鋼纖維混凝土在隧道斜井單層襯砌支護結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究

李逢源

（山西路橋第七工程有限公司，山西 晉城 048000）

0 引言

由于普通混凝土為脆性材料，其抗拉強度相對較小，在拉應(yīng)力、剪應(yīng)力作用下極易產(chǎn)生變形、裂縫及脆性破壞，使其在工程應(yīng)用方面受到一定的局限性。近年來，隨著新材料、新工藝的不斷發(fā)展，鋼纖維混凝土應(yīng)運而生，由于鋼纖維具有較好的表面性能，且抗拉性能優(yōu)良，極大提高了混凝土的抗拉、抗剪、抗彎等方面的能力，使得傳統(tǒng)脆性材料變?yōu)榭棺冃文芰^強的新型材料。

隨著國家高速公路網(wǎng)的不斷完善，高速公路逐步向崇山峻嶺邁進，其地質(zhì)條件、氣象、地形等因素更加復(fù)雜，對隧道支護結(jié)構(gòu)的抗壓、抗拉、耐久性、韌性等提出了更高的要求。目前鋼纖維混凝土在隧道工程支護結(jié)構(gòu)中逐步推廣應(yīng)用[1-3]。國內(nèi)外學者們也針對鋼纖維混凝土開展了大量研究工作，如王道遠[4]結(jié)合工程案例研究了鋼纖維混凝土在穿越斷層破碎帶隧道中的應(yīng)用，對不同參數(shù)條件下隧道襯砌的抗錯斷能力進行了全面評價，提出了新型纖維混凝土隧道襯砌抗錯斷技術(shù)；王建偉[5]利用現(xiàn)場試驗、室內(nèi)試驗研究了噴射鋼纖維混凝土的配合比設(shè)計及施工工藝，為鋼纖維混凝土技術(shù)的推廣提供技術(shù)支撐；崔光耀[6]分別從靜力學、動力學角度研究了纖維混凝土隧道襯砌結(jié)構(gòu)的力學特性，并分析了纖維尺寸、摻量、類型等參數(shù)對其性能的影響；周平[7]利用模型試驗手段研究了鋼纖維混凝土單層隧道襯砌的力學特性，并分別研究了考慮及不考慮層間效應(yīng)的應(yīng)力分布特征。本文在上述研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合典型工程案例，研究鋼纖維混凝土的基本特性，并深入分析鋼纖維混凝土隧道襯砌的支護效果。研究成果可為鋼纖維混凝土隧道設(shè)計、施工及運營養(yǎng)護提供技術(shù)支撐。

1 工程概況

和榆高速云山隧道為雙向四車道分離式隧道，其左右洞長度分別為11 408 m、11 377 m，最大埋深為742.67 m，附屬設(shè)施為4處斜井。隧址區(qū)位于太行山脈中南部，地形復(fù)雜，溝壑縱橫，進出口相對高差達855.4 m。氣象條件為溫帶季風氣候，四季分明，年平均氣溫為7.9℃。在地質(zhì)條件方面，云山隧道穿越地層單元較多，主要由元古界、古生界及新生界組成，出露地層由老到新包括元古界長城系中統(tǒng)上亳州溝組，古生界寒武系中統(tǒng)毛莊組、徐莊組、張夏組，奧陶系下統(tǒng)冶里組、亮甲山組，新生界第四系松散巖類堆積物。巖性以灰?guī)r、泥巖為主，隧道進出口位置圍巖極為破碎，且局部分布有大小不一的巖溶，導(dǎo)致隧道支護結(jié)構(gòu)受力特性復(fù)雜，施工難度較大。根據(jù)該隧道的設(shè)計文件，其1號豎井、3號斜井采用“鋼纖維噴射混凝土+系統(tǒng)錨桿”形成單層襯砌結(jié)構(gòu)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)型式，從而提高隧道支護結(jié)構(gòu)承載力，提高施工效率。

2 鋼纖維混凝土基本性能研究

2.1 試驗方案

為對比分析普通混凝土和鋼纖維混凝土的性能差異，本文采用室內(nèi)試驗對其抗拉強度、抗壓強度、早期強度等參數(shù)進行了測試。首先，在試驗材料方面，鋼纖維采用剪切波浪型纖維，其長度為30 mm，直徑為0.5 mm，其抗拉強度為375 MPa，其具體情況如圖1所示。

圖1 剪切波浪型鋼纖維

為保證水泥與鋼纖維的相互作用效果，該試驗采用42.5號普通硅酸鹽水泥，摻入無堿速凝劑將砂漿初凝時間控制在3 min左右，終凝時間控制在5 min左右，保證水泥砂漿具有較好的和易性。粗骨料采用機制瓜米石，其最大粒徑控制在10 mm以內(nèi)，表觀密度不小于2 580 kg/m3，壓碎指標為7.5%，其中細顆粒含量不大于25%.細骨料采用機制砂、河砂按質(zhì)量比1∶0.75進行調(diào)配，從而保證細骨料具有較好級配。為改善鋼纖維混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)、提高其早期強度、增加耐腐蝕性，該試驗在混凝土中加入適量的微硅粉，其平均粒徑為0.1 μm，二氧化硅含量應(yīng)大于85%，含水量小于2%，比表面積大于21 000 m2/kg。

試件采用現(xiàn)場噴射法進行制作，首先用木板制作出長寬分別為60 cm、12 cm的模具，將其靠墻呈45°斜放，用鋼纖維混凝土從下而上逐步噴滿模具；其次在溫度為20℃、濕度為80%的環(huán)境中養(yǎng)護7 d，再進行脫模，并切割成邊長為10 cm的立方體，繼續(xù)養(yǎng)護至28 d齡期，取出試樣后備用。試驗設(shè)備采用SYE-2000型壓力試驗機，其最大加載力為2 000 kN，加載速度可控制在0.3 MPa/s左右。養(yǎng)護完成后的試樣及其強度試驗分別如圖2和圖3所示。

圖2 養(yǎng)護完成后的試樣

圖3 混凝土試塊強度試驗

2.2 抗拉壓強度結(jié)果分析

采用上述試驗方案，對普通混凝土及鋼纖維混凝土試樣分別進行14 d、28 d條件下的抗拉及抗壓強度測試，所得試驗結(jié)果如表1所示。

表1 普通混凝土及鋼纖維混凝土抗拉及抗壓強度試驗結(jié)果 MPa

從表1中可以看出，鋼纖維混凝土抗壓強度明顯大于普通混凝土抗壓強度，其28 d齡期的最大值為45.20 MPa，較普通混凝土同期抗壓強度最大值36.09 MPa的增幅達25.2%；同時，鋼纖維混凝土抗拉強度也明顯大于普通混凝土抗拉強度，其28 d齡期的最大值為5.24 MPa，較普通混凝土同期抗拉強度最大值2.43 MPa的增幅達115.6%.結(jié)合試樣的破壞形式可以看出，鋼纖維混凝土在整個加載過程中未出現(xiàn)碎裂、錯斷等現(xiàn)象，僅出現(xiàn)了局部微裂縫及表面剝落現(xiàn)象，并保持了原有整體形狀?？梢?，摻入鋼纖維極大地增加了混凝土的抗拉強度，延緩了混凝土結(jié)構(gòu)破壞速度，將原有的脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)槿嵝云茐?，極大地提高了混凝土的使用性能。

2.3 早期強度結(jié)果分析

采用上述試驗方案，對普通混凝土及鋼纖維混凝土試樣分別進行 2 h、4 h、8 h、12 h、1 d、3 d 條件下的抗壓強度測試，所得試驗結(jié)果如表2所示。

表2 普通混凝土及鋼纖維混凝土早期抗壓強度試驗結(jié)果 MPa

從表2中可以看出，在上述不同齡期中，鋼纖維混凝土早期強度明顯大于普通混凝土強度；當齡期分別為 2 h、4 h、8 h、12 h、1 d、3 d 時，鋼纖維混凝土抗壓強度較普通混凝土強度的增幅分別為78%、115%、83%、119%、75%、39%，且鋼纖維混凝土在齡期為1 d時強度已達到17.83 MPa，完全滿足相關(guān)規(guī)范[8]關(guān)于噴射混凝土早期強度不小于5.0 MPa的規(guī)定?？梢?，鋼纖維混凝土具有較高的早期強度，對于隧道工程而言，可大幅提高初期支護結(jié)構(gòu)的剛度，提高其抗變形能力。

3 鋼纖維混凝土隧道襯砌支護效果研究

3.1 數(shù)值模型的建立

以云山隧道3號斜井為依托工程，研究普通混凝土（工況1）和鋼纖維混凝土（工況2）兩種工況下隧道襯砌結(jié)構(gòu)的支護效果。本文采用數(shù)值模擬手段建立二維分析模型，該隧道斜井最大開挖寬度為11.5 m，高度為7.0 m，為消除隧道模型邊界效應(yīng)對試驗結(jié)果的影響，該模型在水平、豎直方向分別取3倍的隧道洞徑及凈高，并在模型左右兩側(cè)施加水平向約束、底部施加豎向約束、模型頂部未施加約束。在單元體選擇方面，利用Beam3單元模擬噴射混凝土形成的襯砌結(jié)構(gòu)，用Plane82單元模擬圍巖體，用Link1單元模擬隧道系統(tǒng)錨桿，所建立的細部網(wǎng)格劃分情況如圖4所示。

圖4 隧道斜井模型細部網(wǎng)格劃分圖

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

利用上述二維數(shù)值模型對兩種工況下隧道襯砌支護效果進行模擬分析，得出兩種工況下隧道圍巖的最大主應(yīng)力及塑性區(qū)分布結(jié)果，具體情況如圖5～圖8所示。

圖5 工況1最大主應(yīng)力分布圖

從圖5、圖6可以看出，普通混凝土和鋼纖維混凝土兩種工況下隧道最大主應(yīng)力分布規(guī)律基本相同，主要分布在拱頂、邊墻及仰拱部位，但工況2較工況1的最大主應(yīng)力分布范圍明顯減小。工況1的最大主應(yīng)力為20.5 MPa，而工況2的最大主應(yīng)力為13.5 MPa，減小幅度達34.1%，且工況2的最大主應(yīng)力遠小于鋼纖維混凝土的極限抗壓強度，整體結(jié)構(gòu)安全性較好。

圖6 工況2最大主應(yīng)力分布圖

從圖7、圖8中可以看出，兩種工況下圍巖塑性區(qū)的分布規(guī)律基本相同，主要分布在兩側(cè)邊墻及拱腳處，工況1隧道兩側(cè)邊墻部位圍巖塑性區(qū)分布范圍較大，且從邊墻往下至拱腳部位呈逐漸增大趨勢，而工況2兩側(cè)邊墻部位塑性區(qū)明顯減小，僅兩側(cè)拱腳處存在塑性區(qū)?？梢?，鋼纖維噴射混凝土在單層隧道襯砌中與錨桿共同作用，大幅度減小了圍巖塑性區(qū)分布范圍，有效改善了隧道支護結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，提高了隧道斜井支護結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。

圖7 工況1圍巖塑性區(qū)分布圖

圖8 工況2圍巖塑性區(qū)分布圖

4 結(jié)語

a）鋼纖維混凝土在抗拉及抗壓試驗加載過程中未出現(xiàn)碎裂、錯斷等現(xiàn)象，僅出現(xiàn)了局部微裂縫及表面剝落現(xiàn)象，說明摻入鋼纖維極大地增加了混凝土的抗拉強度，延緩了混凝土結(jié)構(gòu)破壞速度，將原有的脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)槿嵝云茐摹?/p>

b）鋼纖維混凝土早期強度較大，齡期為1 d時的強度已滿足相關(guān)規(guī)范關(guān)于噴射混凝土早期強度的要求，應(yīng)用于隧道工程中可大幅提高初期支護結(jié)構(gòu)的剛度，提高其抗變形能力。

c）隧道斜井單層襯砌結(jié)構(gòu)采用鋼纖維混凝土后，其最大主應(yīng)力及圍巖塑性區(qū)大幅減小，說明在單層隧道襯砌中鋼纖維混凝土與錨桿共同作用時，可有效改善隧道支護結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，提高了隧道斜井支護結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。