秦志军

（山西省交通规划勘察设计院，山西 太原 030012）

0 引言

随着我国经济的高速发展，交通基础设施建设规模也迅速扩大，大量的隧道工程不断出现，特长公路隧道工程的规模和数量也在日益增多，特别是山西省由于地形地貌的多元性和地质结构的复杂性，目前在建10 km以上的特长隧道已达到4座，根据山西省高速公路网新的调整规划，大量特长公路隧道仍将不断涌现，由于目前采用新奥法设计和施工，仍然采用传统的支护措施，一定程度制约施工工期，在国外一些隧道衬砌结构采用了钢纤维混凝土，其相对素混凝土具有非常明显的优越性，它能确保施工安全，提高隧道施工进度，降低喷射混凝土回弹量，而隧道辅助坑道因其断面变化大、交叉数量多等特点，严重制约了施工的进度和增加了工程造价，在国内，由于对钢纤维混凝土在隧道中应用的综合技术研究应用相对较少，但在今后的隧道及地下工程中的应用是发展趋势，因此，对钢纤维混凝土在设计、施工工艺及经济分析等方面进行尝试探讨，具有非常重要的社会与经济价值。

1 钢纤维混凝土在设计中的应用情况

在我国隧道工程中，分别进行过椅子山隧道（Ⅲ级围岩）、高扁沟隧道（Ⅱ级围岩）钢纤维喷射混凝土做永久衬砌的试验研究，并在秦岭隧道中应用，进行过武隆隧道（Ⅴ级围岩）用复合纤维喷射混凝土替代钢筋网喷射混凝土初期支护的研究，在桥梁涵洞中完成了钢纤维混凝土预制管片的应用研究，桥面铺装广泛采用了钢纤维混凝土。

目前，山西省钢纤维混凝土在隧道中的应用不多，仅作为初期支护采用，作为永久支护基本没有，山西省汾阳至邢台高速公路宝塔山特长隧道、云山特长隧道、康家楼特长隧道的辅助坑道中，二次衬砌采用了钢纤维混凝土结构代替了现浇混凝土二次衬砌结构。

2 钢纤维混凝土在设计中的设计情况

在山西省汾阳至邢台高速公路的云山隧道和宝塔山隧道中，隧道斜井衬砌结构中，二次衬砌结构设计采用了喷射CF30钢纤维硅粉混凝土结构代替了现浇混凝土结构，既可以加快施工进度，又节约投资。斜井的初期支护为喷锚支护同一般隧道，二次衬砌喷射CF30钢纤维硅粉混凝土结构厚度在6～14 cm之间，根据斜井的宽度和断面形式不同来采用，结构形式见图1。排水采用了排水半管，在初期支护渗漏水处贴缝布设，渗漏水多处加密布设排水半管和布设双层排水半管，排水形式见图2。

采用喷射CF30钢纤维硅粉混凝土结构和现浇混凝土结构的经济对比详见表1。

3 钢纤维混凝土在隧道辅助坑道应用的特点

我国对于钢纤维混凝土进行了大量研究，已经积累了一些设计和施工经验，特别是在长大隧道辅助坑道中的应用取得了较好的效果，初步认为，使用喷射钢纤维混凝土代替挂网单从材料的角度可节约造价30%，工期可节约30%，对长大隧道来讲，经济效益和社会效益巨大[1]。

图1 斜井钢纤维混凝土衬砌结构图

图2 斜井排水半管布置图

钢纤维混凝土作为初期支护，其特点是：a）喷射钢纤维混凝土可以代替挂网喷射素混凝土，使准脆性混凝土变为韧性材料，有较好的变形能力；b）喷射钢纤维混凝土速度远远大于挂网喷混凝土，且减少空洞，节约时间，加快施工进度；c）由于变为韧性材料，更有利于应力分配，增加结构安全度[2]。

表1 斜井二次衬砌结构采用不同结构对比表

钢纤维混凝土作为二次衬砌，其特点是：a）可以减少衬砌的厚度；b）可以代替钢筋混凝土，减少钢筋用量，使结构受力更加合理；c）减少衬砌开裂的几率，保证衬砌开裂后的结构受力性能。

4 现结构存在的问题和钢纤维混凝土的优点

隧道开挖喷射混凝土初期支护通常采用模注混凝土衬砌的“复合式衬砌”被广泛使用，通常采用喷射混凝土和锚杆及其他加强措施来保持隧洞围岩的稳定，增加钢筋直径为4～8 mm的钢筋网的措施增强韧性，然而也存在许多不足，在支护中设置的钢拱和格栅拱难以同围岩紧贴，因此也就难以及时起到支护作用。

a）在不规则洞壁上，钢筋网通常是固定在褶曲凸点上，由于钢筋网的阻挡，这些小的凹凸会成为喷射混凝土覆盖不到的地方，如图3所示，这样喷射混凝土并未充分发挥将荷载重新分配给围岩的作用；但是喷射混凝土中掺入钢纤维后，喷射混凝土的抗弯强度、延性及其韧性得到提高，同时能随岩体开挖的实际轮廓喷射支护，如图4所示，衬砌与岩体能够完全结合，合理分配岩体释放的荷载，从而达到限制围岩变形的目的。

图3 钢筋网喷射混凝土

图4 钢纤维喷射混凝土

b）挂网喷射混凝土如果采用的喷射压力和喷射距离不合适，混凝土可能堆积在钢筋网外面，钢筋网后的岩石出现凹陷区和松散区，致使钢筋网很快发生腐蚀。

c）钢筋网的钢筋使混凝土的粗骨料大量回弹，造成钢筋网后面的混凝土质量低劣，并形成地下水通道。

5 钢纤维混凝土在隧道辅助坑道应用的前景

随着公路交通网的日趋完善，公路隧道得到了迅猛的发展。全国各省已建成或将修建一批特长隧道，仅在山西有太古高速公路西山隧道和长安高速公路洪梯关隧道长度均超过了13 km，解陌公路中条山隧道9.7 km，平榆高速公路宝塔山隧道10.5 km，正在修建的榆和高速公路云山隧道单洞长度超过11 km。大量公路特长隧道的修建，在技术上的要求也越来越高，工程的工期要求都比较紧张，这就需要安全、快速、经济的新技术新工艺，钢纤维混凝土衬砌结构将是一个方向，特别是在控制工程施工的辅助坑道中更是可以发挥其安全、高效、经济、环保的结构特点。

目前结合我国工程实际现状，针对特长隧道钢纤维混凝土结构设计方法、计算方法、施工工艺等关键问题已开展系统的研究工作。通过研究，建立钢纤维混凝土隧道衬砌的设计方法，提出应用于隧道工程的施工工艺，丰富隧道衬砌材料的结构设计理论，同时也为今后公路隧道结构设计与施工提供指导。该技术的成功应用，将取得较好的经济和社会效益，可以减少隧道的开挖量，加快隧道的施工进度，减少碳排放和环境污染，降低施工造价，取得明显的社会和经济效益。

6 结束语

可以看出，我国在钢纤维混凝土的使用方面范围越来越广泛，对于在隧道中采用钢纤维混凝土作为支护体系的组成部分其研究已经取得了若干成果。特别是在特长隧道的辅助坑道中的应用是很值得推广应用，符合辅助坑道在工程中要求安全、快速、经济。但是，就其钢纤维混凝土在隧道工程中的应用仍有许多亟待解决的问题，特别是针对隧道结构设计理论、设计方法、施工工艺等相关问题仍缺乏系统的具有代表性的研究。尚需通过喷射钢纤维混凝土的基本力学性能试验研究、喷射性能及工艺性试验、室内试验研究、现场试验研究、数值模拟分析等进行研究，重点依托工程开展喷射钢纤维混凝土衬砌承载能力、支护模式、施工工艺技术，解决其安全性和寿命问题，从而加快钢纤维混凝土结构在隧道中的推广和应用。