鲁丽华，罗 丰，刘文胜，陈晓云

(1.沈阳工业大学 建筑与土木工程学院，沈阳 110870；2.鞍钢集团矿业有限公司 眼前山分公司，辽宁 鞍山 114001)

尾矿砂钢纤维喷射混凝土在铁矿巷道中的应用*

鲁丽华1，罗 丰1，刘文胜2，陈晓云2

(1.沈阳工业大学 建筑与土木工程学院，沈阳 110870；2.鞍钢集团矿业有限公司 眼前山分公司，辽宁 鞍山 114001)

为了解决铁矿巷道开采过程中采用尾矿砂钢纤维喷射混凝土作为巷道单层衬砌的应用问题，以尾矿砂取代天然河砂作为细骨料配制钢纤维喷射混凝土，并对不同钢纤维掺量的喷射混凝土进行了抗压、抗折、劈拉等力学性能试验，得到了喷射混凝土的最优配比及钢纤维掺量对混凝土的影响.采用ANSYS对铁矿软弱岩层进行数值模拟分析，探讨了最佳衬砌厚度下巷道开挖后的计算结果，通过分析获得了尾矿砂钢纤维喷射混凝土的合理喷层厚度.结果表明，混凝土中钢纤维的掺入量为40 kg/m3时混凝土的力学性能达到最佳，并且混凝土的密实性、耐久性和质量稳定性亦有所加强，但抗压强度的提高不十分明显.

铁矿巷道；尾矿砂钢纤维喷射混凝土；单层衬砌；试验；最优配比；数值模拟；软弱围岩；喷层厚度

钢纤维喷射混凝土作为一种新型复合材料，在国内外隧道及其他地下工程中应用广泛[1]，对比普通混凝土，钢纤维的加入使得混凝土具有更优良的性能，例如，推迟和限制裂缝开展，混凝土的延性和韧性等特性大幅度提高[2].钢纤维喷射混凝土对限制洞室开挖后洞周松动圈的塑性发展，改善围岩力学性能，控制围岩的过度变形有着非常明显的作用.由于矿山的大量开采，导致了大量的尾矿砂滞留问题，尾矿砂排出的重金属和有毒有害物质对水土造成了严重污染，解决尾矿砂的问题迫在眉睫.

因此，本文通过力学室内试验、数值模拟和实际工程相结合的方法[3-4]，得到了适用于鞍山眼前山铁矿巷道的钢纤维喷射混凝土的力学性能参数.通过室内试验确定了钢纤维合理掺量和配比，研究了尾矿砂钢纤维喷射混凝土的力学性能，并采用大型通用有限元软件ANSYS进行矿山巷道开挖支护受力状态的模拟[5]，对围岩开挖支护结构的位移、应力等进行计算分析，最终确定应用于该巷道的合理尾矿砂钢纤维喷射混凝土厚度，为钢纤维喷射混凝土在类似巷道单层衬砌中的推广应用打下基础.

1 钢纤维作用机制

基于断裂力学的复合力学理论[6]认为，假定纤维连续均匀平行排列分布，且与受力方向一致，基体与纤维间无相对运动，两者产生相同应变，纤维与基体粘结完整且发生弹性变形.纤维力学模型如图1所示，该理论认为钢纤维承担了外荷载产生的一部分应力，使得钢纤维混凝土复合强度得以提高.

图1 纤维力学作用图Fig.1 Mechanical action of fiber

在实际施工作业过程中，由于连续作业以及巷道受喷面在高速喷射影响下产生的强气流扰动作用，导致受喷面大部分钢纤维旋转，并与喷射方向形成垂直分布的二维状态.这种特殊工艺的纤维分布形态正好与洞室的环向主应力方向一致，这有利于控制洞室的过度变形以及裂缝的开展，同时，由于混凝土内部存在不同程度的微裂缝和气泡，而钢纤维的加入使得混凝土在外荷载作用下内部微裂缝应力集中得以改善，从而提高了混凝土的抗拉强度和韧性.

2 力学性能室内试验

2.1 试验材料

试验材料包括：

1) 钢纤维.直径为0.50 mm，长度为30 mm，长径比为60，抗拉强度大于等于600 MPa[7].

2) 水泥.采用辽宁山水工源牌P.O 42.5级水泥.

3) 骨料.采用辽阳产天然石灰岩碎石，粒径小于等于10 mm，级配良好.

4) 砂料.采用鞍山眼前山铁矿的铁尾矿砂，细度模数不小于1.2.

5) 减水剂.采用辽宁省建科院研制的LJ612型聚羧酸系高效减水剂.

6) 速凝剂.采用高效减水液态速凝剂.

7) 拌合水.采用纯净的天然水，并按照规范要求使用.

2.2 室内试验

按照《钢纤维混凝土试验方法》(CECS13：89)进行制作与养护试件.在标准养护室养护28 d后，分别对相应混凝土试件进行抗压强度、劈裂强度、抗折强度试验，其结果如表1所示.

表1 不同掺量钢纤维混凝土的强度Tab.1 Strength of concrete with different contents of steel fiber

从表1中数据可以看出，钢纤维掺量对尾矿砂钢纤维混凝土抗压强度的提高不明显.这是因为钢纤维喷射混凝土抗压强度受多种因素影响，如拌合物的水胶比、速凝剂用量、水化反应程度及现场施工工艺等，而抗压强度的主要影响因素是混凝土基体的性能，当钢纤维掺量过多时，会降低混凝土的和易性，内部微裂缝反而增多，抗压强度不增反降.

钢纤维混凝土劈裂强度增加显著，当体积掺量为40 kg/m3时，在30 kg/m3基础上强度提高了3.6%；当体积掺量为50 kg/m3时，强度提高了30.1%.这是因为掺入钢纤维后，钢纤维与混凝土间的吸附、咬合作用会减弱由于水化反应程度对混凝土整体性能的影响，且钢纤维会改善混凝土中微裂缝引起的应力集中，抑制裂缝的发展，使得混凝土的抗裂性能有所增强.

钢纤维混凝土抗折强度有较明显的提高.对于钢纤维混凝土，由于钢纤维抵消了微裂缝应力集中的作用以及钢纤维的边壁效应，钢纤维混凝土的抗折强度随钢纤维掺量的增大而增大.但考虑到实际情况，由于喷射机械性能的限制，选取纤维掺量40 kg/m3为最佳掺量，若再增加纤维的掺量，易发生堵管现象.

3 应用实例

3.1 实例概况

针对辽宁省鞍钢集团矿业有限公司眼前山铁矿巷道软弱破碎围岩段开挖及支护工程，采用有限元软件ANSYS对其进行仿真模拟分析.本文模拟的施工段巷道围岩为Ⅳ级，水平围岩情况复杂，节理裂隙发育且该段处在坚硬和软弱岩层之间的岩层破碎带，围岩的稳定性差，由于节理裂隙的切割，导致岩体整体性较差，极易发生塌方和大面积片帮、冒落，该段围岩在实际施工中采用全断面法施工.在整个结构中，超前锚杆的作用是在开挖前加固拱部围岩，限制拱部塑性区的发展，使相对应部分岩体形成承压拱，并充分发挥自承作用[8].本文采用等效材料方法模拟经过超前锚杆加固的洞周部分岩体[9-10].

各部分材料的力学参数如表2所示，其中，尾矿砂钢纤维喷射混凝土的弹性模量通过室内弹性模量试验获得，其他参数可查阅规范进行选取，超前锚杆加固区围岩力学参数按刚度等效原则计算，其中，弹性模量E=5.33 GPa，泊松比μ=0.25，密度ρ=2 620 kg/m3，内摩擦角φ=40°，粘聚力C=0.25 MPa.

3.2 超前支护与加固分析

取埋深-47 m典型断面进行计算分析，初始条件为以自重产生应力场为初始应力场.钢纤维喷射混凝土、钢拱架以及钢筋网按刚度等效原则折合处理，计算模型与加固模型如图2、3所示.

表2 计算参数Tab.2 Calculation parameters

图2 计算模型Fig.2 Calculation model

图3 后期加固模型Fig.3 Late consolidation model

分析计算结果如图4～6所示.图4表明仅使用超前支护，拱顶塑性区的发展受到限制，而边墙及墙角塑性范围达到3 m以上，从墙角延至拱脚.图5表明在拱脚至拱腰段出现剪应力峰值，由于围岩自身较软且受节理裂缝切割，所以在持续爆破施工产生的扰动影响下易发生塑性剪切滑移导致边墙失稳，拱顶坍塌，与现场实际情况相符合.而钢拱架+钢筋网+喷砼+注浆支护方式与超前支护相结合的方式限制了洞周围岩的塑性发展，支护效果较好.

3.3 钢纤维喷射混凝土单层衬砌支护预设计

随着开挖的持续进行，超前锚杆已不足以满足开挖要求，因此，在经济安全的前提下，须设计一个最佳的喷层厚度，使得衬砌发挥柔性薄型支护作用，同时，维持围岩稳定和保证喷层本身不受破坏.隧洞与斜井的锚喷支护设计值如表3所示.

图4 超前支护塑性区Fig.4 Plastic zone with advance support

图5 超前支护剪应力云图Fig.5 Nephogram of shear stress with advance support

图6 后期加固塑性区Fig.6 Late reinforced plastic zone

表3 隧洞与斜井的锚喷支护设计值Tab.3 Anchor supporting design values for tunnel and slope

3.4 钢纤维喷射混凝土单层衬砌数值分析

通过ANSYS函数命令进行关于厚度r的迭代优化，得到了最佳衬砌厚度以及相应最佳喷射厚度下的围岩应力、位移和塑性应变图.数值分析中各变量参数如下.

1) 设计变量.衬砌厚度控制范围为0.05 m≤r≤0.15 m.

2) 状态变量.C30喷射混凝土极限抗拉强度σ小于等于1.47 MPa.巷道变形主要考虑拱顶、底板以及边墙的变形.根据规程要求，周边允许相对位移值须满足0.15%≤RDB≤0.5%，0.15%≤RLB≤0.5%，其表达式分别如式(1)、(2)所示：

(1)

式中：RDB为巷道顶、底板相对位移值；ξD、ξB分别为巷道顶、底板的变形；h为巷道高度.

(2)

式中：RLB为巷道两帮相对位移值；εL、εB分别为巷道左、右边墙的变形；B为巷道跨度.主要控制点位置如图7所示.

图7 控制点位置Fig.7 Positions of control points

3) 目标函数.为了方便计算，本文巷道所需喷混支护为等厚度，喷射混凝土截面积最小，即衬砌厚度r最小.分析过程显示当r大于等于10 cm时才满足稳定和位移的要求.巷道顶、底板及边墙两帮相对位移值随厚度r的变化曲线如图8所示.

图8 变化曲线Fig.8 Change curves

由图8可知，巷道顶、底板及边墙两帮相对位移值随厚度的增加基本呈上升趋势.RLB从厚度为12 cm时的0.171 2%增大到15 cm时的0.179 1%，实际两帮位移值增大了0.24 mm.RDB从喷层厚度为12 cm时的0.183 3%增大到15 cm时的0.188%，喷层厚度增加了3 cm，而实际顶、底板位移值反而上升了0.9 mm.因此，在结合规范设计值，综合满足强度和围岩稳定的条件下，12 cm可以作为本文巷道的最佳喷混厚度.衬砌面积从2.245 5 m2减小到1.796 4 m2，不仅满足强度要求，还取得了良好的经济效益.喷层为12 cm时的巷道围岩应力、位移及塑性应变云图如图9～13所示.

图9 第一主应力云图Fig.9 Nephogram of first principal stress

图10 第三主应力云图Fig.10 Nephogram of third principal stress

从第一主应力云图可以看出，拱顶、拱腰、边墙的衬砌表面出现大范围拉应力作用，且在底板中部出现最大拉应力为0.25 MPa，小于该等级混凝土极限抗拉强度.从第三主应力云图可以看出，在拱脚、边墙脚处出现应力集中现象，衬砌上所受最大压应力约为2.79 MPa，远小于试验40 kg/m3配比的混凝土抗压强度37.79 MPa，但考虑到岩体整体性较差，施工时应对脚点处衬砌加强处理.

图11 洞室X方向位移Fig.11 Displacement in X direction of cavern

图12 洞室Y方向位移Fig.12 Displacement in Y direction of cavern

洞室的开挖导致洞周岩体发生位移，相对于自重应力场，拱顶向下最大沉降量为1.13 mm，洞底向上最大位移为2.2 mm.边墙向洞内方向最大位移为0.193 mm，巷道开挖后拱顶的位移云图表明，其位移变化不是很大，说明该软弱围岩段在钢拱架+钢筋网+喷砼+注浆支护方式与超前锚杆相结合的支护下，围岩的变形受到了有效的抑制.后期加固支护很大程度上限制了洞周松动圈的塑性发展.

4 结 论

本文通过分析得出以下结论：

1) 铁尾矿砂较之普通河砂，其力学性能并没有明显降低，作为废物再利用，完全可替代普通河砂，经济且绿色环保；

2) 混凝土中钢纤维的掺量为40 kg/m3时，混凝土的力学性能达到最佳，并且混凝土的密实性、耐久性和质量稳定性亦有所加强，但抗压强度的提高并不十分明显；

3) 从理论上进行研究并获得了钢纤维喷射混凝土作为巷道单层衬砌的最佳力学性能厚度为12 cm，具有一定的参考意义，但应结合实际设备大小以及现场条件综合利用.

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Applicationoftailingsandsteelfibersprayedconcreteinironminetunnel

LU Li-hua1, LUO Feng1, LIU Wen-sheng2, CHEN Xiao-yun2

(1.School of Architectural and Civil Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China; 2.Yanqianshan Branch, Anshan Iron and Steel Mining Group Co.Ltd., Anshan 114001, China)

In order to solve the application problem of tailing sand steel fiber sprayed concrete as the single layer lining of tunnel in the mining process of iron mine tunnel, the tailing sand was used to replace the natural river sand, and was taken as the fine aggregate to prepare the steel fiber sprayed concrete.In addition, such mechanical performance tests as the compressive, flexural and splitting tests were performed for the sprayed concrete with different steel fiber contents, and the optimal proportion of sprayed concrete and the influence of steel fiber contents on the concrete were determined.The numerical simulation analysis for the soft surrounding rock of iron mine was carried out with ANSYS software, the calculation results after the excavation of iron mine tunnel under the optimal lining thickness were discussed, and the reasonable shotcrete thickness of tailing sand steel fiber sprayed concrete was obtained through the analysis.The results show that when the steel fiber content in the concrete is 40 kg/m3, the concrete has the optimal mechanical properties, and the compactibility, durability and quality stability of concrete also get enhanced.However, the increase in the compressive strength is not obvious.

iron mine tunnel; tailing sand steel fiber sprayed concrete; single layer lining; test; optimal proportion; numerical simulation; soft surrounding rock; shotcrete thickness

2016-11-07.

国家自然科学基金资助项目(51608332).

鲁丽华(1970-)，女,辽宁法库人，副教授，博士，主要从事混凝土材料等方面的研究.

* 本文已于2017-01-19 18∶00在中国知网优先数字出版.网络出版地址：http：//www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20170119.1800.028.html

10.7688/j.issn.1000-1646.2018.01.20

TM 343

A

1000-1646(2018)01-0109-06

钟 媛 英文审校：尹淑英)