摘要：介绍钢纤雏在喷射混凝土中的作用机理、钢纤维的韧性及与隧道新奥法锚喷支护中相关的几种主要力学性能，结合其在隧道工程中的应用，说明钢纤维喷射混凝土能很好地满足隧道新奥法的要求，是一种理想的支护材料。
关键词：隧道工程钢纤维喷射混凝土 韧性 新奥法 支护材料
钢纤维混凝土（Steel Fiber Reinforced Concrete，SFRC）和钢纤维喷射混凝土（Steel Fiber ReinforcedShotcrete，SFRS）作为一种新型建筑材料，近年来在国内外得到了迅速发展。和普通混凝土相比，钢纤维混凝土不仅能明显改善抗拉、抗剪、抗弯、抗磨和抗裂能力，而且能大大增强断裂韧性和抗冲击等多项性能，加之施工简便，价格相对低廉，所以在道路路面、桥梁结构、隧道衬砌支护等工程中的应用日益广泛。其中，钢纤维喷射混凝土是由均匀散布有钢纤维的混凝土拌和料，借助压缩空气高速喷射至受喷面而成的新型复合材料，它随着在隧道和地下工程中新奥法的推广和使用，已引起人们的高度重视，并在实际工程中取得了良好的效果。
1 钢纤维在混凝土中的作用机理
研究钢纤维混凝土的增强机理，是提高钢纤维对混凝土增强、增韧和阻裂效应，从本质上改变其物理、力学、化学性能，并造就材料新性能的理论基础，也是进行钢纤维混凝土性能设计的依据。对钢纤维混凝土的增强机理，主要有两种理论解释，一是1963年由美国罗穆阿尔迪（Romualdi）提出的纤维间距理论，这一理论以线弹性断裂力学为基础，强调了钢纤维混凝土在结构形成和受力过程中对裂缝发生和发展的抑制作用；另一种是复合力学理论，其出发点是复合材料构成的混合理论，即将纤维增强混凝土看作是纤维强化体系，应用混合理论来推求纤维混凝土的应力、弹性模量和强度等。由于以上两种理论都存在一定的片面性，近年来，国内外对钢纤维喷射混凝土的基本特性进行了多方面的试验研究和探索，试图综合复合力学理论和纤维间距理论的优点，进一步完善、充实和得到符合钢纤维混凝土特征的新理论，但因为未能从根本上解决两种理论的自身缺陷，依然无法取得令人满意的结论。
2 钢纤维喷射混凝土的特性
在喷射混凝土中加入钢纤维可以改善混凝土吸收能量的能力和抗冲击能力，提供开裂的阻力，控制开裂，并且能明显改善延展性。例如，在混凝土基体开裂后，它仍然具有承载能力。加入钢纤维的混凝土和素混凝土、钢筋混凝土的性能相比改善和提高了许多。
2．1 韧性
在喷射混凝土中掺加钢纤维，主要是为了提高原为脆性材料的喷射混凝土的韧性。韧性是指钢纤维喷射混凝土在承载过程中吸收变形的能力，是钢纤维喷射混凝土的一个重要特性。常以荷载一位移曲线与横坐标轴所包络的面积来表示。喷射混凝土中加入钢纤维后，喷射混凝土的变形能力与残余抗弯强度有了显著的提高，如图1所示。
在隧道工程中，钢纤维喷射混凝土的韧性使得与岩面紧密贴合的喷层不但具有一定的柔性，而且在同围岩共同变形过程中持续有效地提供支护抗力，有助于围岩通过应力调整，形成足够大的塑性区，充分发挥塑性区岩体的“卸载”作用，使传到支护体上的压力大为减小。
2．2 其它主要力学性能
钢纤维喷射混凝土中乱向分布的短纤维主要作用是阻碍混凝土内部微裂缝的扩展和阻滞宏观裂缝的发生和发展，因此加入钢纤维对于喷射混凝土抗拉强度和主要由主拉应力控制的抗剪、抗弯、抗扭强度等有明显的改善作用，见图2。
图2是一组典型的试验结果。当钢纤维掺量在1% ～2%体积率的范围内，抗拉强度提高40% ～80%，抗弯强度提高60% 一120%，抗剪强度提高50% 一100% 。但钢纤维对混凝土的抗压强度提高幅度较小，一般在0% 一25%之间，根据铁道科学研究院的试验证明，决定抗压强度的主要因素仍是喷射混凝土本身的配合比设计，见表1。
2．3 断裂与断裂韧性
普通喷射混凝土因表面受拉易收缩干裂，断裂缝则成为隧道地下水渗出的通道。断裂后的混凝土在地下水长期的侵蚀下发生剥离、脱落的现象，支护结构则丧失支护功能，严重者发生坍塌。因此，强调喷射混凝土在受拉情况的断裂性能尤为重要。在喷射混凝土中加入钢纤维后，变形性能得到有效改善，且一旦钢纤维混凝土出现裂缝，钢纤维的作用更加明显，能发挥较好的阻裂作用。因此钢纤维喷射混凝土非常适合环境恶劣，需抗裂、抗冲击的隧道工程结构。
3 钢纤维喷射混凝土在隧道工程中的应用
3．1 钢纤维喷射混凝土与新奥法
新奥法的基本概念是通过发挥围岩承载环的主动作用使隧道围岩成为承载结构。显然，新奥法对围岩承载能力的利用，是通过支护系统在同围岩共同变形的过程中通过对围岩变形控制来实现的，即允许围岩变形有一定程度的释放。这就要求对围岩起保护和控制作用的支护系统不仅要有足够的强度，而且还要考虑其变形性能，即合理的刚度。在以往新奥法的锚喷支护中，根据不同的施工条件，选用了素喷混凝土支护、素喷加锚杆、素喷加钢筋网、喷锚网联合支护等支护方案，并在工程实践中获得了成功。但是随着大量工程实践的证明和现代新技术的发展，新奥法传统支护方式也表现出了较为明显的弱点，如素喷的脆性，钢筋网喷射混凝土集料回弹大以及施工易出空洞等。
近年来，钢纤维喷射混凝土较好地解决了上述问题。钢纤维喷射混凝土具有较好的韧性，当结构受力达到极限强度后随着变形的发展仍将保持一定的承载能力，它的韧性对围岩的变形具有良好的吸收能力，有利于在与围岩的共同变形中建立起新的平衡，能进一步提高新奥法施工的安全性、经济性与机械程度。所以，钢纤维喷射混凝土是一种理想的隧道支护材料。
3．2 钢纤维喷射混凝土支护
在隧道和地下工程中，随着新奥法的推广，喷射混凝土已成为一种常见的支护手段。由于钢纤维喷射混凝土的抗裂性能，防止了喷层的收缩，提高了喷层材料的密实性和耐久性，因此，可以采用钢纤维喷射混凝土单层结构代替普通喷射混凝土+二次衬砌的复合式结构来作为永久衬砌结构。
在20世纪80年代，北美修建的若干隧道中，已采用钢纤维喷射混凝土作为永久衬砌。1979年，欧洲研究人员对素喷射混凝土、挂网喷射混凝土、钢纤维喷射混凝土进行了大量的研究，研究结果表明：钢纤维喷射混凝土与加钢筋网的喷射混凝土相比，大大避免了钢筋网对施工质量、回弹以及岩面存在空洞等不利影响，省去了敷设钢筋网，提高了劳动效率，无论从经济上还是技术上都具有一定的优势。与素喷射混凝土相比，钢纤维喷射混凝土不仅抗折强度有所提高，而且韧性好，具有良好的吸收变形能力，不仅能可靠地防止岩块的塌落，而且对围岩的变形有很强的适应能力。同时，由于混凝土的收缩干裂会降低与岩石的结合力，加入钢纤维会使收缩裂纹受到纤维的影响，而纤维均匀分布且宽度较小，有利于喷射混凝土与岩石表面的粘结。 这样，由钢纤维喷射混凝土组成的衬砌结构在防水性能和抗腐蚀能力方面有较大的提高。
3．3 应用实例
1） 福建漳龙高速公路乌石山隧道处于构造剥蚀中低山区，地形复杂，隧道区内构造发育，以断裂为主，裂隙彼此贯通，多处形成密集裂隙带，尤其在隧道出口550 m范围内，层间破碎带更加发育，对该段隧道的影响更加显著。在隧道进洞50 m后拱顶出现较大沉降，多次发生塌方。施工方结合围岩情况，决定在Ⅱ、Ⅲ类围岩地段以钢纤维喷射混凝土支护取代钢筋网喷射混凝土支护，确定左线ZK74+437～ZK74+457、右线YK73+600～YK73+620进行全断面钢纤维喷射混凝土施工。随后对支护结构的监测显示，支护沉降变形较小，在多次爆破作用下裂缝仅出现3～5 mm，安全通过塌方区，在病害整治中取得了良好的效果。
2） 浙江省开化县齐溪水电站的有压隧道采用钢纤维喷射混凝土衬砌，使围岩能较大限度地发挥作用、减少衬砌厚度、降低工程造价。首先钢纤维喷射混凝土将大量岩石裂隙填塞密实，使破碎带在很大程度上得到固结，并与岩壁充分粘结；其次使结构厚度大大减小。由钢筋混凝土衬砌厚为50 cm减至钢纤维喷射混凝土衬砌厚为6 cm，使工程段每延米工程量由7．5 m3减至1．0 m3，造价由1 175元减至398元。采用钢纤维喷射混凝土衬砌，取得了显著的社会和经济效益。
4 应用前景
由于从喷射工艺到综合经济效益，钢纤维喷射混凝土均体现了新型复合材料的独特优势，所以在隧道工程中采用钢纤维喷射混凝土在世界许多国家已得到了较为广泛的应用。如日本使用钢纤维混凝土支护和修补不良地层和围岩；英国应用钢纤维混凝土代替钢丝网加固隧道；法国、德国、美国和西班牙等国均制定了相应的设计和施工规范，大量采用钢纤维混凝土作为隧道的初期支护和永久支护。我国在隧道中应用钢纤维喷射混凝土始于1984年，起步相对较晚，但近些年发展很快，已经取得了较好的效果。已建的重点工程如云南元磨高速公路、福建罗长高速公路、福建漳龙高速公路、福建京福高速公路都成功地应用了钢纤维喷射混凝土技术，并对该项技术展开了跟踪研究。随着我国基础建设步伐的加快和大量隧道工程的出现，以及钢纤维生产技术的不断进步和基础理论的不断完善，这种新型的支护材料在隧道工程的应用将进一步拓宽。
