喷射混凝土在长大软岩隧洞中的应用.pdf

喷射混凝土在长大软岩隧洞 中的应用朱 国建 l 2 3 【 技 术应 用 】 喷射混凝土在长大软岩隧洞 中的应用 朱 国 建 ( 新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局， 新疆 乌鲁木齐 8 3 0 0 0 0 ) 摘要) 文章根据顶山隧洞喷射混凝土施工配合比及施工过程， 分析 了喷射混凝土配合比砂率、 水灰比等的选择及 施工过程 中的回弹率、 水泥预水化等 问题 。 关键词 喷射混凝土； 软岩隧洞 中图分 类号 ： T V 5 2 文章标识码 ： B 文章编 号： 1 0 0 9 0 0 8 8 ( 2 0 1 1 ) o 4 0 1 2 3一O 2 1 工 程概况 新疆某引水工程 顶 山隧洞包 括进 出 口明渠段 和洞身 段总 长 1 5 3 5 1 m， 隧洞洞身总长度 1 4 8 9 0 m。工程设计为2级建筑 物， 隧洞为马蹄形断面5 2 m5 2 m， 设计流量 4 7 5 m s ， 加 大设计流量 5 5 m s 。顶 山隧洞 ( 含进 、 出 口明渠 ) 土石方 开挖 量 1 0 5万 i n ， 其 中洞身段土方开挖 6 3 5万 m 。混凝土浇注 1 7 2万 m ， 其中洞身段 l 6 6 3万 m 。 1 1 气候 条件 本工程地处欧亚大陆腹地 中心的新疆地 区 ， 属 于大陆性寒 温带气候 ， 四季 中春秋 两季 不明显 ， 大 致可 分为 冷半年 和暖半 年 ， 纬度高、 气温低、 少酷暑多严寒。一年 四季风沙大 ， 极端干 燥 ， 气温变化剧烈 ， 日温差极为 明显 。 1 2 地质条件 隧洞洞身段全长 1 4 8 9 k r n ， 洞轴线方向 N W1 7 7 5 。 ， 为无压隧 洞。隧洞进 口底板高程6 0 3 1 0 i n ， 出口底板高程5 8 4 9 m， 比降 1 1 0 5 0 。隧洞洞身段一般埋深 4 J D 5 0 m， 最大埋深 8 0 m。 隧洞所通过地段在地貌上属剥蚀起伏平原区内的平台， 高 差变化不大。隧洞进 口左侧 1 5 k m为一连水库 ， 正常水位 6 1 3 0 m， 高于隧洞底板高程 1 0 m； 右侧为二连洼地， 距洞 口 1 0 k m， 正常高水位 5 9 5 m， 低于洞底高程 8 0 n l ， 自然状态下， 由一连水库地下水补给二连洼地 ， 进口部位 的地下水沿隧洞方 向由南向北缓慢流动， 水力坡度为 1 2 5 。 隧洞通过 的地层 以第三系始一渐 新统砂岩为 主 ， 夹含 砾砂 岩及泥岩或夹泥质砂岩、 砂质泥岩。砂岩岩层呈中一厚层状分 布， 泥岩呈薄层状， 但泥岩具有膨胀性( 属中一强膨胀岩) 。泥 岩、 砂质泥岩膨胀裂隙发育， 裂隙面光滑， 并见有擦痕。 该隧洞工程地质较为复杂 ， 围岩主要由结构松散的砂岩组 成， 成岩作用较差， 用手可剥落， 围岩含水率较高， 结构极为不 稳定。软岩和极软岩洞室开挖后围岩变形量值巨大， 时间和空 间效应明显， 如变形量值与速率得不到有效控制， 有害变形会 不断发展， 形成围岩失稳和塌方。顶山隧洞为了保证安全施 工， 防止围岩失稳和杜绝塌方事故 ， 制订了“ 段进尺、 勤监测、 快 支护、 早衬砌” 的 1 2字方针， 其中快支护就包括了喷射混凝土 施工 。 2喷射混凝土配合 比的选定 根据顶山隧洞工程围岩的特性 ， 喷射混凝土强度要求为 ： 8 h强度不得小于 0 3 MP a ， 1 d强度 大于 8 0 M P a ， 2 8 d强度大 于 2 0 MP a ， 初凝时 间为 3 rai n ， 终凝 时间为 1 0 rai n 。另外 ， 要 求喷 射混凝土回弹量少、 粉尘小、 粘附性好、 不发生堵管现象。 2 1 配合 比的初步确定 2 1 1原材料的选定 根据设计要求， 选用新疆布尔津产标号为 3 2 5的普通硅 酸盐水泥 ， 其强度经过试验检测 为 3 8 0 MP a ； 砂 选用 新疆福 海 顶 山砂石料 场生产 的河砂 ， 其细度模 数为 2 6 5； 石子 选用新 疆 福海砂石 料场生 产 的卵石 ， 其 粒径为 51 5 mm， 级 配 良好 ； 速 凝剂选用河南巩义生产的8 6 0 4型速凝剂。 2 1 2砂率 考虑砂率对喷射混凝土施工工艺性能和力学性能的影响， 见表 1 ， 经过试验， 砂率确定为5 1 。 表 1 砂率对喷射混凝土施工的影响 2 1 3水 灰 比 喷射混凝土一般在喷嘴处加入用水， 由喷射手通过水 阀调 节来调节水量 ， 当水灰比太大时 ， 喷射混凝土表面易出现流淌、 滑移、 拉裂现象 ； 当水灰比太小时， 喷射混凝土表面易出现干 斑、 作业中粉尘较大、 回弹多等现象。在经过多次试验确定： 水 灰比为 0 4 5时比较适宜， 混凝土表面平整， 呈水亮光泽 ， 粉尘 和 回弹较小 。 2 1 4速 凝 剂 速凝剂的掺量一般为2 5 6 ， 采用干拌掺人方法， 如 果保持 0 4 0的水灰比， 在室温保持 2 03 E、 湿度在 7 5 的条 1 2 4 内 蒙 古 水 利 2 0 1 1 年第4期( 总第 1 3 4 期) 件下， 速凝剂的掺量越大， 初凝用的时间越少， 终凝花费的时间 也越少。由此可见， 速凝剂的掺量不仅直接影响混凝土的凝结 时间， 而且对混凝土的后期强度影响也特别大， 见图 1 。 1 一无速凝剂； 2 一掺量为 2 速凝剂 ； 3 一掺量为 3 速凝剂； 4 一掺量为 6 速凝剂 图 1 速凝剂对喷射混凝土强度的影响 2 2 配合 比的最终确定 喷射混凝土配合比经过多次试验结果： 水灰比， 0 4 5 ； 水泥 ( k g m ) ， 4 O O ； 水 ( k g m ) ， 1 8 0 ； 砂 ( k g m ) ， 9 4 3 ； 卵石( k g m ) ， 9 1 0 ； 速凝 剂( k g m ) ， l 2 。 3 喷射混凝土施工工艺 3 1 工艺流程 顶山隧洞采用的是竖井施工 ， 竖井 的深度为 5 O 8 0 m， 为 了严格执行配合比， 保证原材料的称量准确， 采用两次拌合两 次运输的方法进行施工 ， 试验证 明细骨料 的含水 率控制在 4 一 6 时， 在第一次运输时可减少工作面的粉尘。 3 2 施工机具 搅拌 机 ： 洞内外搅 拌机采用 J w 一 3 7 5型强制式搅 拌机 ， 它 有利于减少工作面的粉尘， 改善工人工作环境， 降低最具有活 性的水泥细颗粒 的损失 。 3 3 施工要求 ( 1 ) 经过实践证明， 喷射作业符合要求对保证混凝土质量 和减小回弹起着很 关键 的作 用 。喷 嘴至受 喷面 的作业距 离一 般控制在 0 81 0 m， 喷嘴与受喷面保持垂直。但也有特殊情 况， 当需要穿过钢筋喷射时， 应与垂直面稍偏一个小角度， 这样 可以获得较好的握裹效果和有利于排除回弹物。喷嘴的移动 轨迹应保持螺旋型， 利于均匀。一次喷射厚度应适量 ， 以喷射 混凝土不产生滑移、 坠落为好， 若喷层太厚会对喷射混凝土的 凝聚力和粘结力产生影响， 若喷层太薄会增加回弹。一次喷射 最适宜的厚度为： 喷射方向向上为5 O 7 0 l l l l n 、 水平为7 O1 0 0 咖 、 向下为 1 0 01 5 0 mm。 ( 2 ) 水泥预水化， 采用干喷法施工时 ， 需要将集料水泥先混 合再加入喷射机。所选用集料的含水率一般要控制在 4 一 6 ， 这种预先润湿的骨料的优点在于能够大幅度减少灰尘和 干料通过管路时所产生的静电现象。但是， 水泥与潮湿集料保 持接触时 ， 就会发生预水化， 因此 ， 会延缓凝结时间和降低强 度。在掺人和不掺入速凝剂的喷射混凝土中这种现象均会发 生， 而且随着停放时间增加， 强度降低越多。加速凝剂加速水 泥预水化( 图2 ) 表 明， 在同等集料含水率的条件下， 加入 4 ( 占水泥重) 速凝剂的混合料在喷射前停放2 h强度降低4 0 。 而不掺速凝剂的混合料喷射前停放 2 h ， 强度才降低 1 0 左右。 为了降低水泥的预水化， 顶山隧洞工程采用二次拌合干料 的方法 ， 在喷射混凝土喷射前掺入速凝剂进行搅拌可以大大降 低水泥的预水化 ； 每次施工前计算喷射混凝土的用量， 做到“ 随 时喷护、 随时拌合” 的原则 ， 尽量减少拌合料的停放时间。 2 4 2 0 蓍1 6 赠 l 2 8 4 龄期 ( d ) 1 一无停放 ； 2 停放 3 0 ra i n ； 3 一停放 1 2 0 m i n 图 2 加速凝 剂的干料停放 时间对强度的影响 ( 3 ) 回弹量的调整。回弹产生是不可避免的， 当混凝土喷 射于坚固表面、 钢筋或喷射集料颗粒本身在喷射过程中相互碰 撞， 就会从受喷面弹落下来。回弹量的大小与多种因素有关， 与使 用空压机的压力 、 喷射部位和角度 、 水和泥 的用量 、 集料最 大尺寸和级配 、 钢筋 数量 和层厚等都有关 。 在喷射时， 喷射回弹率随着喷射层厚增大不断减小， 刚开 始喷射时回弹率较大 ， 当喷射混合物形成塑性层后， 粗集料嵌 入就相对容易， 回弹就会逐渐减小 ， 因此， 顶山隧洞喷射混凝土 一 次喷射厚度要求为不得小于 5 c m。 ( 4 ) 喷射混凝土的力学性能。由于水泥颗粒与集料以高速 喷向受喷面时， 会产生重复猛烈冲击， 这样就使喷射层得到连 续压密， 在此基础上， 混凝土采用较小的水灰比， 就使得喷射混 凝土具有较高的抗压 和抗拉强度。 ( 5 ) 顶山隧洞工程由于围岩属于白色砂岩， 在施工中极易 出现开挖表面含水率变化而引起较大塌方的现象； 喷射混凝土 及时地封闭了开挖的围岩， 能有效解决因开挖造成围岩表面含 水率的变化而造成 的塌方现象 。 4 应 用效 果 及结 论 顶山隧洞喷射混凝土施工过程中， 根据实际施工条件， 不 断完善施工方法 ， 提高了初期支护施工速度及安全性。 喷射混凝土作为一种施工便捷的方法， 明显提高了生产效 率， 有效缩短了软岩隧洞一次支护施工时间， 提高施工安全性。 喷射混凝土施工方法以其良好的抗冻性能、 抗渗性能、 较高的抗 压强度和抗拉强度越来越得到广泛应用。 ( 编校： 王字霞) 收稿 日期 ： 2 0 1 1 0 6 2 2 作者简介： 朱国建( 1 9 7 9 一 ) ， 从事水利工程建设与管理工 作。 彤 =一 哪 m