鋼纖維在隧道噴射混凝土中的應(yīng)用研究

何向東

(中鐵十九局集團(tuán)廣州工程有限公司,廣東 廣州 511458)

1 工程概況

單線(xiàn)某鐵路隧道全長(zhǎng)2 670 m，最大埋深約185 m，進(jìn)口里程D1K273+870，出口里程D1K276+540，設(shè)計(jì)為11.2%、11.7%、1.3%的單面上坡。隧道除D1K273+870～D1K274+266.276段位于半徑為1 200 m的右偏曲線(xiàn)、D1K276+273.248～+540段位于半徑為1 600 m的左偏曲線(xiàn)上外，其余地段均為直線(xiàn)。隧址范圍內(nèi)屬于北亞溫帶濕潤(rùn)半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)季候，年平均氣溫為4.6 ℃，極端最高氣溫為36.5 ℃，極端最低氣溫為-37.1 ℃；年平均降雨量為670.4 mm，主要集中于6—8月，年平均蒸發(fā)量為1 311.3 mm，年平均相對(duì)濕度為67%。地下水主要賦存于溝谷地段第四系殘坡積層及全風(fēng)化層中，受大氣降水補(bǔ)給，水位及水量隨季節(jié)變化大，沿殘坡積層中的孔隙和基巖面向下滲流和排泄。隧道進(jìn)出口邊坡土質(zhì)分別為花崗巖殘坡積層及全風(fēng)化層和凝灰?guī)r全風(fēng)化巖，抗剪強(qiáng)度低，且邊坡坡度較大，邊坡穩(wěn)定性差。隧道穿越軟弱斷層地帶，裂隙、節(jié)理較發(fā)育。考慮到普通噴射混凝土脆性較高，容易出現(xiàn)斷裂破壞，鋼纖維能顯著改善普通噴射混凝土黏結(jié)力、韌性、延性、抗裂性，減小噴射混凝土的收縮，該隧道軟弱破碎帶初期支護(hù)采用鋼纖維噴射混凝土。

2 鋼纖維噴射混凝土配合比設(shè)計(jì)

2.1 材料選擇

水泥采用檢驗(yàn)合格的425#普通硅酸鹽水泥。粗骨料采用級(jí)配良好、堅(jiān)硬耐久石灰?guī)r碎石，最大粒徑為10 mm，為機(jī)制碎石，其級(jí)配見(jiàn)圖1。細(xì)骨料采用干凈、堅(jiān)硬耐久的中砂，細(xì)度模數(shù)為2.9，其級(jí)配見(jiàn)圖2。水采用符合工程質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的飲用水，不得含有影響水泥正常硬化、凝結(jié)的有害雜質(zhì)。鋼纖維采用國(guó)產(chǎn)ZP305型鋼纖維，其內(nèi)不得含有明顯的油脂、銹蝕及其他影響鋼纖維與水泥黏結(jié)的雜質(zhì)，長(zhǎng)度為20～35 mm，保證其最大長(zhǎng)度不超過(guò)噴嘴及輸料軟管內(nèi)徑的0.7倍，抗拉強(qiáng)度不低于1 000 MPa。減水劑采用國(guó)產(chǎn)NOF-1型高效減水劑。速凝劑采用與水泥相溶性好的濕噴專(zhuān)用液體速凝劑，初凝時(shí)間不得超過(guò)5 min，終凝時(shí)間不應(yīng)超過(guò)10 min。為確定最佳砂率，進(jìn)行不同水灰比、不同砂率的噴射混凝土抗壓強(qiáng)度和坍落度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3、圖4。

由圖3可知，水灰比一定時(shí)，隨著砂率的增大，噴射混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度先增大后減小；水灰比越大，噴射混凝土的強(qiáng)度越大；砂率為56%時(shí)，噴射混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度最大。由圖4可知，在砂率為56%時(shí)，不同水灰比的噴射混凝土的坍落度均較小；砂率相同時(shí)，水灰比越大，坍落度越小。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)噴射混凝土拌合物情況，發(fā)現(xiàn)砂率為56%時(shí)拌合物最好，59%、62%砂率拌合物都存在明顯的泌水現(xiàn)象，因此取砂率為56%作為噴射混凝土的最佳砂率。

圖1 采用碎石級(jí)配圖

圖2 采用中砂級(jí)配圖

圖3 砂率與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線(xiàn)

圖4 砂率與坍落度的關(guān)系曲線(xiàn)

2.2 鋼纖維噴射混凝土配合比確定

選取等效抗彎強(qiáng)度、韌度系數(shù)R30,10、28 d抗壓強(qiáng)度、坍落度等指標(biāo)作為鋼纖維噴射混凝土配合比設(shè)計(jì)控制指標(biāo)[1-4]，采用最佳砂率56%，進(jìn)行不同水灰比、不同鋼纖維用量的噴射混凝土等效抗彎強(qiáng)度、韌度系數(shù)、抗壓強(qiáng)度、坍落度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果分別見(jiàn)圖5～圖8。

圖5 鋼纖維對(duì)噴射混凝土等效抗彎強(qiáng)度的影響

圖6 鋼纖維對(duì)噴射混凝土韌度系數(shù)的影響

圖7 鋼纖維對(duì)噴射混凝土強(qiáng)度的影響

圖8 鋼纖維對(duì)噴射混凝土坍落度的影響

(1)由圖5、圖6可知，水灰比一定時(shí)，噴射混凝土的等效抗彎強(qiáng)度、韌度系數(shù)R30,10隨著鋼纖維用量的增加而增大，表明鋼纖維的加入能明顯增加噴射混凝土的抗裂性、韌性和延性。

(2)由圖7可知，水灰比一定時(shí)，噴射混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度隨著鋼纖維用量的增加先減小后增大，水灰比大于0.45時(shí)，鋼纖維用量超過(guò)50 kg/m3時(shí)，鋼纖維噴射混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度超過(guò)普通噴射混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度；水灰比對(duì)鋼纖維噴射混凝土強(qiáng)度有顯著影響，水灰比越大，鋼纖維噴射混凝土強(qiáng)度越容易超過(guò)普通混凝土，為減少鋼纖維的用量，應(yīng)適當(dāng)提高噴射混凝土的水灰比。從圖8可知，在一定范圍內(nèi)，鋼纖維噴射混凝土的坍落度隨鋼纖維用量的增加先減小后增大，但與普通噴射混凝土相比，其坍落度明顯降低，拌合物流動(dòng)性下降。

(3)根據(jù)鋼纖維噴射混凝土應(yīng)滿(mǎn)足韌度系數(shù)R30,10大于60，強(qiáng)度應(yīng)滿(mǎn)足C30強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，等效抗彎強(qiáng)度應(yīng)大于2.5 MPa，高效減水劑摻量控制在0.5%～0.7%，速凝劑應(yīng)控制在2.5%～3.5%的要求，確定1 m3鋼纖維噴射混凝土的材料理論用量為鋼纖維用量50 kg，高效減水劑為2.65 kg，水灰比為0.5，速凝劑為20 kg，碎石653 kg，砂830 kg。

3 鋼纖維噴射混凝土施工

該隧道鋼纖維噴射混凝土采用濕噴法施工，濕噴混凝土在拌和站集中拌制。施工機(jī)械采用TK600濕噴機(jī)2臺(tái)、電動(dòng)空壓機(jī)2臺(tái)、噴射簡(jiǎn)易臺(tái)架1臺(tái)、混凝土運(yùn)輸車(chē)2輛。

(1)噴射前準(zhǔn)備工作。先用高壓風(fēng)把巖面的巖屑、浮塵清理干凈。再按規(guī)定掛好鋼筋網(wǎng)，檢查噴射設(shè)備及電、水、風(fēng)等線(xiàn)路，檢查噴射機(jī)的密封性[5]。然后埋設(shè)噴射混凝土厚度控制鋼筋，并加強(qiáng)隧道通風(fēng)。

(2)試噴。根據(jù)得到的理論施工配合比現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行試噴。通過(guò)試噴，最終取得鋼纖維噴射混凝土的施工配合比為1 m3鋼纖維噴射混凝土的材料用量為鋼纖維50 kg，水230 kg，碎石653 kg，砂830 kg，水泥490 kg，速凝劑9.7 kg，減水劑2.96 kg。

(3)噴射。打開(kāi)噴射機(jī)前，應(yīng)檢查系統(tǒng)風(fēng)壓，保證風(fēng)壓大于0.5 MPa。噴射作業(yè)采取分片、分段、分層、自上而下的順序進(jìn)行。初噴射厚度為80 mm，復(fù)噴厚度為120 mm，復(fù)噴應(yīng)在初噴混凝土終凝前進(jìn)行，分段長(zhǎng)度不得超過(guò)6 m。噴射時(shí)風(fēng)壓應(yīng)控制在0.3～0.4 MPa范圍內(nèi)，噴頭離受?chē)娒婢嚯x應(yīng)控制在1.5～2.0 m范圍內(nèi)，噴頭應(yīng)緩慢、連續(xù)移動(dòng)，并與受?chē)娒娲怪保员ＷC噴射混凝土厚度均勻。當(dāng)噴射巖面潮濕、滲水或涌水時(shí)應(yīng)采取措施進(jìn)行處理：對(duì)潮濕面積大的巖面，應(yīng)添加外加劑提高噴射混凝土的黏結(jié)性；對(duì)滲漏巖面，噴射應(yīng)從遠(yuǎn)離滲漏水處逐漸逼近滲漏水處，再用導(dǎo)管把水引出；對(duì)于涌水巖面應(yīng)采取注漿堵水后再?lài)娚鋄3]。噴射過(guò)程中，應(yīng)密切觀察噴嘴情況，發(fā)現(xiàn)堵管時(shí)，應(yīng)先關(guān)閉主機(jī)，再關(guān)高壓風(fēng)，然后對(duì)管道進(jìn)行清理，清理合格后才能開(kāi)主機(jī)。為防止石子、鋼纖維回彈傷人，噴射人員應(yīng)佩戴防護(hù)面罩、防護(hù)目鏡、防護(hù)披肩和乳膠手套。

(4)養(yǎng)護(hù)。鋼纖維噴射混凝土終凝2 h后，對(duì)一般巖面采取噴水養(yǎng)護(hù)，噴水次數(shù)應(yīng)能保證鋼纖維噴射混凝土保持濕潤(rùn)狀態(tài)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間應(yīng)不低于14 d；對(duì)泥巖等不適合噴水養(yǎng)護(hù)的巖面，采用噴霧養(yǎng)護(hù)，以防止養(yǎng)護(hù)水造成巖層軟化，養(yǎng)護(hù)時(shí)間應(yīng)不低于14 d，噴霧次數(shù)應(yīng)能保證鋼纖維噴射混凝土保持濕潤(rùn)狀態(tài)。

4 結(jié)語(yǔ)

鋼纖維噴射混凝土強(qiáng)度高，抗裂性好，支護(hù)能力強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)效益顯著，在隧道施工中具有良好的應(yīng)用前景。該鐵路隧道鋼纖維噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度、韌度系數(shù)、厚度、鋼纖維用量、噴射砼外觀等質(zhì)量檢查均滿(mǎn)足規(guī)定要求，表明采用的配合比與施工方法是成功的，為鋼纖維噴射混凝土在隧道中的推廣應(yīng)用積累了技術(shù)資料。