钢纤维喷射混凝土李志业

钢纤维喷射混凝土李志业15钢纤维喷射混凝土

15.1一般规定15.2隧道、地下工程支护和衬砌结构设计15.3原材料和配合比要求15.4喷射施工15.5质量控制15.6修补和加固工程15.7水工建筑物防裂防渗面层第2页,共79页，2024年2月25日，星期天解释有关名词2.1.5等效直径equivalentdiameter

当纤维截面为非圆形时，按截面积相等原则换算的圆形截面的直径。2.1.6纤维长径比aspectretiooffiber

纤维的长度与直径或等效直径的比值。2.l.7纤维体积率fractionoffiberbyvolume

纤维占纤维混凝土的体积百分数。第3页,共79页，2024年2月25日，星期天2.1.8韧性toughness纤维混凝土保持一定抗力的塑性变形能力。常采用与力（或应力）－变形（或应变）曲线下面积有关的参数进行度量。第4页,共79页，2024年2月25日，星期天韧度指数：

韧度比：第5页,共79页，2024年2月25日，星期天15.1一般规定

钢纤维喷射混凝土steelfiberreinforcedshotcrete借助于空气压力（0.3～0.5MPa）高速喷射至受喷面上而形成的、散布有不连续钢纤维的砂浆或混凝土。

第6页,共79页，2024年2月25日，星期天15.1.l本章的规定适用于

隧道和地下工程钢纤维喷射混凝土支护和衬砌的设计与施工钢纤维喷射混凝土边坡防护地面结构修复、补强建筑物基坑支挡结构的设计与施工。第7页,共79页，2024年2月25日，星期天同时要遵循的技术标准的规定锚杆喷射混凝土支护技术规范GB50086；铁路隧道锚喷构筑法技术规范TB10108,J159；铁路隧道设计规范TB10003；铁路隧道施工规范TB10204；公路隧道设计规范JTJ026；地下铁道设计规范GB50157；水工隧洞设计规范SL279。第8页,共79页，2024年2月25日，星期天15.1.2在隧道、隧洞和地下工程中的应用l隧道、隧洞和地下工程的单层衬砌；2下列情形的围岩初期支护：1）高地应力易发生较大塑性变形的软弱围岩和膨胀性围岩的控制变形措施；2）破碎围岩情况下防止岩块坍落；3）高地应力引起岩爆的防护措施；4）受采掘影响的矿山巷道和溜矿井的支护。3修补裂损衬砌，加固既有衬砌结构；4用明挖法修建地下工程的边坡支护结构。

第9页,共79页，2024年2月25日，星期天l隧道、隧洞和地下工程的单层衬砌剪切撕开-粘结强度第10页,共79页，2024年2月25日，星期天喷混凝土支护的特点：

及时密贴柔性

控制变形，防止松散利用钢纤维的阻裂性能和钢纤维喷射混凝土的耐久性，作隧道单层衬砌：在西康铁路某铁路隧道采用钢纤维喷射混凝土作永久衬砌。第11页,共79页，2024年2月25日，星期天喷混凝土单层衬砌第12页,共79页，2024年2月25日，星期天单层衬砌的适应条件(15.2.2)采用钢纤维喷射混凝土单层衬砌的隧道和地下工程，其围岩应符合下列条件：1围岩无显著变形，或采取先期支护措施后围岩变形已基本稳定；2岩面和喷层之间的粘结力能得以保证；3无涌水和大面积淋水。

第13页,共79页，2024年2月25日，星期天2利用钢纤维喷射混凝土的韧性在软弱围岩隧道中作初期支护

第14页,共79页，2024年2月25日，星期天混凝土喷层吸收变形的能力很差，以致因其脆性破坏而失效，须要在喷层中配置钢筋网来加强。加设钢筋网的负面作用

第15页,共79页，2024年2月25日，星期天因此，在隧道中采用钢纤维喷混凝土取代钢丝网喷混凝土，对避免这种空隙或空洞，改善支护的工作状态是十分有效的。

在渝怀线武隆隧道的应用：15cm钢纤维喷射混凝土代替钢筋网喷射混凝土用于Ⅴ级围岩。

第16页,共79页，2024年2月25日，星期天“单壳”衬砌概念第17页,共79页，2024年2月25日，星期天初期支护与内衬的合为一体的，之间能充分传递剪力，通过这种传递可以改变因弯曲而产生的内力形态，是很经济的工法。扩大了钢纤维喷射混凝土的应用领域。存在的问题是：第18页,共79页，2024年2月25日，星期天单层衬砌存在的问题结合面应满足的条件：粗糙、清洁、容许剪应力喷混凝土材料的均质性和耐久性：分未开裂:钢纤维不锈蚀；开裂:检验裂口宽度的安全性。水密性：开裂极限以下的应力检算；不发出开裂的极限厚度，拉伸区域的计算应变<15%，多数情况下采用极限状态方法设计。衬砌表面粗糙对隧道通风的影响第19页,共79页，2024年2月25日，星期天3下列情形的围岩初期支护：

1）高地应力易发生较大塑性变形的软弱围岩和膨胀性围岩的控制变形措施；如用于高烈度地震区、岩体严重风化破碎的某隧道采用钢纤维混凝土，使圬工量减少62％，开挖量减少21％。用于高地应力段内发生大变形最严重的一段隧道，拱顶下沉240㎝，侧壁内移160㎝，除采用其它措施之外，其内、外衬（加受力钢筋）均采用钢纤维喷射混凝土和钢纤维混凝土，衬砌未出现任何开裂。

第20页,共79页，2024年2月25日，星期天15.2隧道、地下工程支护和衬砌结构设计

15.2.1、15.2.2和15.2.5关于工程地质环境的勘查和经验设计地质调查重要性;基于铁路隧道围岩分级：岩石坚硬程度和围岩完整程度2个因素应采用定性划分和定量指标2种方法确定。在此基础上确定围岩的基本分级，再结合隧道工程的特点，考虑地下水和初始地应力的状态等因素进行修正。第21页,共79页，2024年2月25日，星期天15.2.2体现了施工中的围岩调查1围岩无显著变形，或采取先期支护措施后围岩变形已基本稳定；2岩面和喷层之间的粘结力能得以保证；3无涌水和大面积淋水。第22页,共79页，2024年2月25日，星期天围岩分级流程第23页,共79页，2024年2月25日，星期天15.2.5单层衬砌的喷层厚度，应根据围岩条件、隧道横断面尺寸和锚杆设置参数等因素确定。

我国铁路隧道设计规范TB10003:岩体完整性岩石坚硬程度:用岩块单轴饱和抗压强度来反映;第24页,共79页，2024年2月25日，星期天钢纤维喷射混凝土单层衬砌

单线铁路隧道围岩级别ⅡⅢⅣ岩石单轴饱和抗压强度（MPa）≥30≥30≥30喷层厚度6cm10cm16~20cm第25页,共79页，2024年2月25日，星期天

铁路隧道喷锚构筑法技术规程

针对喷射普通混凝土Ⅰ级:单线：喷射混凝土厚5

cm双线：喷射混凝土厚8

cm，必要时设置锚杆，长1.5～2.0

m，间距1.2～1.5

mⅡ级单线：喷射混凝土厚8

cm，必要时设置锚杆，长1.5～2.0

m，间距1.2～1.5

m双线：喷射混凝土厚10

cm，锚杆长2.0～2.5

m，间距1.0～1.2

m，必要时设置局部钢筋网第26页,共79页，2024年2月25日，星期天铁路隧道喷锚构筑法技术规程

针对喷射普通混凝土(续)Ⅲ级:单线：喷射混凝土厚10

cm，锚杆长2.0～2.5

m，间距1.0～1.2

m，必要时设置局部钢筋网双线：喷射混凝土厚15

cm，锚杆长2.5～3.0

m，间距1.0

m，设置钢筋网第27页,共79页，2024年2月25日，星期天“岩体质量”

Q法分级，

公式：Q=(RQD/Jn)*(Jr/Ja)*(Jw/SRF)根据“Q”值将围岩分为9级（＝0.001～1000），并给出了相应的支护结构参数。该设计方法除围岩稳定性“最差”第9类情况必须采用模注混凝土衬砌外，其余各种围岩中均采用钢纤维喷射混凝土单层衬砌（同锚杆配合）。在有涌水，冻害的情况下，可修筑轻型衬套。

第28页,共79页，2024年2月25日，星期天挪威Q法经验设计第29页,共79页，2024年2月25日，星期天第30页,共79页，2024年2月25日，星期天15.2.3和15.2.4

关于强度、耐久性及防水要求。强度等级不应低于CF30（旧规范是CF20），结合15.5.4应同时满足弯曲韧性的要求。尚应符合耐久性设计要求。结合15.5.6抗渗性能应符合有关隧道或地下工程设计规范的规定。结合15.5.6第31页,共79页，2024年2月25日，星期天关于强度要求表15.5.4钢纤维喷射混凝土的弯拉强度

CF30：3.8MPa,是基本合理的。该表的弯拉强度的规定是参考挪威规范确定的。需要作大量的工作完成大于CF30的强度指标。第32页,共79页，2024年2月25日，星期天第33页,共79页，2024年2月25日，星期天耐久性要求。结合15.5.6

欧洲强调：水灰比；根据环境选择合适的水泥；碳化深度；速凝剂对耐久性的影响；规定保证耐久性的参数，对普通混凝土规定的较多，对喷射混凝土还不太完善钢纤维锈蚀问题不太被重视；第34页,共79页，2024年2月25日，星期天日本关于耐久性：

混凝土的耐久设计基准强度（JASS5，1997年）

计划使用期间

耐久设计基准强度（N/mm2）一般（预定不需要大规模补修的期间为30年、使用限界期间为65年）

18标准（预定不需要大规模补修期间为65年，使用限界期间为100年）

24长期（预定不需要大规模补修期间为100年）

30第35页,共79页，2024年2月25日，星期天耐久性设计的概念第36页,共79页，2024年2月25日，星期天巴西圣保罗地铁提出用于永久支护的喷混凝土的主要性能指标：抗压强度≥25MPa；浸泡和煮沸试验测定的吸水率≤8%；饱和容重≥拌和物理论容重-0.1tf/m3；承压透水率≤50mm；最小水泥用量380kg/m3；水灰比0.45。第37页,共79页，2024年2月25日，星期天15.2.4关于防水性当喷射混凝土的渗透系数小于10-12m/s时，可以认为具有防水能力。挪威规范:衬砌的厚度是决定其耐久性的最主要参数之一。其余指标为抗冻、氯化物含量、透水性和毛细管吸收性。（capillaryabsorption）从耐久性出发，喷层最小厚度应为60mm。多次试验结果加入钢纤维后基本不影响渗透系数,反而有所增强。在作初期支护时由于取消了钢筋网更增加了衬砌结构整体防水性能.第38页,共79页，2024年2月25日，星期天15.2.7初期支护喷层厚度应根据围岩地质条件确定喷层厚度。喷层厚度不宜大于150mm。因为要发挥材料韧性而规定的.

第39页,共79页，2024年2月25日，星期天15.2.8和15.5.3

弯曲韧度指标的要求韧性是指钢纤维喷混凝土在承载过程中承受变形的能力，亦即材料开裂以后产生较大变形仍可保持的材料强度不产生明显降低，是钢纤维喷混凝土一个重要特性。韧性参数可以通过三分梁加载试验或平板加载试验测定。

第40页,共79页，2024年2月25日，星期天三分梁韧度试验试件长度L(mm)l/3(mm)试件宽度b(mm)试件高度h(mm)相应规范55015012575EFNARC350100100100ACI544.2RASTMC1018350100100150JSCE-G552-1999第41页,共79页，2024年2月25日，星期天韧性指标的评价第42页,共79页，2024年2月25日，星期天我国试验规范

此外，ASTMC1018还有韧度指数

第43页,共79页，2024年2月25日，星期天ASTMC1018弯曲韧度指数的评价第44页,共79页，2024年2月25日，星期天局限性Fe=1.77,R30/10=65.73第45页,共79页，2024年2月25日，星期天Fe=1.71,R30/10=98.75第46页,共79页，2024年2月25日，星期天Fe=2.65,R30/10=85.04第47页,共79页，2024年2月25日，星期天弯曲韧度比：日本标准JSCE-G552韧度指数韧度指数韧度指数韧度指数韧度指数韧度指数韧度比

一般要求Re≮70%sr残余应力第48页,共79页，2024年2月25日，星期天•欧洲规范（EFNARC）梁的挠度mm韧度等级1234残余应力sr（N/mm2）0.51.52.53.54.511.32.33.34.321.02.03.04.040.51.52.53.5残余应力韧度等级第49页,共79页，2024年2月25日，星期天平板加载试验J25mm

(欧洲规范)大变形围岩初期支护

1000J单层永久衬砌

700J隧道裂损衬砌修复

500J第50页,共79页，2024年2月25日，星期天开裂后试件的反面第51页,共79页，2024年2月25日，星期天开裂后试件的正面第52页,共79页，2024年2月25日，星期天大板试验荷载－位移曲线第53页,共79页，2024年2月25日，星期天第54页,共79页，2024年2月25日，星期天韧性—裂后性能吸收变形软弱围岩支护大变形第55页,共79页，2024年2月25日，星期天15.3原材料和配合比要求15.3.1对钢纤维材料的要求长度不宜大于输料软管以及喷嘴内径的0.7倍，长径比宜在30～80范围内抗拉强度不宜低于600MPa。

第56页,共79页，2024年2月25日，星期天关于长径比按喷嘴内径5～6cm，钢纤维长度小于等于35mm，，如贝卡：钢纤维直径0.55mm，长度30mm，长径比55；HAREX：钢纤维直径0.6mm，长度30mm，长径比50；若再增加长径比则要减小直径，可能会在喷射时弯曲。最好的要求是：lf≯0.7Dh-ilf/df=35～60，抗拉强度>800MPa。

第57页,共79页，2024年2月25日，星期天钢纤维最大掺量≤1%钢纤维掺量宜根据弯曲韧度比指标确定。注意到设计掺量与实际掺量的区别以喷射到岩面上的钢纤维混凝土中钢纤维的实际含量作为依据。

第58页,共79页，2024年2月25日，星期天最小掺量单根钢纤维“占有”体积考虑“重叠”实际“分摊”体积单位体积钢纤维根数掺量lf/df404550556065707580β（kg/m3）α=0.45433428231916141311α=0.40614839322723201816规程（新加坡地铁）655040353025202020第59页,共79页，2024年2月25日，星期天15.3.3硅粉或粉煤灰等活性掺合料硅粉的掺量可为水泥重量的5％～15％，粉煤灰的掺量可为水泥重量的15％～30％，

第60页,共79页，2024年2月25日，星期天加入硅粉对强度和韧性的影响

（某试验例）钢纤维掺量45kg/m3硅粉掺量08.5%(硅)抗压强度38.2－弯拉强度2.882.56离散系数13.38.8

等效抗弯强度1.111.02离散系数21.212.2

第61页,共79页，2024年2月25日，星期天加入粉煤灰对强度和韧性的影响

（某试验例）钢纤维掺量45kg/m3硅粉掺量020%(粉)抗压强度28.9226.37弯拉强度7.106.74均方差:0.740.52

等效抗弯强度4.913.47均方差1.050.3第62页,共79页，2024年2月25日，星期天15.3.4速凝剂应用于干喷的速凝剂多采用粉末状，用于湿喷混凝土的速凝剂多为液态以无碱或低碱含量的优质速凝剂对晚期强度的损失低于10%。国外非常强调速凝剂对耐久性影响.

第63页,共79页，2024年2月25日，星期天15.3.5材料配合比的设计强度

C/W弯曲韧度钢纤维掺量和易性

W,CA,W,C第64页,共79页，2024年2月25日，星期天15.4喷射施工

15.4.l宜采用湿喷工艺确保钢纤维喷射混凝土材料性质的稳定和施工质量。

湿喷工艺所采用的机具主要可分为二类：泵式输送型湿喷机；（栓塞泵、螺杆泵或挤压泵）将泵送和压缩空气输送相结合的转子活塞式湿喷机。第65页,共79页，2024年2月25日，星期天喷混凝土的不同工艺干拌和物成品混凝土成品混凝土压缩空气速凝剂水稀薄流干拌和物稀薄流成品混凝土稠密流成品混凝土速凝剂第66页,共79页，2024年2月25日，星期天转子活塞式湿喷机第67页,共79页，2024年2月25日，星期天干、湿喷效果比较湿喷：拱部一次喷90～100mm回弹量13～15％，粉尘浓度比喷射前增加0.4mg/m3边墙一次喷180～200mm回弹量6～9％，粉尘浓度比喷射前增加0.3mg/m3干喷：拱部一次喷50～70mm回弹量40～60％，粉尘浓度比喷射前增加29.2mg/m3边墙一次喷100mm回弹量17～25％，粉尘浓度比喷射前增加21.7mg/m3第68页,共79页，2024年2月25日，星期天15.4.4严禁在喷层和岩面之间充填异物钢纤维喷射混凝土用作隧道和地下工程的围岩支护或衬砌时，严禁在喷层和岩面之间充填异物原规范：不小于500mm的钢筋网第69页,共79页，2024年2月25日，星期天15.5质量控制15.5.1抗压强度的规定15.5.4弯拉强度的规定。钢纤维喷射混凝土的弯拉强度的规定是参考挪威规范确定的。需要作大量的工作完成大于CF30的强度指标。15.5.5关于粘结力的规定:参考“欧洲喷射混凝土规范”确定的。第70页,共79页，2024年2月25日，星期天粘结力检验的必要性剪切撕开-粘结强度第71页,共79页，2024年2月25日，星期天钢纤维喷射混凝土的粘结强度

同混凝土间的粘结强度(MPa)非结构性的防护0.5结构增强1.0粘结强度(MPa)支护结构0.5非结构性的防护0.1同与岩面之间同既有混凝土