(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶 400074)

一、引言

隨著我國交通行業(yè)快速發(fā)展，公路山區(qū)隧道在我國各大城市和地區(qū)大規(guī)模建設(shè)，而隧道的支護(hù)在其中發(fā)揮著重要的作用，一般的隧道施工，常常應(yīng)用的是普通噴射混凝土進(jìn)行初支，而針對(duì)那些高風(fēng)險(xiǎn)軟弱地段，要求控制很小的變形量區(qū)域，使用普通噴射混凝土和支架支護(hù)難以達(dá)到其對(duì)變形量的控制。鋼纖維作為一種新研發(fā)的材料,經(jīng)過眾多學(xué)者幾十年的研究，在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用。相比于普通混凝土而言，鋼纖維混凝土不但能明顯改善混凝土基體延性和耐久性，而且增強(qiáng)其斷裂韌性和抗沖擊等力學(xué)性能,且由于它對(duì)施工的便捷和安全,在道路工程、橋梁工程、隧道工程上的應(yīng)用越來越多。鋼纖維混凝土是由亂向均勻的短鋼纖維散布于混凝土基體中攪拌合成的新型建筑材料,在現(xiàn)代隧道設(shè)計(jì)理念的推廣下,越來越多的被研究人員關(guān)注,在眾多大型工程中得到應(yīng)用。

二、鋼纖維混凝土的增強(qiáng)作用機(jī)理

鋼纖維混凝土是由亂向均勻分布于混凝土基體中的短鋼纖維組成。了解鋼纖維混凝土的增強(qiáng)阻裂機(jī)理,是在宏觀上把握鋼纖維對(duì)混凝土基體耐久性和延性提升,微觀層面解釋降低裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度的理論基礎(chǔ),也是進(jìn)行其工程應(yīng)用的理論依據(jù)?，F(xiàn)在對(duì)于鋼纖維混凝土增強(qiáng)機(jī)理比較成熟理論主要有復(fù)合材料理論：該理論主要原理是認(rèn)為其是由復(fù)合材料構(gòu)成的，視鋼纖維和混凝土基體是共同工作的整體，并假定混凝土基體和鋼纖維處于完全粘結(jié)的條件下，兩者均為彈性狀態(tài)并且承載能力為兩者加在一起的結(jié)果。與纖維間距理論:該理論認(rèn)為鋼纖維混凝土塊體單元中存在一定數(shù)量的鋼絲在外部拉力作用方向上呈棋盤狀均勻散布于四周，短鋼纖維的平均中心距離為一確定數(shù)值 ，通過外部拉應(yīng)力的作用，基體內(nèi)部裂紋尖端會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中，鋼纖維能夠有效減小混凝土基體內(nèi)裂縫尖端的應(yīng)力強(qiáng)度。

纖維混凝土的韌性及增韌機(jī)理：在噴射混凝土中加入鋼纖維可以有效增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體吸收能量的能力和抗沖擊能力,提供開裂的阻力,限制裂縫開裂,并且能明顯改善混凝土的延展性，能夠使混凝土基體由脆性破壞轉(zhuǎn)換為具有一定延性的塑性破壞，常常以荷載—位移曲線與橫坐標(biāo)軸所包圍的面積表示韌性大小?；炷粱w是抗拉強(qiáng)度很小的脆性材料,耐久性和延伸性能都很小，最本質(zhì)的缺陷是材料內(nèi)部含有許多初始微裂紋、微孔隙的存在，當(dāng)基體受到外力作用,截面上的各質(zhì)點(diǎn)受力不同,因而在這些原始裂縫尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中，致使裂紋不斷擴(kuò)展，最終導(dǎo)致基體過早的破壞，其力學(xué)性能并沒有完全發(fā)揮，而鋼纖維的加入使得混凝土在已經(jīng)開裂，變形很大的情況下依然可以有穩(wěn)定的變形，體現(xiàn)其延展性，說明了在加入鋼纖維之后，基體可以帶裂紋工作，即出現(xiàn)開裂后，構(gòu)件仍然有一定工作性能。

三、鋼纖維混凝土在隧道工程中的應(yīng)用

在公路和鐵路隧道快速發(fā)展下，噴射混凝土成為主要的支護(hù)形式，它也隨著現(xiàn)代設(shè)計(jì)理念的成熟而不斷變化。普通噴射混凝土在結(jié)構(gòu)形成過程中會(huì)因?yàn)槭仍蛞鸶煽s，當(dāng)收縮應(yīng)力達(dá)到了基體的抗拉強(qiáng)度，內(nèi)部及表面就會(huì)產(chǎn)生一系列裂紋，最終成為微裂縫,這些開裂裂縫就會(huì)成為隧道地下水滲漏的途徑。開裂之后的混凝土基體在地下水長時(shí)間的侵蝕下發(fā)生脫離甚至破壞,支護(hù)結(jié)構(gòu)就會(huì)喪失承載能力,最終會(huì)產(chǎn)生坍塌現(xiàn)象，完全破壞。在鋼纖維加入混凝土中后,結(jié)構(gòu)整體變形能力得到提升，有效的加強(qiáng)了延展性和耐久性,且鋼纖維在混凝土基體出現(xiàn)裂縫后的作用具有更明顯的優(yōu)勢,能起到很好的阻止裂縫作用，可有效減少微裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展的概率，阻止原有裂紋的延伸和阻滯宏觀新裂紋出現(xiàn)。所以，鋼纖維混凝土可以安全的應(yīng)用在不良地質(zhì)軟弱圍巖的隧道工程中?，F(xiàn)代隧道設(shè)計(jì)理念是充分發(fā)揮圍巖的自承能力，允許圍巖發(fā)生容許范圍內(nèi)的變形值，這也是新奧法的核心理念。在充分發(fā)揮圍巖的自身承載能力上，當(dāng)下建筑設(shè)計(jì)手段是在支護(hù)與圍巖共同承載的過程中通過合理控制圍巖的變形大小來實(shí)現(xiàn)的?，F(xiàn)如今，大多隧道支護(hù)應(yīng)用手段為噴錨支護(hù)、鋼拱架噴射混凝土支護(hù),我國多數(shù)服役隧道均采用以上支護(hù)方法。然而，隨著越來越多的穿越不良地質(zhì)建筑工程和新型材料的研發(fā),傳統(tǒng)支護(hù)形式已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在支護(hù)要求,比如普通混凝土的抗拉強(qiáng)度與耐久性很差，高地應(yīng)力支護(hù)結(jié)構(gòu)圍巖壓力過大導(dǎo)致破壞等。而鋼纖維混凝土的發(fā)展和應(yīng)用很好地解決這些困難。鋼纖維混凝土具有較好的延性耐久性，抗裂能力等力學(xué)性能,在構(gòu)件作用達(dá)到極限強(qiáng)度后，隨著變形的發(fā)展甚至開裂，仍具有較好的承載能力。

由于鋼纖維的加入使得鋼纖維混凝土具有良好的抑制開裂和帶裂縫工作能力,減少了基體原始缺陷提高了支護(hù)結(jié)構(gòu)的延性和耐久性,現(xiàn)在，較好的圍巖級(jí)別應(yīng)用鋼纖維混凝土單層襯砌結(jié)構(gòu)作為永久支護(hù)結(jié)構(gòu)，鋼纖維混凝土單層襯砌與圍巖能夠緊密粘結(jié)在一起，允許和控制圍巖變形即與巖體共同變形。二十世紀(jì)八十年代,國外科學(xué)家針對(duì)普通混凝土和鋼纖維混凝土兩者之間進(jìn)行了大量試驗(yàn)和理論研究,并在實(shí)踐中獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，結(jié)果表明:鋼纖維混凝土與普通噴射混凝土相比較,在開裂的情況下結(jié)構(gòu)仍然具有一定承載的能力，且延性和耐久性，所以其能夠代替鋼筋網(wǎng)噴射混凝土支護(hù)而且與隧道圍巖能夠很好的粘結(jié)在一起，有效的防止出現(xiàn)鋼筋網(wǎng)對(duì)施工質(zhì)量、襯砌壓縮變形以及接觸面存在空洞的危害,大大加快施工進(jìn)度和安全,提高了工作效率和安全性。與普通噴射混凝土相比,鋼纖維噴射混凝土顯著的提升了抗裂性和延性耐久性,很好的吸收變形的能力,能夠更好的平衡圍巖的變形，滿足施工要求。同時(shí),由于混凝土基體水分蒸發(fā)導(dǎo)致收縮干裂會(huì)降低其與巖石的粘結(jié)力,鋼纖維的加入使得收縮裂紋受到鋼纖維的抑制,鋼纖維是亂向均勻分布在混凝土基體中的短纖維,有利于混凝土與圍巖表面的粘結(jié)和協(xié)同變形，這些優(yōu)點(diǎn)都表明鋼纖維混凝土是一種理想的支護(hù)材料。

四、鋼纖維混凝土應(yīng)用前景

鋼纖維混凝土由于其良好的力學(xué)性能和應(yīng)用價(jià)值體現(xiàn)了它作為新型建筑施工材料的優(yōu)勢,故而在世界眾多發(fā)達(dá)國家如歐盟多數(shù)國家、美國、日本等，鋼纖維混凝土在隧道等地下工程中得到廣泛的應(yīng)用,發(fā)達(dá)國家也將鋼纖維混凝土應(yīng)用于軍事建筑中。我國在鋼纖維噴射混凝土的應(yīng)用研究上起始于七十年代，隨著國家經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)在鐵路和公路隧道以及其他領(lǐng)域開始廣泛應(yīng)用，先后推出了鋼纖維混凝土的試驗(yàn)及應(yīng)用規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，取得了顯著的成績。隨著西部大開發(fā)以及一帶一路的建設(shè)，對(duì)鋼纖維混凝土有了更深入的研究和應(yīng)用，這種新型的襯砌支護(hù)材料將會(huì)得到更為廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。