钢纤维混凝土在隧道初期支护的应用

钢纤维混凝土凭借其优良的抗剪性、耐冲击性、耐疲劳性和高韧性等特性在国内基础设施建设过程中得到广泛应用，所谓钢纤维混凝土，即在普通素混凝土中根据相关设计均匀乱向设置一定量的钢纤维，形成的新型复合材料。根据新奥法隧道支护理论，对于初期支护的要求为及时、密贴、柔性和具有变形的能力，钢纤维混凝土的特性刚好能够满足新奥法隧道初期支护理论，在国外已经得到广泛应用。由于国内在喷射机械、喷射施工等方面原因，钢纤维混凝土在国内初期支护喷射混凝土施工中应用较少。但是采用钢纤维喷射混凝土可以减小断面，具有较高的强度，而且韧性好，尤其在单衬砌施工中应用相对于复合式衬砌施工简便。日本在对不良底层修补工作中已经较多采用钢纤维混凝土，英国也已经利用钢纤维混凝土代替钢网对隧道进行加固，我国在水工隧道与矿山等工程中也开始使用，试验效果很好，也已经开始推广工作。

1湿喷的钢纤维混凝土力学特性

由于钢纤维混凝土是由混凝土和钢纤维组成的，因此钢纤维混凝土的力学特性与这两者之间关系紧密。对于普通素混凝土，材料内不可避免的存在微裂缝，当这些裂缝由于应力集中导致裂缝的扩展，逐渐发展为宏观裂缝，其材料的破坏过程就是裂缝的扩展过程。而对于钢纤维混凝土，由于钢纤维的存在，其力学特性根据实验得到，其破坏过程可以分为弹性阶段、裂缝扩展阶段，裂缝扩展阶段和最终的纤维拔出阶段。正是由于钢纤维的加入，使得钢纤维混凝土应力——应变曲线下降段发生变化，使得脆性破坏变为塑性破坏，即在钢纤维的抗拉强度达到极限后才会出现裂缝稳定扩展。

1.1钢纤维混凝土的物理力学特性

经研究发现，随着钢纤维含量的增加，钢纤维混凝土的抗拉、抗压和抗折性能均有增强。喷射混凝土中速凝剂和减水剂的含量对早期强度有较大的影响，随含量增加，其早期强度也得到提高，严格把控其含量有利于隧道开挖初期隧道围岩的变形。通过添加一定量乱向分布的钢纤维使得喷射混凝土强度提高的原因在于钢纤维可以在水泥砂浆的作用下插入隧道围岩表面，使得喷射混凝土与围岩的黏结性提高，增加了两者之间的抗拉强度，有效降低喷射混凝土的掉块。在普通的混凝土中通过添加钢纤维、矿粉等材料可以有效提高混凝土的塑性和初期的抗拉强度，可以大大降低喷射混凝土由于干缩导致的收缩裂缝，进而减小了喷射混凝土中的空隙。除此之外，矿粉等材料具有微膨胀作用，可以提高混凝土的抗渗能力。

1.2钢纤维喷射混凝土弯曲特性

在隧道喷锚支护结构中，喷射混凝土不可避免的承受部分弯曲应力，此时钢纤维混凝土的特性就可较好解决此问题，钢纤维混凝土由于其紧密贴合在隧道围岩表面，可以在隧道围岩的变形过程中提供抗力，使得喷射混凝土出现弯曲，当采用素混凝土进行喷射时，容易出现弯曲裂缝，而钢纤维混凝土由于钢纤维的作用，增加其弯曲韧性，可大大减小弯曲裂缝的产生。钢纤维混凝土在其出现裂缝之前混凝土本身材料提供主要承力，但是在混凝土出现裂缝之后，钢纤维混凝土的力学特性主要由钢纤维的含量与特性决定，在近年来，我国对钢纤维混凝土裂后特性评价研究较多，在各种规范与试验中，一般都采用能量法或者强度法，再就是特征点法通过钢纤维混凝土梁板结构的弯曲试验得到，根据得到的荷载—挠度曲线来评定钢纤维混凝土产生裂缝后的力学特性。如图2所示，即为在不同的钢纤维含量前提下进行的混凝土梁板结构实验得到的荷载—挠度曲线图。从图2中可以得到，当荷载较小时，混凝土并未出现裂缝，钢纤维与混凝土材料共同发挥作用，一同承受荷载，而且荷载—挠度曲线近似直线，随着荷载的增加，微裂缝逐渐发展为宏观裂缝，此时的荷载—挠度曲线为非线性，而且不同钢纤维含量的情况下曲线不同，加入40kg/m3钢纤维时混凝土的抗弯强度提高14.4%，而加入45kg/m3钢纤维时混凝土的抗弯强度提高23.7%，由此可以得到钢纤维对混凝土的抗弯与抗拉性能有较大的提升。

2湿喷混凝土配比设计

在保证喷射混凝土强度的前提下，为降低喷射混凝土的回弹率其配比需要严格按照设计进行把控，在混凝土配比设计过程中，当水灰比确定以后，喷射混凝土的配比设计应将重点放在保证混凝土和易性上，而且要保证混凝土的坍落度保持在10cm左右，并具有较好的黏聚力。根据我国相关规定，对于混凝土骨料的最大粒径一般推荐为15mm，含沙率保持在50%左右，而国外资料显示，喷射混凝土骨料的最大粒径一般为10mm，含沙率较高，一般为60%～70%。

2.1材料组成

喷射混凝土的材料有砂、骨料、水泥、水和速凝剂等。砂一般为中粗砂，其细度模数要不得小于2.5，能够通过5mm的筛子。对于骨料要除去低于5mm的石粉，而且粒径不得超过15mm。水泥一般采用425﹟硅酸盐水泥。速凝剂的含量则根据速凝时间确定，对于喷射混凝土，其初凝时间一般不得大于5min，终凝时间不得小于10min，28d龄期强度保持率要保证大于70%。

2.2喷射混凝土的配比

在喷射混凝土的配比过程中，首先应进行初配，即在试验室进行各种配比的混凝土试验，注意坍落度要保持在8~15cm之间，进行现场试验，根据现场试验中喷射混凝土的和易性与强度作为判断标准进行调整优选，根据统计得到湿喷混凝土初配一般用量。在初始配比中进行最佳配比的确定，对于采用TK961式湿喷机进行混凝土喷射时混凝土的和易性作为相关之比进行判断。根据现场试验得到，TK961式湿喷机进行工作时所需的风压一般要大于0.5MPa，喷射混凝土的塌落度在11cm左右时较为理想，可以通过在喷射混凝土添加钢纤维或者硅粉大大降低混凝土的回弹率，根据试验统计分析得到湿喷混凝土的最佳配比。

3湿喷混凝土施工注意事项

钢纤维混凝土的湿喷工艺施工过程要严格控制，要按最佳配比进行混凝土材料的配置，并加入搅拌机搅拌均匀，混凝土的制作过程要严格按照施工工艺要求进行，将搅拌好的湿喷混凝土利用专用的运输设备运至湿喷机，通过料斗将制作好的混凝土加入湿喷机，进而进行湿喷工作。

3.1湿喷机湿喷过程要点

首先要保证湿喷混凝土达到相关要求，例如和易性较好，混凝土的塌落度要在8~15cm之间，速凝剂的添加时间与添加量要满足设计要求，在湿喷过程中湿喷机的风压不得小于0.5MPa，而且风量也要足够大，不得小于10m3/min，为了降低喷射混凝土的回弹，湿喷机的喷嘴与隧道围岩之间的距离和角度要特别注意。

3.2机械设备

为了保证湿喷工作的正常进行需要混凝土搅拌机，一般采用强制式或者锥形反转出料的搅拌机。混凝土搅拌制作完成后，需要将其运输至施工地点，故需要混凝土的运输设备，一般为6m3的混凝土运输车并配有约0.75m3左右的料槽一个，当混凝土运输至湿喷机后，湿喷机进行湿喷工作需要动力，一般需要电动空压机，具体功率与供风能力根据具体工程施工决定。

3.3人员配备

为保证施工工作的正常进行，需要专门人员进行施工，其中包括湿喷机司机与喷射手，运输人员和混凝土搅拌人员、带班人员等。

4结语

（1）通过向混凝土中添加钢纤维可以大大提高混凝土的抗拉性能、抗弯性能和抗剪性能，由于钢纤维的存在使得混凝土的耐久性也到较大提升。（2）通过试验得到，钢纤维混凝土中钢纤维的含量对其性能影响较大，在一定条件在，钢纤维的含量越高，混凝土的抗弯性能越强。（3）钢纤维混凝土要想得到较好的特性，必须对其材料配比进行严格控制，施工过程中对关键点特别注意才能保证钢纤维混凝土的优良特性。（4）钢纤维混凝土凭借其特性在隧道初期支护中具有较大优势，相信在未来一段时间内会有钢纤维混凝土在隧道初期支护中具有广泛应用。