鋼纖維噴射混凝土在某水電站引水隧洞工程施工中的應(yīng)用

　　［摘要］鋼纖維混凝土作為一種新型復(fù)合材料，已成為混凝土科學(xué)發(fā)展的一個(gè)方向，并以其良好的抗裂性、彎曲韌性、抗托與抗彎強(qiáng)度等性能，正廣泛應(yīng)用于各類(lèi)工程建設(shè)領(lǐng)域。本文根據(jù)某水電站引水隧洞的地質(zhì)條件及施工現(xiàn)狀，提出對(duì)Ⅳ類(lèi)圍巖洞段可用鋼纖維噴射混凝土替代網(wǎng)噴混凝土的支護(hù)處理方案，在實(shí)際施工過(guò)程中取得了良好的效果。 

　　［關(guān)鍵詞］Ⅳ類(lèi)圍巖網(wǎng)噴混凝土 鋼纖維噴射混凝土 效果評(píng)價(jià)

　　1 工程概況

　　某水電站位于四川省境內(nèi)的木里河（雅礱江支流）上，是木里河六個(gè)梯級(jí)電站中的第三級(jí)。該水庫(kù)采用低閘引水式發(fā)電，電站裝機(jī)4 臺(tái)，單機(jī)容量60MW，總裝機(jī)容量240 MW。電站樞紐工程由首部樞紐、引水系統(tǒng)、地面廠房系統(tǒng)等建筑物組成。引水系統(tǒng)由引水隧洞、調(diào)壓室、壓力管道組成。引水隧洞布置在右岸，從進(jìn)水口至調(diào)壓井，全長(zhǎng)18.7km，為有壓圓形洞，襯砌后的過(guò)水?dāng)嗝鏋?.2m（最大開(kāi)挖斷面達(dá)8.4m）。

　　2 引水隧洞區(qū)工程地質(zhì)條件

　　引水隧洞沿線出露巖性主要為奧陶系下統(tǒng)瓦廠組（O1W）板巖夾變質(zhì)石英砂巖、千枚巖，人公組（O1r）的變質(zhì)石英砂巖夾板巖、千枚巖，少量三疊系下統(tǒng)領(lǐng)麥溝組（T1l）的板巖夾千枚巖、硅質(zhì)板巖，志留系（S1）的板巖夾千枚巖、硅質(zhì)巖，巖層總體產(chǎn)狀：330°～320°SW∠30°～50°。引水隧洞沿線地層巖性以板巖夾千枚巖為主，部分為中厚～厚層狀變質(zhì)石英砂巖。

　　引水隧洞沿線發(fā)育4 條規(guī)模較大橫切隧洞的斷層—圓寶山斷層、尼都斷層、機(jī)落斷層、茶布朗斷層，破碎帶一般寬約20～40m，其中機(jī)落斷層寬達(dá)100～200m，由碎裂巖、糜棱巖、角礫巖、少量斷層泥組成。隧洞區(qū)層間剪切錯(cuò)動(dòng)帶及各類(lèi)結(jié)構(gòu)面均較發(fā)育，地層揉皺強(qiáng)烈。

　　由于該電站引水隧洞線路較長(zhǎng)，地質(zhì)條件相對(duì)較差，隧洞圍巖以Ⅳ類(lèi)、Ⅴ類(lèi)為主，占引水隧洞全長(zhǎng)的65%，為確保工程進(jìn)度和施工安全，根據(jù)不同的圍巖地質(zhì)情況，將Ⅳ類(lèi)圍巖洞段由原設(shè)計(jì)的網(wǎng)噴混凝土支護(hù)改為鋼纖維噴混凝土支護(hù)，取得了滿(mǎn)意的效果。具體內(nèi)容介紹如下：

　　3 鋼纖維噴射混凝土的力學(xué)性能及噴射方法選定

　　3.1 鋼纖維噴射混凝土的力學(xué)性能

　　鋼纖維噴射混凝土是在普通噴射混凝土的拌合料中加入一定量無(wú)定向分布的鋼纖維，經(jīng)噴射機(jī)和輸料管在噴頭處加入適量水（干噴法）后直接噴射到工程結(jié)構(gòu)物面上的一種混凝土施工工藝。這些無(wú)定向分布的鋼纖維起到了微型配筋的作用，能增強(qiáng)混凝土之間的握裹力和錨固力，從而有效地阻礙混凝土內(nèi)部微裂縫的擴(kuò)展及宏觀裂縫的形成，鋼纖維起到了代替鋼筋網(wǎng)或鋼筋的作用，顯著地改善了混凝土的抗拉、抗彎、抗沖擊及抗疲勞性能，具有較好的延性。由于采用高壓噴射工藝，在水源、集料的反復(fù)連續(xù)撞擊下而使混凝土擠壓密實(shí)，同時(shí)采用的水灰比較?。?.42），因而具有較高力學(xué)強(qiáng)效和良好的耐久性，尤其與混凝土、巖石有較高的粘結(jié)強(qiáng)度，非常適用于地質(zhì)條件較差的洞室和邊坡的噴射支護(hù)。

　　3.2 鋼纖維噴射混凝土方法的選定

　　噴射鋼纖維混凝土施工方法分干噴法和濕噴法兩種。干噴法施工特點(diǎn)：設(shè)備簡(jiǎn)單，易于施工，但施工環(huán)境粉塵大，混凝土水灰比不易嚴(yán)格控制，且材料回彈損失稍大。

　　濕噴法是將一定級(jí)配的混合料在攪拌機(jī)中加以攪拌均勻后的濕料經(jīng)噴射機(jī)及管道從噴嘴中噴出，其特點(diǎn)混凝土水灰比易控制，施工環(huán)境粉塵小，材料回彈損失少，但設(shè)備價(jià)格較貴。

　　經(jīng)綜合比較后，針對(duì)本電站施工特點(diǎn)，最終采用干噴法。

　　4 鋼纖維噴射混凝土的材料選定及配合比試驗(yàn)

　　4.1 材料選定

　?。?）鋼纖維：采用重慶宜筑商貿(mào)有限公司生產(chǎn)的普通碳鋼鋼纖維，長(zhǎng)度20～40mm，直徑0.53～0.57mm，長(zhǎng)徑比64，抗拉強(qiáng)度1 145～1 545MPa。該材料經(jīng)中國(guó)水電五局中心試驗(yàn)室檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果合格。

　?。?）骨料：采用現(xiàn)場(chǎng)紫坪公司生產(chǎn)的人工骨料，巖性以灰?guī)r為主。砂的細(xì)度模數(shù)FM=3.2，含泥量1．8%，級(jí)配良好；粗骨料粒徑規(guī)格為5～20mm，針片狀含量5．8%，壓碎指標(biāo)值6．8%，含泥量0.5%。 [Page]

　?。?）水泥：選用峨嵋水泥廠生產(chǎn)的普通硅酸鹽32.5R 水泥，規(guī)范要求鋼纖維混凝土水泥采用強(qiáng)度等級(jí)42.5MPa 普通硅酸鹽水泥，因峨嵋普通硅酸鹽32.5R 水泥的強(qiáng)度等級(jí)已經(jīng)達(dá)到42.5MPa 的指標(biāo)，故可以使用。

　　（4）礦物摻合料：混凝土中加入鋼纖維之后，其流動(dòng)性會(huì)變差，且為泵送施工，需利用礦物摻合料的疊加效應(yīng)，優(yōu)化攪拌、運(yùn)輸和施工工藝。粉煤灰能減少混凝上干縮和徐變；在保證混凝土強(qiáng)度不變的前提下減少水泥的用量，從而降低混凝土的水化熱。本工程摻用四川達(dá)竹煤電集團(tuán)生產(chǎn)的散裝Ⅱ級(jí)粉煤灰作為摻合料，其細(xì)度不大于20%，需水量不大于105%。

　?。?）速凝劑：選用昆明聲威外加劑有限公司生產(chǎn)的SW 紅星一號(hào)速凝劑。

　?。?）拌合水：可飲用自然水。

　　4.2 噴射素混凝土與鋼纖維噴射混凝土的對(duì)比試驗(yàn)

　　原素噴混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C20，于現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了配合比及28d 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)（見(jiàn)表1），鋼纖維混凝土配合比要考慮設(shè)計(jì)要求的抗壓、抗折等級(jí)，還要顧及施工方便。在常用的C20 泵送混凝土配合比基礎(chǔ)上，調(diào)整砂率，適當(dāng)增加膠凝材料的總量，共試拌A、B、C 三組配合比試驗(yàn)（見(jiàn)表2）。通過(guò)綜合比較試拌混凝土的抗壓、抗折強(qiáng)度、和易性、鋼纖維分布情況等，最終確定泵送鋼纖維混凝土配合比（見(jiàn)表3）。

　　在完成室內(nèi)試驗(yàn)，選定最佳配合比后，必須從原材料進(jìn)場(chǎng)檢測(cè)，混凝土攪拌站計(jì)量上料、拌合、出料坍落度檢測(cè)、混凝土試件留取、泵送混凝土運(yùn)輸、施工現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)、以及混凝土養(yǎng)護(hù)等工序入手，嚴(yán)格控制各道工序，確?，F(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量。

　　5 鋼纖維噴射混凝土的施工方法及效果評(píng)價(jià)

　　5.1 鋼纖維噴射混凝土的施工方法 [Page]

　　施工時(shí)采用分回次進(jìn)行噴射，每一段長(zhǎng)約3m 左右，每段間搭接長(zhǎng)30cm，每一噴層厚度3～5cm。為控制回彈率并提高混凝土與巖面的粘結(jié)強(qiáng)度，在噴前基巖面上噴一層約1cm 厚的水泥砂漿。噴射時(shí)，噴嘴距巖面約0.8～1.0m，噴射角度為70～90°。

　　5.2 鋼纖維噴射混凝土的效果評(píng)價(jià)

　　5.2.1 噴射質(zhì)量比較

　　由于隧洞圍巖地質(zhì)條件普遍較差，構(gòu)造發(fā)育，層間擠壓揉皺、錯(cuò)動(dòng)較強(qiáng)，光爆效果不夠理想，開(kāi)挖面起伏度較大，如果采用網(wǎng)噴混凝土，由于鋼筋網(wǎng)很難形成巖面輪廓，和巖面距離不易控制，而采用鋼纖維噴混凝土可以沿凸凹面均勻噴射，與巖面間粘結(jié)良好，支護(hù)質(zhì)量較高。

　　5.2.2 進(jìn)度安全比較

　　常規(guī)網(wǎng)噴混凝土作業(yè)，掛設(shè)鋼筋網(wǎng)的時(shí)間為網(wǎng)噴混凝土總時(shí)間的1/2，采用鋼纖維噴射混凝土，可節(jié)省掛網(wǎng)的時(shí)間，避免了在破碎巖體掛網(wǎng)的危險(xiǎn)，縮短了施工周期和設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間，同時(shí)，由于鋼纖維噴射混凝土具有較好的抗裂性能，能較好的適應(yīng)洞內(nèi)的變形，特別在破碎巖體部位，爆破后的及時(shí)支護(hù)，能以最快速度起到加固作用，更能保證施工安全。

　　5.2.3 性能比較

　　隧洞鋼纖維噴射混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)成果表明，鋼纖維噴射混凝土相比鋼筋網(wǎng)噴射混凝土其性能改善和提高了許多：

　　(1)鋼纖維噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度，在同等標(biāo)號(hào)情況下均比普通網(wǎng)噴混凝土要好得多。

　　(2)抗拉、抗折變形性能得到有效改善，一旦鋼纖維混凝土出現(xiàn)裂縫，鋼纖維的作用更加明顯，能發(fā)揮較好的阻裂作用。

　　(3)以往采用鋼筋網(wǎng)噴射混凝土存在集料回彈大以及施工易出空洞，鋼纖維噴射混凝土較好地解決了這些問(wèn)題。鋼纖維噴射混凝土具有較好的韌性，當(dāng)結(jié)構(gòu)受力達(dá)到極限強(qiáng)度后隨著變形的發(fā)展仍將保持一定的承載能力，它的韌性對(duì)圍巖的變形具有良好的吸收能力，有利于在與圍巖的共同變形中建立起新的平衡。

　　6 結(jié)語(yǔ)

　　（1）兩者僅從材料費(fèi)用考慮，鋼纖維噴射混凝土費(fèi)用較高，但鋼纖維噴射混凝土具有支護(hù)快速、及時(shí)，噴層混凝土力學(xué)性能優(yōu)良和圍巖粘結(jié)強(qiáng)度高等特點(diǎn)，這對(duì)確保施工安全、加快施工進(jìn)度都有顯著的效果；大大避免了鋼筋網(wǎng)對(duì)施工質(zhì)量、回彈以及巖面存在空洞等不利影響；省去了鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)的工序，提高了勞動(dòng)效率，無(wú)論從經(jīng)濟(jì)上還是技術(shù)上都具有一定的優(yōu)勢(shì)。

　　（2）采用鋼纖維噴射混凝土不僅抗折強(qiáng)度有所提高，而且韌性好，具有良好的吸收適應(yīng)變形能力，可防止巖塊的塌落，對(duì)圍巖的變形有很強(qiáng)的適應(yīng)能力。

　?。?）由鋼纖維噴射混凝土組成的襯砌結(jié)構(gòu)在防水性能和抗腐蝕能力方面有較大的提高，同時(shí)，它的施工工藝簡(jiǎn)單，不需增添設(shè)備，在地下洞室的支護(hù)中具有明顯的優(yōu)越性，值得推廣應(yīng)用。