喷射混凝土是利用喷射机的气动压力将水泥、粗骨料、细骨料、水以及其他外加剂高速动态压实的施工方法[1]，具有施工简单快捷、凝结时间短、黏结强度高、适用范围广等优点，被广泛应用于矿山、隧道、边坡等工程的早期支护当中。
目前，我国公路隧道和铁路隧道中喷射混凝土的回弹率一般在30%左右，甚至更高[2]。同时，喷射混凝土的回弹率和早期强度又受多重因素影响[3-4]，主要包括：1)混凝土的配合比。目前国内外技术手册或技术标准中关于喷射混凝土只有对混凝土组成和骨料级配有一定的要求和建议，因此，现有工程项目中大多采用添加外加剂(速凝剂、纤维、硅灰、粉煤灰、石灰石粉末等)的方式提高喷射混凝土的早期强度、降低回弹率[5-7]；2)混凝土喷射速度。喷射速度是影响混凝土回弹率和早期成型品质的重要因素之一，当喷射速度过小时，混凝土料在空中的运行时间较长，受自身重力的影响，会产生较大的竖向位移，进而产生骨料反弹现象，使得受喷面上砂浆多、骨料少，最终导致喷射混凝土的强度偏低；喷射速度过小还会引起脉冲和堵管现象。当喷射速度过大时，混凝土料束对受喷面的冲击力过大，进而导致回弹率增大，受喷面混凝土的有效黏附厚度减小。目前关于喷射混凝土的最佳喷射速度的研究表明：当喷射机工作压力、管道长度以及弯曲程度一定时，喷射速度控制在13.5～18.6 m/s时喷射效果最好[8]；3)喷射角度和喷射距离。目前研究当中普遍认为喷嘴与受喷面的最佳喷射角度为90°，而最佳喷射距离则受工作风压、输送距离、混凝土稠度等因素的影响，没有一个具体的最佳喷射距离，大致范围为1.0～2.0 m[9-11]；4)一次喷射厚度。喷射混凝土的一次喷射厚度是影响回弹率的重要因素，随着喷射厚度的增加，回弹率呈下降趋势，但当厚度超过一定数值后，喷射混凝土会因自重过大而脱落，影响喷射效果[12]，同时，一次喷射厚度与喷射部位密切相关，从隧道仰拱至侧墙、顶拱，一次喷射厚度逐渐减小[13]。
随着我国基础设施建设的进一步发展，公路隧道、铁路隧道的建设里程逐年增加，喷射混凝土的用量也不断增大。然而，我国现有喷射混凝土施工过程中存在着回弹率过大、喷射机控制参数不明确、喷射混凝土质量不达标等不足，由此不仅造成了混凝土材料的大量浪费，还给施工人员造成了一定的安全隐患，甚至会产生严重的工程质量事故，造成人员伤亡和巨额经济损失。降低喷射混凝土的回弹率，提高早期支护强度具有非常重要的工程实际意义。
本文以重庆红岩村桥隧项目——隧道初支喷射混凝土工程为背景，采用现场试验和数值模拟等方法研究聚乙烯醇(PVA)短切纤维混凝土的最优纤维掺量及其对隧道喷射混凝土回弹率和隧道洞室的稳定性、围岩变形等方面的影响。
1 PVA短切纤维主要技术指标及使用方法
1.1 主要技术指标及性能
PVA短切纤维是一种理想的环保型水泥增强工程纤维，与水泥具有良好的亲和性，其主要技术指标见表1。
表1 PVA短切纤维主要技术指标
Table 1 Technical indexes of PVA chopped fiber
材料抗拉强度/MPa断裂延伸率/%弹性模量/GPa相对密度耐热性/℃纤维长度/mmPVA纤维1 400～1 8004.0～9.035～451.3>1806
在混凝土中加入PVA短切纤维后，纤维能迅速均匀分散在混凝土中形成一种乱向支承体系，分散混凝土的定向应力，阻止混凝土中原裂缝的发生和发展，消除或减少原生微裂缝的数量和尺度，极大提高混凝土的抗弯强度、抗冲击强度及抗裂强度，有效地改善混凝土的抗渗、抗冲击及抗震能力。同时，由于纤维本身具有一定的强度，纤维均匀分散在混凝土中并形成锚固作用，其在瞬间可吸收一定的破坏能量，因此，可以降低混凝土的脆性，提高混凝土的韧性。
1.2 使用方法
在普通混凝土中加入PVA短切纤维提高混凝土性能时，不需要改变混凝土的原有配合比设计，PVA短切纤维的存在不影响水泥的水化作用，PVA纤维喷射混凝土配合比见表2。但是在具体施工操作时需要注意以下几个方面：
1)掺入量：混凝土中PVA短切纤维的掺入量一般控制在0.6～1.8 kg/m3之间，根据不同工程用途有所不同。
2)拌和：石子+砂+水泥+纤维(混合搅拌30～60 s后)+水(搅拌至完成)；也可先将纤维加入水中搅拌分散后，再加入搅拌机内与其他材料混合。
3)搅拌完成后随机取样，如纤维已均匀分散成单丝，则混凝土可投入使用；如果仍有成束纤维，应延长搅拌时间30～60 s。
4)施工：PVA短切纤维的加入会增加混合料的黏稠度，使坍落度略有降低，所以在工程使用前通过试验来调节坍落度；如果坍落度不能满足施工要求，不能通过增加用水来提高坍落度，而应采用缓凝剂或减水剂来提高坍落度以满足施工要求。
表2 喷射混凝土配合比
Table 2 Mix proportion of shotcrete
材料名称用量/(kg·m-3)质量比水泥4891.00细骨料8521.74粗骨料6701.37拌和水2150.44外加剂24.450.050PVA纤维1.20.002 4
2 PVA短切纤维喷射混凝土对隧道稳定性的影响
2.1 数值模型的建立
本采用ANSYS有限元软件，所建数值计算模型如图1、图2所示，模型宽200 m，高100 m，采用平面应变模型。计算中地层及喷射混凝土采用Plane 42单元，钢拱架采用Beam 3单元。
图1 整体模型
Fig.1 Overall model
图2 局部模型
Fig.2 Local model
2.2 地层及支护参数
模型范围内地层采用均质砂质泥岩，采用理想弹塑性本构模型，Drucker-Prager强度准则模型。喷射混凝土与钢拱架采用BKIN模型，各材料的物理力学参数具体取值见表3。
表3 材料参数
Table 3 Material parameters
材料名称γ/(kN·m-3)E/MPaμc/kPaφ/(°)强度/MPaEc/MPa中风化砂质泥岩25.81 4380.35687—32.8—C25普通混凝土27.028 0000.2——16.71 400PVA短切纤维混凝土27.033 6000.2——20.041 680钢材76.9210 0000.3——23510 500
注:γ为重度;E为弹性模量;μ为泊松比;c为地层折减前的黏聚力;φ为地层折减前的内摩擦角;Ec为切线模量。钢拱架为I16工字钢;喷射混凝土厚度为0.23 m。
2.3 模拟方法
隧道开挖支护后采用强度折减法[14]对地层强度进行折减，从而得到洞室的稳定系数。计算式为:
c′=c/F
(1a)
φ′=arctan(tan φ/F)
(1b)
式中：c′为地层折减后的黏聚力；φ′为地层折减后的内摩擦角；F为折减系数或稳定系数。
模型计算顺序为：初始应力场→隧道开挖支护→地层强度逐渐折减直至计算不收敛，得到最小稳定系数。
通过计算发现：当采用普通混凝土时，最小稳定系数为6.4，采用PVA短切纤维混凝土时，最小稳定系数略有提高，约为6.6。后续2.4节至2.7节内容分别分析了F=6.4与F=6.6两种情况下，采用普通混凝土与PVA短切纤维混凝土时地层、喷射混凝土层及钢拱架的受力变形情况。
2.4 地层塑性区分布
由图3可以发现：图3a中洞室失稳时塑性区分布形式与图3b的类似，但采用PVA短切纤维混凝土时，地层最大等效应变较普通混凝土有所减小。
a—普通混凝土； b—PVA短切纤维混凝土。
图3 地层等效塑性应变分布
Fig.3 Equivalent plastic strain distribution of strata
2.5 地层位移
由图4、图5可以看出：采用PVA短切纤维混凝土，洞室失稳时所对应的地层竖向与水平位移比采用普通混凝土时要小，最大减小幅度分别可达2.0%和4.3%，这主要是由于PVA短切纤维混凝土的弹性模量比普通混凝土的弹性模量高而引起的。
a—普通混凝土； b—PVA短切纤维混凝土。
图4 地层竖向位移 m
Fig.4 Vertical displacement of the strata
2.6 喷射混凝土应力
由图6可以看出：由于PVA短切纤维混凝土承载能力更好，因此喷射混凝土层能够承担更大的围岩压力，与普通混凝土相比，PVA短切纤维混凝土层最大应力可增大14.3%。
2.7 钢拱架轴力
由图7可以看出：与普通混凝土相比，采用PVA短切纤维混凝土时，钢拱架轴力最大拉力增大了2.4%，最大压力减小了11.0%。
a—普通混凝土； b—PVA短切纤维混凝土。
图5 地层水平位移 m
Fig.5 Horizontal displacement of the strata
a—普通混凝土； b—PVA短切纤维混凝土。
图6 喷射混凝土应力 MPa
Fig.6 Stress of shotcrete
a—普通混凝土； b—PVA短切纤维混凝土。
图7 钢拱架轴力 MN
Fig.7 Axial force of steel arch frame
3 PVA短切纤维对隧道初支喷射混凝土回弹率的影响
红岩村隧道和歇台子连接线隧道工程地处Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ级围岩，有21种断面形式，施工工法涵盖双侧壁导坑法、CRD法等6种工法，要求初期支护有足够的强度和刚度抑制围岩的过量变形。
由于该隧道项目施工断面形式多样、施工时间较长以及原岩应力的不均匀性，导致喷射混凝土层中极易出现拉应力，形成不规则裂缝，造成初期支护结构承载力损失，降低了初期支护结构的强度；同时，现场喷射混凝土施工质量受喷射角度、风压、距离、喷层厚度等人为因素的影响较大，回弹率普遍大于35%。
为了提高初期支护塑性变形能力和降低喷射混凝土回弹率，该工程以Ⅳ级围岩隧道开展PVA短切纤维喷射混凝土的应用示范研究(图8)。
图8 PVA短切纤维喷射混凝土施工现场及喷射效果
Fig.8 PVA chopped fiber shotcrete construction site and sprayed effect
由于现场施工限制，回弹率采用体积估测的形式，即：铺垫好防水板后，测量防水板面积，喷射混凝土完成后，取多个点测量回弹率深度，利用体积计算出大致回弹率，如表4所示。
表4 纤维用量对喷射混凝土回弹率的影响
Table 4 Effect of fiber content on shotcrete rebound ratio
序号纤维掺量/%单方用量/kg喷射混凝土回弹率/%100.038.620.0660.629.630.0880.826.740.1101.024.450.1321.222.560.1541.422.570.1761.622.4
由表4可以发现：在喷射混凝土中掺入适量PVA短切纤维后，增强了混凝土的黏附性，从而降低了喷射混凝土的回弹率，当掺量达到0.132%时，回弹率趋于稳定。
4 结束语
本文以重庆红岩村桥隧项目隧道初支喷射混凝土工程为背景，采用现场试验和数值模拟方法研究了PVA短切纤维混凝土的最优纤维掺量及其对喷射混凝土回弹率、隧道洞室的稳定性、围岩变形等方面的影响，得到以下主要结论：
1)与普通喷射混凝土相比，采用PVA短切纤维喷射混凝土时，地层最大等效应变有所减小；洞室失稳时所对应的竖向与水平位移最大减小幅度分别可达2.0%与4.3%。
2)PVA短切纤维混凝土层承载能力更好，能够承担更大的围岩压力，其最大应力较普通混凝土可增大14.3%；与普通喷射混凝土相比，采用PVA短切纤维混凝土时，钢拱架最大轴向拉力增大了2.4%，最大轴向压力减小了11.0%。
3)对于隧道初支喷射混凝土，PVA短切纤维的最优掺量约为0.132%。
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