摘要：阐述了钢纤维掺合料对混凝土性能的改善机理及技术原理，并与非复合型混凝土进行对比分析；探讨喷射钢纤维混凝土支护隧道围岩的主要力学特性与作用机理；论证了在隧道支护工程中使用喷射钢纤维混凝土可以满足新奥法的要求；并对湿喷钢纤维混凝土施工的关键技术进行了简要介绍。
关键词：钢纤维混凝土；隧道支护；力学特性；作用机理
中图分类号：U455.4文献标志码：B
Mechanical Properties and Construction Technology of Steel Fiber
Reinforced Shotcrete as Tunnel Support
HU Xue-qin1， CHEN Si-ru2
（1. Hunan Radio and Television University， Changsha 410004， Hunan， China；
2. Shaanxi College of Communication Technology， Xian 710018， Shaanxi， China）
Abstract： The technical principle of improving the performance of concrete with steel fiber was expounded， and a comparison with non-composite concrete was carried out. The mechanical properties and working principle of applying steel fiber reinforced shotcrete to support surrounding rocks were discussed. It is stated that using steel fiber reinforced shotcrete as tunnel support meets the requirement of New Austrian Method and has great prospect. And key technologies of the construction were briefly introduced.
Key words： steel fiber reinforced shotcrete； tunnel support； mechanical property； working principle
0引言
在隧道施工中，围岩支护具有良好的稳定性，是保证开挖施工的安全、开挖质量、使用性能和效果的关键。然而，许多隧道开挖层处于地下水丰富、岩石破碎、多断层的软弱围岩环境中，这些不良地质会给隧道施工带来许多困难，或导致施工后产生许多病害。业内学者们对围岩支护曾做了大量的探索，采用过许多有效的工程措施，其中采用喷射钢纤维混凝土是国内近年来借鉴和运用国外经验发展起来的一种技术可行、效果理想的工程措施。
1钢纤维混凝土支护技术原理
钢纤维具有很高的强度和韧性，在喷射混凝土拌和物中掺入适量的优质钢纤维，经过特定的投料顺序和一定时间的拌和后，便可成为钢纤维均匀分布的可喷射的新型特种混凝土。由于大量钢纤维均匀、等向分布于混凝土中，与混凝土形成较大的接触面，从而使混凝土在抗拉、抗剪、抗弯、耐磨、抗冲击、抗裂等性能方面都有较大的提高。此外，钢纤维的存在还能对混凝土张拉裂缝的发展起到阻碍及控制作用，防止裂缝产生所造成的内部钢筋加速腐蚀及混凝土劣化等问题，能够达到在建设工程中普通混凝土难以满足的技术要求。
2力学特性与性能对比分析
由试验可知，在混凝土中添加适量的钢纤维，其抗压强度、抗剪强度、抗弯强度、抗变形能力、抗裂能力均有较大的提高，特别是韧性指数的提高达几十个数量级。韧性指数的提高又使得混凝土的残余抗弯拉强度得到了很大的提高，增强了混凝土在出现裂纹后的应变能吸收能力和延伸性能。因此，在混凝土中加入钢纤维后将脆性材料变成了韧性材料，使混凝土的力学性质发生了根本变化。评价钢纤维混凝土出现裂纹后的应变能吸收能力和延伸性能的指标是韧度指数，美国弯曲韧度指数应用较广泛，其韧度设计值R30/10=5（I30-I10）。R30/10值为40时，韧度达到中等；R30/10为60时达到良好；R30/10值为80时达到优秀[1-2]。
钢纤维混凝土的破坏与钢纤维的含量、长径比、钢纤维与混凝土基体之间的粘结强度和钢纤维的分布状态等诸多因素有关[3-5]，常见的几种破坏形态如图1所示。
图1钢纤维混凝土破坏的形态
从图1（a）可以看出：混凝土被破坏前，钢纤维混凝土所承受的拉应力由混凝土与钢纤维共同承担；当混凝土开裂后，外力会由混凝土基体通过钢纤维表面的剪力变形传递到相邻的钢纤维上。一方面，当钢纤维所受的拉应力大于钢纤维和基体的粘结容许应力时，就会发生钢纤维与混凝土基体剥离，钢纤维被拉脱；另一方面，当钢纤维受拉过长时，因泊桑比的作用，使其侧向体积收缩，致使粘结力下降，而加速拉脱破坏，如图1（b）所示。当钢纤维的含量小于其临界值或者粘结力大于钢纤维的容许拉应力时，会导致钢纤维被拉断破坏，如图1（c）所示。图1（d）表明钢纤维混凝土也会因剪力作用发生破坏。
混凝土基体是一种非匀质材料，且材料内部存在初始微裂纹、微孔隙。当构件受力后，截面上的各质点受力极不均匀，会出现大量的应力集中点，迫使微纹、孔隙不断发展，从而发生开裂。在混凝土中加入钢纤维后，一方面改善了基体的质量，降低了混凝土内部缺陷处的应力集中系数，从而提高了混凝土的应变能力和韧性；另一方面，钢纤维起到了阻止裂缝的产生和发展的作用，同时也提高了混凝土基体的变形能力[6-7]。不同混凝土的性能（相对于素混凝土）对比如表1所示。 表1不同混凝土性能对比
项目素混凝土钢筋混凝土钢纤维混凝土备注
衬砌厚度1.01.00.78
开挖量
使用材料
变形能力
抗裂能力混凝土
钢材
压缩
弯曲
剪切
拉力
弯曲1.01.00.95
1.01.00.77
01.00.11
1.01.01.36
1.019.55.3
1.01.52.0
1.01.01.18
1.01.00.93假定隧道的内径为10 m
最大强度时的变形
抵抗收缩变形能力1.019.025.0
裂缝的分散性1.02.0
疲劳强度1.01.181.21100万次
冲击能力1.010.3
冻结融解性能1.01.02.0
止水性小中大
耐热性1.01.02.3
施工性普通复杂普通
修补性普通复杂容易
韧性1.070～100
抗震能力1.020
抗拉强度1.01.5～1.8
抗压强度1.01～1.3
抗剪强度1.04～6
抗弯强度1.02～3
造价1.01.261.23
表1试验数据表明，在喷射混凝土中加入钢纤维可以改善混凝土吸收能量的能力和抗冲击的能力，增大混凝土开裂的阻力，控制开裂，并且能明显改善其延展性。例如在混凝土基体开裂后，它仍然具有承载能力，相比素混凝土和钢筋混凝土，钢纤维混凝土改善和提高了许多方面的性能。
在混凝土中加入钢纤维，不但可以提高混凝土的抗压强度、弹性模量、最大抗弯强度，而且更突出的是使混凝土的残余抗弯强度有了很大的提高，如图2所示。
图2荷载-位移曲线
3在隧道工程中应用的优越性
隧道新奥法施工的实质就是通过发挥围岩承载环的主动作用，使隧道围岩成为承载结构。显然，新奥法对围岩承载能力的利用是通过支护系统在同围岩共同变形的过程中，对围岩变形进行控制来实现的。即允许围岩变形有一定程度的释放，但这一“程度”须限制在围岩能保持自承而不坍塌的范围内，这就要求对围岩起保护和控制作用的支护系统不仅要有足够的强度，而且还要具有合理的刚度。
与普通混凝土相比，钢纤维混凝土除了具有施工快、与围岩密贴以及柔性三大特点外，还具有以下优点：抗冲击能力、抗震能力强；抗裂性能好，可以控制裂纹的扩张；材料韧性好，吸收变形能力强，有利于在同围岩的共同变形中建立起新的平衡；适应性广泛，特别适应于大变形的软弱围岩或具有膨胀压力的环境的支护。
有经验数据表明，使钢纤维混凝土材料达到完全破坏所需的能量为普通混凝土的10～50倍。还有研究证明，喷钢纤维混凝土与挂网喷混凝土相比，在大变形情况下有同等的支护性能，在初裂小变形情况下具有更好的残余承受荷载能力。因此，说明在某种程度上喷钢纤维混凝土
可以代替钢筋网喷混凝土和钢筋混凝土衬砌。在北美一些国家修建的隧道中，已采用喷钢纤维混凝土作为永久衬砌，从经济和技术上都体现了很好的优越性。这是因为，采用喷钢纤维混凝土衬砌，能够节省大量的钢筋绑扎和挂网时间，还可提高安全性，适应隧道支护施工中及时、快速、安全的要求；有时挂网喷混凝土施工很难保证与岩石密贴而形成良好的结合，往往需要增加喷射厚度并产生大量的回弹，否则就极易造成钢筋网没有完全被覆盖或背后凹陷的现象，使钢筋网发生腐蚀，从而增加混凝土的消耗量。由于混凝土的收缩干裂会降低与岩石的结合力，加入钢纤维后可使混凝土收缩裂纹因受到钢纤维的影响而均匀分布，裂纹宽度减小，这样能提高衬砌的防水性能和抗腐蚀能力。喷射钢纤维混凝土的性能对隧道衬砌是非常重要的，因而具有显著的技术、经济意义。
4施工关键技术
喷钢纤维混凝土用作隧道围岩材料的优越性能是显而易见的，但要保证充分发挥其优越性，施工工艺和质量控制是关键。下面结合湿喷钢纤维混凝土的施工实践，简要介绍施工关键技术。
（1） 精心设计全套工艺流程。湿喷钢纤维混凝土的工艺流程如图3所示。
图3湿喷钢纤维混凝土工艺流程
（2） 根据不同部位设计强度的要求，按照《钢纤维混凝土结构设计与施工规程》的有关规定，科学合理地选定喷射物料的配合比。
（3） 合理选用适应性能良好的喷射机具。
（4） 严格控制水灰比（建议选用范围04～05）。
（5） 严格检查所用材料的质量、规格等，并经试验验证合格后，才能大面积投入使用（速凝剂掺量由试验确定，一般为水泥质量的3%～4%，速凝剂以液态型为佳）。
（6） 采用机械加入钢纤，控制好添加顺序和加入数量，做到均匀分布不成团（钢纤维掺量由设计给定，一般每立方米混凝土中掺入量为35～40 kg）。
（7） 合理控制好搅拌时间。
（8） 根据不同喷射机机型，正确选择喷射参数，即喷射距离、工作风压、喷射厚度等。
（9） 确定和掌握好初喷与复喷时机。
（10） 制订好施工作业中的各项安全措施和应急预案。
（11） 及时进行质量检测，保证施工质量。
5结语
（1） 采用喷射钢纤维混凝土这种新型复合材料作为隧道围岩支护，能使工程构造物本身的结构参数、受力性能、耐久性等多方面得到大幅度的改善和提高，并具有广泛的适应范围。
（2） 符合新奥法对利用围岩承载能力的实质性要求，且施工中能做到及时、快速、安全；工艺简单、成本低，受力性能、防水性能、抗腐蚀性能良好，具有作为一次性永久衬砌的应用价值。
（3） 科学的施工工艺和严格的质量控制是保证施工质量和充分发挥喷射钢纤维混凝土优越性的关键。
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