Beton natryskowy (shotcrete) od ponad stu lat jest fundamentem współczesnego budownictwa podziemnego. W górnictwie i tunelach stanowi zarówno obudowę tymczasową, jak i coraz częściej warstwę docelową. Dynamiczny rozwój włókien stalowych i syntetycznych zmienił jednak paradygmat projektowania: zamiast siatek i prętów zbrojeniowych inżynierowie sięgają po zbrojenie rozproszone, osiągając wyższą odporność na udar, mniejsze odkształcenia po zarysowaniu i szybsze tempo drążenia. Niniejszy artykuł szczegółowo omawia rolę włókien w shotcrete dla tuneli i górnictwa, począwszy od doboru mieszanki, poprzez mechanikę przenoszenia obciążeń, aż po analizę kosztów i wpływu środowiskowego.
Czym jest shotcrete i dlaczego włókna są przełomem?
Shotcrete to beton lub zaprawa podawane na podłoże dyszą z prędkością 60–120 m/s dzięki sprężonemu powietrzu. Istnieją dwa procesy: „suchy” (dry-mix) i „mokry” (wet-mix). W obu przypadkach cel jest identyczny – uzyskać przyczepną, szybko twardniejącą warstwę, która przejmie parcie górotworu, zanim nastąpi niekontrolowane odspojenie skał.
Wprowadzenie włókien radykalnie zmniejszyło zależność od siatek stalowych. Zbrojenie rozproszone:
- likwiduje etap rozwijania i mocowania siatek, skracając cykl drążenia,
- redukuje odskok (rebound) materiału, bo włókna poprawiają kohezję świeżej mieszanki,
- zapewnia – już przy niewielkim rozwarciu rys – zdolność przenoszenia obciążeń, co zapobiega gwałtownemu odspojeniu warstwy,
- umożliwia samonośną obudowę w pełnym profilu, co ma kluczowe znaczenie w górotworach o niejednorodnej strukturze.
Typy włókien najczęściej stosowanych w shotcrete
| Rodzaj włókna | Długość / średnica | Moduł Younga | Zalety | Ograniczenia |
|---|---|---|---|---|
| Stalowe strunowane z haczykami | 30–60 mm / 0,75 mm | 200 GPa | Bardzo wysoka nośność resztkowa, dobra kotwica w macierzy | Ryzyko korozji, większa masa → wyższe koszty logistyki |
| Makrowłókna polipropylenowe (PP) | 40–60 mm / 0,90 mm | 4–6 GPa | Odporność chemiczna, brak korozji, obniżony rebound, niska gęstość | Niższy moduł sprężystości wymaga większych dawek lub hybrydy |
| Mikrowłókna PP/PVA | 6–12 mm / 0,02 mm | 3–10 GPa | Kontrola skurczu plastycznego, ochrona ppoż. (spalling) | Nie zastępują makrowłókien w nośności po zarysowaniu |
| Włókna bazaltowe / szklane | 24–50 mm / 0,75 mm | 70–90 GPa | Nieprzewodzące, wysoka odporność na alkalia, niska przewodność cieplna | Wymagają powłok sizingowych, wyższy koszt jednostkowy |
W praktyce projektanci coraz częściej łączą włókna, uzyskując efekt synergii. Hybrydowe układy stal + PP albo bazalt + PP zapewniają dobrą sztywność początkową i wysoką udarność przy niższej masie całkowitej.
Mechanizmy przenoszenia obciążeń we włóknistym shotcrete
Po upełnieniu i stwardnieniu shotcrete zachowuje się jak kompozyt. Gdy pojawia się rysa, włókna zakotwiczone w betonie przejmują naprężenia rozciągające. Zdolność do przenoszenia obciążeń opisują parametry:
- fR1 – wytrzymałość na zginanie przy ∆w = 0,5 mm (wczesny etap rysy),
- fR3 – wytrzymałość przy ∆w = 2,5–3,5 mm (deformacje typowe dla konwergencji górotworu),
- absorpcja energii (J) w teście panelowym EN 14488-5.
Wymagania kontraktów tunelowych często określają minimalną energię E2 ≥ 700 J lub E3 ≥ 1000 J. Stalowe włókna 40 kg/m³ zwykle przekraczają 1200 J, natomiast syntetyczne PP 6 kg/m³ osiągają 750–900 J. Dobrze zaprojektowany układ hybrydowy 25 kg/m³ stali + 3 kg/m³ PP potrafi osiągnąć 1100 J przy 20 % niższym reboundzie.
Właściwości świeżej mieszanki z włóknami
Dodatek włókien nie pozostaje obojętny dla reologii:
- Lepkość Binghamowska rośnie liniowo wraz z objętością włókien i ich współczynnikiem kształtu.
- Mieszanka wymaga zatem efektywnych plastyfikatorów PCE; docelowa konsystencja to S4 (18–21 cm stożka Abramsa) dla procesu mokrego.
- Włókna długie i sztywne zwiększają tarcie ścienne w wężu, więc średnica rury powinna wynosić ≥50 mm dla PP i ≥65 mm dla stali.
- Rebound spada, gdy stosunek drobnych frakcji (<0,125 mm) do cementu przekracza 1,2. Drobne wypełniacze otulają włókna, ułatwiając wklejenie w matrycę.
Dobór mieszanki krok po kroku
Przykładowy projekt shotcrete dla tunelu miejskiego w gruncie gliniastym:
- Cement CEM III/A 42,5 N-LH (300 kg/m³)
- Woda 135 l → W/C = 0,45
- Kruszywo 0/8 mm (920 kg), 8/16 mm (680 kg)
- Mikrowypełniacz wapienny 70 kg
- PCE 1,2 % c.m.
- Zestaw przyspieszacza alkali-free 6 % c.m. (dozuje się w dyszy)
- Włókna PP makro 6 kg/m³ + mikrowłókna PP 0,9 kg/m³
Taki skład gwarantuje: fck,28 ≥ 40 MPa, absorpcję energii 780 J, rebound 7 %.
Technologia aplikacji w tunelach TBM
W tarczach o dwubiegowej instalacji uszczelnienia (backfill grouting) włóknisty shotcrete stosuje się głównie w strefie portalu startowego i wyjściowego, gdzie maszyna nie pracuje na pełnym ciśnieniu bentonitu. Harmonogram operacji:
- Natrysk 70–100 mm warstwy wstępnej PP-shotcrete bezpośrednio po odkuciu czoła.
- Montaż kotew samozwiercających tylko w słabszych strefach.
- Druga faza do 300 mm w ciągu 2–4 h; przyspieszacz AF pozwala osiągnąć 1 MPa po 15 min, więc TBM może ruszyć z mniejszą zwłoką.
- Po wyjściu tarczy warstwa shotcrete jest scalona z obudową segmentową za pomocą iniekcji żywic niskowiskozowych.
Wykonawstwo w górnictwie
Górnicze wyrobiska chodnikowe często wymagają natrysku z podnośnika koszowego, co ogranicza masę, jaką można wprowadzić do przodka. Makrowłókna PP mają tu przewagę wagową (900 kg/m³ vs 7850 kg/m³ stali). Dodatkowo w środowisku metanowym brak przewodnictwa elektrycznego zmniejsza ryzyko zaiskrzenia. Typowy cykl:
- Urabianie kombajnem 8 m przodka,
- Natrysk pierwszej warstwy 50 mm (PP 5 kg/m³) w ciągu 30 min,
- Kotwienie kombajnowe Ø25 mm 2,4 m (6 szt./mb),
- Drugi przebieg shotcrete 150 mm w ciągu 2 h.
Tempo postępu wzrasta z 2,1 mb/dobę (siatki) do 3,6 mb/dobę (włóknisty), przy jednoczesnym spadku odskoku z 16 % do 8 %.
Normy, wytyczne i badania kontrolne
- EN 14487-1:2022 – klasyfikacja shotcrete (A-wytrzymałość, E-energia, S-przyczepność).
- EN 14488 (części 1–7) – metody badań, w tym test panelowy, trakcja pull-off, penetracja igłowa (naciąg śruby Hilti).
- ASTM C1550-22 – płyta kolowa 800 mm, rekomendowana w Kanadzie i RPA.
- EFNARC Guidelines 2024 – projektowanie dawek włókien stalowych i syntetycznych.
- ITAtech Report 14 – trwałość włókien w tunelach TBM (karbonatyzacja, chlorki, cykle mroźne).
Laboratoria tunelowe pobierają próbki betonu natryskiwanego na tablice stalowe co 50 m lub co 2 h zmiany. Wynik niezgodny (fc lub absorpcja energii) skutkuje korektą W/C lub dawki włókien na bieżąco.
Analiza kosztów i wpływu środowiskowego
Badanie LCC (life-cycle cost) 12-kilometrowego tunelu drogowego w lotniskowym projekcie w Norwegii wykazało, że obudowa włóknista PP:
- obniżyła zużycie stali o 520 t, redukując emisję CO₂ o niemal 1000 t,
- skróciła czas wyjścia TBM o 14 dni, co przełożyło się na 5,2 mln € oszczędności kosztów uśpienia sprzętu,
- zmniejszyła koszty robocizny o 22 %.
Choć cena włókien syntetycznych na tonę jest wyższa od stali, na kubik betonu koszt zbrojenia PP (6 kg) wyniósł 39 € vs stal (40 kg) 52 €.
Najczęstsze błędy i sposoby ich uniknięcia
| Błąd wykonawczy | Konsekwencja | Zapobieganie |
|---|---|---|
| Zbrylanie włókien w końcówce węża | Nieregularna dystrybucja, strefy bez zbrojenia | Suszenie włókien przed dozowaniem, podajnik śrubowy z wibracją |
| Zbyt szybkie przejście na drugą warstwę (<30 min) | Odspojenie poprzedniej | Penetrometr powierzchniowy ≥1 MPa przed następną passą |
| Brak kurtyny mgły wodnej w strefie dyszy | Nadmierne pylenie, utrata drobnych frakcji | Dysze boczne, dysza wodna obwodowa |
| Niewłaściwy przyspieszacz (alkaliczny Na-silikat) | Obniżona wytrzymałość długookresowa | Alkali-free Al-sulphate, zgodny z EN 934-5 |
Trendy rozwojowe
- Włókna inteligentne – bazaltowe pręty z rdzeniem światłowodowym FBG, umożliwiające pomiar odkształceń w czasie rzeczywistym.
- 3D-profilowanie warstwy – skanery LiDAR sprzężone z ramieniem robota dobierają dawkę włókien do geometrii wyrobiska.
- Akceleratory nanokrzemionkowe – pozwalają osiągnąć 2 MPa w 30 min bez podwyższania zawartości alkalii.
- Połączenia hybrydowe – shotcrete + pierścienie FRP w obudowie segmentowej, co tworzy kompozyt w modelu „sandwich” o wielokrotnie wyższej odporności ogniowej.
Studium przypadku – tunel kolejowy w Alpach
Drążony metodą NATM odcinek 5,1 km w zbrekcjonowanym wapieniu. Wymagano E3 ≥ 1000 J przy ∆w = 30 mm. Po serii prób osiągnięto 1080 J stosując 25 kg/m³ włókien stalowych + 3 kg/m³ PP. Rebound spadł do 9 %. Zakotwienie włókien potwierdzono skaningiem SEM: współczynnik powierzchni zespolenia wzrósł o 18 % dzięki profilowi „u-shape”. Po czterech latach eksploatacji monitoring SHM nie wykazał istotnych zmian w sztywności obudowy.
Podsumowanie
Włókna w betonie natryskowym rewolucjonizują inżynierię podziemną. Od kopalń złota w Australii po metro w Warszawie, inwestorzy widzą wymierne korzyści: szybsze cykle drążenia, wyższą absorpcję energii, niższy ślad węglowy i mniej pracochłonną logistykę. Kluczem jest jednak:
- precyzyjny dobór rodzaju i dawki włókien do klasy obciążenia,
- kontrola reologii mieszanki i parametrów natrysku,
- rygorystyczne badania zgodne z EN 14488 i EFNARC,
- ciągłe monitorowanie jakości w trakcie produkcji i eksploatacji.
Przyszłość należy do hybrydowych, inteligentnych kompozytów, w których włókna będą nie tylko wzmacniać beton, ale także dostarczać danych diagnostycznych w czasie rzeczywistym. Już dziś jednak zbrojenie rozproszone dowiodło, że potrafi spełnić – a często przewyższyć – najbardziej wymagające specyfikacje tunelowe i górnicze, stając się technologią pierwszego wyboru tam, gdzie bezpieczeństwo, ekonomia i zrównoważony rozwój są priorytetem.
