都有助于鋼纖維濕噴工藝的推廣。7.結(jié)語鋼纖維噴射混凝土作為一種新型的支護(hù)材料，施工簡單，速經(jīng)濟(jì)，有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢，目前在國內(nèi)的地下工程中已經(jīng)有成功的經(jīng)驗(yàn)，相信隨著工程人員的努力，鋼纖維噴射混凝土技術(shù)會(huì)在我國的地下工程中得到更廣泛的使用。