梁世俊

（山西路桥集团 榆和高速公路有限公司，山西 晋中 030600）

0 引言

目前，湿喷混凝土工艺已应用于隧道工程的衬砌支护施工中，但其使用的普通混凝土材料仍然存在抗渗、抗裂、抗磨耗性能较差等缺点[1-2]，尤其是抗裂性能较差的特点影响了该工艺在隧道衬砌施工中的推广。为弥补普通混凝土的以上缺点，有学者提出在其中掺入钢纤维以改善抗裂性能并取得了一定的效果[3]。但钢纤维价格较高，且后期容易锈蚀，研究发现若在普通混凝土中用聚丙烯纤维取代钢纤维将有效解决以上问题[4]。

美国于20世纪70年代开始在混凝土路面中添加聚丙烯纤维，有效增加了道路的抗裂性能，延长了道路的使用寿命，此后聚丙烯纤维混凝土又在桥梁、隧道等工程进行了相关应用。我国相关研究起步较晚但发展迅速，付华[5]通过试验发现：掺入聚丙烯纤维后，混凝土抗拉强度有一定的增加，抗压强度无明显变化；戴建国[6]研究表明聚丙烯纤维可以增强混凝土结构的延性，提高抗弯能力；苏健波[7]建议在普通混凝土中，聚丙烯纤维的掺量应大于0.1%，否则相关力学性能不升反降。目前，针对聚丙烯纤维改善喷射混凝土性能的相关研究较少，对其力学性能及工程应用缺乏系统研究。

依托工程实例，采用聚丙烯纤维改善湿喷混凝土的力学性能，并对纤维喷射混凝土在隧道支护中的施工工艺、实际应用效果进行了检验。

1 工程概况

某新建高速公路设计桩号K32+120—K33+451处为隧道，全长1.331 km，所处位置为低山剥蚀性地貌，地勘结果表明该隧道上覆块石土、碎石土，下伏风化严重的灰岩，隧道所处区域无地下水侵蚀，隧道侧壁为Ⅲ、Ⅳ级围岩，经专家评审后确定隧道支护方案为锚喷支护，隧道衬砌拱一次性成型，施工方法采用湿喷混凝土，混凝土中掺入聚丙烯纤维提高混凝土的性能。

2 原材料及配合比

2.1 聚丙烯纤维

聚丙烯纤维的相关参数见表1。

表1 聚丙烯纤维相关性能

2.2 粗骨料

选用隧道施工现场开挖出来的玄武岩碎石，粒径≤15 mm，连续级配，级配范围应满足表2。

表2 粗骨料级配范围

2.3 细骨料

采用洁净的河砂，测定细度模数为3.1，工地现场所用河砂应洁净无杂质，砂砾不宜过粗或过细，过粗会造成混凝土回弹率增大，过细会造成混凝土干缩形变加大，砂粒级配应满足表3要求。

表3 细骨料级配范围

2.4 水泥及外加剂

水泥采用425号海螺牌普通硅酸盐水泥，速凝剂选用重庆天耀建材生产的TY-S108无碱液体速凝剂。

2.5 配合比

根据水泥强度与施工工艺，现场拌合的普通混凝土相关配合比确定为：水灰比=0.36，水泥∶石∶砂=1∶1.76∶2.06。由于湿喷混凝土中加入聚丙烯纤维后并不会发生化学反应，因此纤维对混凝土的配合比并不影响，聚丙烯纤维的掺量确定为0.9 kg/m3，现场纤维混凝土的坍落度控制在9 cm左右。

3 施工工艺

3.1 机械设备

施工机械采用普通湿喷混凝土相关机械设备，施工机械设备见表4。

表4 施工机械设备

3.2 喷射工艺

湿喷聚丙烯纤维混凝土的工艺流程见图1。

图1 施工流程图

3.2.1 施工准备

喷射施工前对隧道侧壁进行清洗，保证岩面清洁，同时将控制侧壁衬砌厚度的量测卡尺安装到位。喷射前对施工所用原材料质量进行抽样检测，确保质量满足要求，同时注意对粗细集料进行清洁并筛分，现场施工配合比等数据应反复验证后方可采用，现场施工机械设备也要进行相应冲洗清洁。

3.2.2 混合料拌合

各种混合料加入搅拌机干拌的先后顺序没有特别限定，遵循配合比即可。为了便于纤维在混合料中分散均匀，拌合时间应比普通混凝土的拌合时间相应延长，施工时，宜将干拌时间定为1 min，加水后湿拌时间控制在 3～4 min。

3.2.3 喷射工艺

3.2.3.1 喷射风压的确定

喷射风压的大小将直接决定混凝土施工时的回弹率及后期成型后的质量，应根据喷射高度提前试喷确定风压，喷射过程应保持风压持续稳定，应以喷头处风压0.1 MPa作为控制标准。

3.2.3.2 隧道内壁喷射顺序及手法

隧道应分段划片进行喷射，喷射时应先喷射侧壁凹陷的地方找平，同时应遵循由下及上的顺序，采用水平旋转喷射的方式并逐渐过渡到顶面，旋转半径以150 mm为标准进行控制，旋转时后圈搭接前圈的宽度约25 mm左右。

3.2.3.3 喷射角度与距离

垂直隧道侧壁进行喷射，但在某些边墙等较厚部位喷射时，可以适当向下倾斜一定角度以减少骨料反弹率。喷射距离与风压大小有关，一般以1.5 m的距离作为控制标准。

3.2.3.4 喷射厚度及速度

喷射时保持喷头2 s旋转一次，喷射厚度应大于等于50 mm，厚度的测量应以喷射料不坠落时的测量厚度为准，达到相应厚度后方可移动喷头。

3.2.3.5 风压控制

湿喷时，将空气压缩机的风压调至0.45 MPa左右为宜。

3.2.4 养护

喷射完成后应及时做好养护工作，2 h后必须洒水养护，且应持续养护不少于14 d。

4 现场试验

4.1 回弹试验

参照相关测定方法[8]，现场制备试样板，以100 mm的厚度作为喷射厚度，及时测定湿喷聚丙烯纤维混凝土及未掺纤维混凝土的回弹率，测定结果如表5所示。

表5 回弹试验结果

由表5可知，掺入纤维后，湿喷混凝土的回弹率较大幅度降低，下降了约45.65%.这是因为纤维的加入使得混合料黏聚性加大，坍落度随之降低，回弹率降低。

4.2 强度试验

分别制备纤维混凝土与普通混凝土板试件，其中抗压试验所用试件为边长100 mm的正方体，抗折试件尺寸为 100 mm×100 mm×400 mm，试件养护28 d后分别进行抗压与抗折试验，试验结果见表6。

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表6 强度试验结果 MPa

由表6可知，混凝土的抗压、抗折强度在掺入纤维后，均得到了一定程度的增大，其中抗压强度增大了4.82%，抗折强度提高了8.48%.抗压强度增大的原因是纤维加入后吸收了混凝土中一定量的水，水灰比随之降低。抗折强度增大是因为纤维在混凝土中起到加筋增韧的作用。

对比观察纤维混凝土与普通混凝土试件的裂纹后发现，前者裂纹明显少于后者，表明纤维的掺入有效提高了混凝土材料的抗裂性能。

5 现场监测与分析

隧道衬砌施工完成并养护28 d后，对其进行钻芯取样分析。同时在隧道完成施工后对其衬砌结构自身的应力及围岩所受应力分别进行了持续监测，监测点布设在隧道右线YK32+120—YK33+451中第2段处（每段10 m，共133段，最后一段11 m）。

5.1 钻芯取样检测

隧道衬砌结构养护28 d后，每隔333 m，分别选取具有代表性的隧道断面边墙进行钻芯取样，取样后送至室内检测其强度，结果见表7。

表7 钻芯取样检测结果 MPa

对比表7与表6检测结果可知，施工完成后钻芯取样所得抗压、抗折强度均优于施工现场试验结果，表明施工后的隧道衬砌强度满足设计要求，施工质量良好。

5.2 现场监测与分析

选取隧道右线YK32+120—YK33+451段中的第3段进行围岩应力与衬砌结构应力的监测以评测聚丙烯纤维喷射混凝土衬砌结构对围岩的扰动及自身力学性能。

5.2.1 围岩应力

图2表明，隧道衬砌结构施工完毕后，随时间增长，围岩应力逐渐增大，但其增长幅度逐渐减缓，21 d时基本趋于稳定，围岩应力最大值为0.27 MPa，发生在右墙腰侧。不同位置处的围岩应力均较小，在可控制范围内，表明隧道衬砌施工对围岩扰动较少，衬砌结构与围岩结合良好。

图2 隧道右线YK32+120—YK33+451第3段围岩应力曲线

5.2.2 衬砌结构应力

在隧道右线第3段的侧墙腰部、边墙与拱顶处的墙中间处分别布置振弦式应变计进行应力监测，监测结果如图3所示。

图3 隧道右线YK32+120—YK33+451第3段衬砌结构应力曲线

由图3可知，隧道衬砌结构施工完毕后，随时间增长，衬砌结构应力逐渐增大，但其增长幅度逐渐减缓，30 d时基本趋于稳定，应力最大值为0.51 MPa，发生在左墙腰侧。不同衬砌位置的应力均较小，表明该隧道衬砌结构安全可靠。

5.3 长期监测与评价

隧道施工完成后，在其通车的几年时间里对其进行了持续观测，观测发现采用聚丙烯纤维混凝土湿喷隧道衬砌结构后，无裂缝及渗水现象产生，具有良好的抗裂与抗渗性能。

6 经济效益分析

对比分析隧道衬砌结构中湿喷普通混凝土与纤维混凝土的成本如表8所示。

表8 成本对比 元/m3

由表8可知，普通混凝土计入回弹损失每立方米的成本总费用为974元，纤维混凝土计入回弹损失每立方米的成本总费用为943元。综合比较，纤维喷射混凝土的经济效益优于普通喷射混凝土。

7 结语

依托工程实例，对加入聚丙烯纤维的湿喷混凝土的施工过程和实际应用效果进行检验，得出以下几点结论：

a）掺入纤维后，湿喷混凝土回弹率大幅度降低，下降约45.65%.

b）掺入纤维后，混凝土抗压、抗折强度均得到了一定程度的增大，其中抗压强度增大了4.82%，抗折强度提高了8.48%.

c）工程应用表明：隧道一次性成型衬砌拱在采用聚丙烯纤维喷射混凝土后，对周围围岩扰动较少，衬砌结构安全可靠。

d）计入回弹损失成本后，纤维喷射混凝土的经济效益优于普通喷射混凝土。