濕噴鋼纖維混凝土在公伯峽水電站導(dǎo)流洞工程中的應(yīng)用

　　摘要：針對公伯峽水電站導(dǎo)流洞惡劣的地質(zhì)條件，開挖過程中采用了濕噴鋼纖維混凝土技術(shù)，用濕噴鋼纖維混凝土與錨筋樁聯(lián)合受力加固邊墻，用鋼纖維混凝土拱圈支撐代替現(xiàn)澆鋼筋混凝土。鋼纖維噴混凝土強(qiáng)度高，韌性好，適應(yīng)變形能力強(qiáng)，有良好的抗?jié)B性、耐久性，能充分發(fā)揮圍巖的自承能力，而且施工速度快，回彈率小，適應(yīng)巖面起伏能力強(qiáng)，施工安全，質(zhì)量好，經(jīng)濟(jì)上也較合理。隨著理論研究和實踐的不斷深入，鋼纖維混凝土?xí)玫礁訌V泛的應(yīng)用。

　　關(guān)鍵詞：導(dǎo)流洞 噴混凝土 鋼纖維混凝土 鋼纖維 公伯峽水電站

　　1 工程地質(zhì)簡介

　　公伯峽水電站右岸導(dǎo)流洞段總長721.021m，最大開挖斷面寬16m、高18.5m，洞內(nèi)Ⅳ、Ⅴ類圍巖段長共計365m，占隧洞段全長的51%，Ⅳ類圍巖巖體較破碎，風(fēng)化強(qiáng)烈，斷層帶常充填著無膠結(jié)的糜棱巖和破碎巖，Ⅴ類圍巖處于古全風(fēng)化的花崗巖體中，巖性軟弱，巖體破碎，裂隙面充填膠泥，裂隙性潛水較發(fā)育，巖體開挖后，洞壁易松弛卸荷，自穩(wěn)時間短。導(dǎo)流洞上擴(kuò)開挖貫通后，設(shè)計單位考慮到導(dǎo)流洞下臥開挖時Ⅳ、Ⅴ類圍巖邊墻的穩(wěn)定及導(dǎo)流洞塌方區(qū)鎖口加固需要，將局部地段由原設(shè)計的網(wǎng)噴混凝土改為鋼纖維噴混凝土。經(jīng)實踐應(yīng)用，濕噴鋼纖維混凝土在噴射混凝土生產(chǎn)、噴射、質(zhì)量、安全等方面較干噴鋼筋網(wǎng)混凝土具有明顯的優(yōu)勢。

　　2 鋼纖維噴混凝土的應(yīng)用原理

　　噴射混凝土中摻入鋼纖維，為混凝土提供了微型配筋，可增強(qiáng)與混凝土之間的握裹力和錨固力，顯著提高混凝土的抗裂性、延性、韌性及抗沖擊能力。同一般噴射混凝土相比，它具有韌性好、適應(yīng)變形能力強(qiáng)和良好的抗?jié)B性、耐久性等優(yōu)點(diǎn)，起到代替鋼筋網(wǎng)或鋼筋的作用，并與圍巖及時、完全結(jié)合，充分發(fā)揮圍巖自承能力，從而減小圍巖變形，達(dá)到圍巖穩(wěn)定，不但技術(shù)先進(jìn)，施工速度快，同時具有較好的施工安全性，經(jīng)濟(jì)上也較合理。

　　3 濕噴鋼纖維混凝土配合比設(shè)計

　　3.1 導(dǎo)流洞鋼纖維噴混凝土支護(hù)設(shè)計意圖

　?。?）公伯峽水電站導(dǎo)流洞進(jìn)口段發(fā)生冒頂塌方后，根據(jù)地質(zhì)資料分析，塌方區(qū)上游端有f104、f26斷層通過，下游端有f25、f29、f33斷層通過，為防止圍巖進(jìn)一步變形引起新的塌方，塌方區(qū)上下游端部急需鎖口加固，即架設(shè)鋼拱架部位全斷面采用噴射鋼纖維混凝土代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼筋混凝土，將鋼拱架埋入鋼纖維混凝土中，噴射厚度平均50cm，使鋼拱架和鋼纖維混凝土共同形成混凝土支撐拱。

　?。?）針對導(dǎo)流洞出口段Ⅴ類圍巖區(qū)邊墻開挖后圍巖自穩(wěn)時間短的特點(diǎn)，采取噴射10cm厚鋼纖維混凝土，節(jié)省支護(hù)時間，使邊墻巖體在自穩(wěn)時間內(nèi)及時得到加固。

　　3.2 材料選定

　　3.2.1 鋼纖維材料

　　對鋼纖維，首先進(jìn)行國內(nèi)外廠家質(zhì)量對比，同時參考了已建的二灘水電站等工程的實踐，并根據(jù)咨詢專家的建議，最終選定了比利時貝卡爾特公司生產(chǎn)的佳米克司ZP30／0.5型鋼纖維。ZP30／0.5型鋼纖維長度為30mm，直徑為0.5mm，長徑比為60，單根抗拉強(qiáng)度≥1100 MPa，兩端帶有彎鉤。

　　3.2.2 骨料

　　公伯峽水電站壩區(qū)下游有兩個天然的河床砂石料場，對料場取樣實驗檢測資料表明，粗細(xì)骨料均能滿足工程需要。另外，天然的河床卵石骨料外形圓滑，可泵性良好，能節(jié)約大量水泥，減少每立方米混凝土用水量，降低噴混凝土的干縮性，因此優(yōu)選天然骨料。骨料的級配和質(zhì)量要求按《實驗規(guī)范大綱》進(jìn)行。濕噴鋼纖維混凝土的粗骨料最大粒徑為15mm，級配良好；細(xì)骨料采用細(xì)度模數(shù)3.0的天然河沙。

　　3.2.3 硅粉

　　濕噴鋼纖維混凝土中摻加硅粉的主要目的是改善噴混凝土的可泵性和噴射性能。硅粉由極微細(xì)的顆粒組成，其微粒比表面積在20m²／g以內(nèi)，而普通硅酸鹽水泥的表面積為0.2～0.5 m²／g。摻加硅粉后，增強(qiáng)了混凝土的粘性，有效阻止了混凝土的離析，減少了噴射過程中堵管的可能性。噴混凝土粘性的增強(qiáng)，需要增加減水劑的用量，但可降低混凝土回彈量和速凝劑的用量。硅粉的摻加量應(yīng)通過實驗控制，摻加量太大容易造成噴混凝土面塑性干縮開裂。公伯峽水電工程導(dǎo)流洞鋼纖維噴混凝土使用的是青海民和鎂廠生產(chǎn)的硅粉，硅粉摻加量為膠凝材料用量的8%。

　　3.2.4 水泥

　　水泥選用青?；ブ鄰S生產(chǎn)的525號普通硅酸鹽水泥，經(jīng)檢驗，標(biāo)準(zhǔn)稠度、凝結(jié)時間、安全性等符合要求。

　　3.2.5 減水劑

　　選用天津外加劑廠生產(chǎn)的MF－2型減水劑，拌制混凝土?xí)r添加，添加量為0.4%，減水效果明顯，每立方米混凝土減少用水35kg。

　　3.2.6 速凝劑

　　選用天津外加劑廠生產(chǎn)的LD－991型液體速凝劑，由濕式噴射機(jī)添加，添加量為膠凝材料的4.5%。

　　3.3 配合比試驗

　　與普通噴混凝土相比，濕噴鋼纖維混凝土的配合比除了需要考慮到普通噴混凝土配合比設(shè)計因素外，必須考慮到噴混凝土的可泵性及混凝土在噴射面上的附著性。實驗人員首先在試驗室進(jìn)行配合比篩選，然后進(jìn)行實地噴射實驗。實地噴射實驗的主要目的是：①觀察噴混凝土對噴射面的附著性，即噴射面上的新鮮混凝土是否會塌落；②現(xiàn)場噴射混凝土大板，以便實驗取心樣檢測試件強(qiáng)度；③觀察噴混凝土中鋼纖維分布的均勻性；④測試濕噴鋼纖維混凝土的回彈率；⑤測試濕噴鋼纖維混凝土的可泵性。最初濕噴鋼纖維混凝土配合比沒有采用減水劑，配合比見表1。后根據(jù)28d強(qiáng)度分析及回彈測試，實驗人員對配合比中的水灰比及砂率作了調(diào)整，調(diào)整后的配合比見表2。

　　4 施工質(zhì)量控制

　　4.1 濕噴機(jī)的選用

　　根據(jù)國內(nèi)外濕噴機(jī)性能及價格對比，最終選定鄭州生產(chǎn)的康達(dá)牌濕噴機(jī)，濕噴機(jī)自配流量泵和儀表以控制液體速凝劑的用量，濕噴機(jī)出料能力為6m³／h。

   　4.2 工藝流程

　　按設(shè)計配合比將骨料、水泥、鋼纖維、硅粉等加入攪拌機(jī)中攪拌2min后，加入水和外加劑再攪拌5min，然后打入混凝土攪拌罐車中。

　　4.3 施工組織

　?。?）機(jī)具：攪拌機(jī)1臺，康達(dá)牌濕噴機(jī)1臺，攪拌罐2臺。

　　（2）人員：技術(shù)人員1名，工長、濕噴機(jī)操作員各1名，濕噴機(jī)輔助操作人員、司機(jī)各2名，工人8名。

　　4.4 施工方法

　　4.4.1 噴射前巖面處理

　　在噴射鋼纖維混凝土前，用噴頭高壓風(fēng)加水吹洗掉巖石表面爆破后附著的粉塵及其他雜物，使巖面處于飽和狀態(tài)，以增加鋼纖維混凝土與巖面的粘結(jié)力。

　　4.4.2 噴射過程控制

　　（1）噴射距離及噴射角度。噴頭與受噴巖面的垂直距離控制在0.8～1.0m，噴頭與受噴面的夾角應(yīng)控制在75°～90°。

　?。?）工作風(fēng)壓。根據(jù)濕噴機(jī)與作業(yè)面的距離，工作風(fēng)壓一般控制在0.3～0.4MPa。

　?。?）一次噴射厚度及速凝劑摻量。一次噴射厚度主要取決于鋼纖維混凝土的內(nèi)聚力和它與巖面的粘結(jié)力。一次最佳噴射厚度頂拱部位控制在4cm，邊墻部位控制在5～6cm。頂拱部位速凝劑摻量為5%，邊墻部位為4%。

　?。?）噴射順序及方法。噴射時應(yīng)按照分段、分部位、先邊墻、后頂拱順序進(jìn)行；邊墻的噴射順序為自下而上，頂拱的噴射順序為自拱腳至拱頂。噴射時噴頭應(yīng)作順時針方向旋轉(zhuǎn)。

　　4.5 施工質(zhì)量控制與管理

　　4.5.1 材料管理

　　材料質(zhì)量直接影響噴混凝土的各項性能，因此每次噴混凝土作業(yè)前，需對骨料進(jìn)行檢測，不合格骨料嚴(yán)禁使用；水泥、硅粉及外加劑需定期實驗。

　　4.5.2 人員管理

　　噴射手的操作水平直接關(guān)系到噴混凝土的效果。因此施工單位對操作手進(jìn)行了考試選拔和實地噴射，最后優(yōu)選出最佳噴射手擔(dān)任操作手。

　　4.5.3 回彈量控制

　　噴混凝土的回彈率在一定程度上反映了配合比是否合理，骨料是否超徑，噴射手是否操作熟練等，同時也是控制成本的重要依據(jù)。實驗人員對回彈率進(jìn)行了跟蹤測定，并對配合比作了相應(yīng)調(diào)整，施工單位也對施工工藝進(jìn)行了改進(jìn)和控制，最終回彈率控制為：邊墻約5%～7%，頂拱10%～12%。

　　4.5.4 強(qiáng)度質(zhì)量控制

　　要求每次噴射作業(yè)都要進(jìn)行試件取樣，每組3個試件，試件來自現(xiàn)場噴射的實驗大板。在配合比設(shè)計階段，進(jìn)行了3、7、28 d強(qiáng)度實驗。

　　4.5.5 鋼纖維混凝土厚度控制

　　鋼纖維混凝土的厚度控制，一方面要滿足設(shè)計要求，另一方面因其混凝土成本較高，施工時應(yīng)盡量減少超噴。一般情況下，噴混凝土厚度采用鉆取心樣檢查，由于導(dǎo)流洞工期緊，交叉作業(yè)，頂拱取樣又較為困難，因此采用在施噴前噴面埋設(shè)標(biāo)志物的方法，埋設(shè)數(shù)量基本能反映噴層厚度。

　　4.5.6 冬季施工質(zhì)量控制

　?、黉摾w維混凝土采用溫水拌制；②粗細(xì)骨料采用暖風(fēng)預(yù)熱；③對現(xiàn)場添加的液體速凝劑預(yù)熱，溫度不應(yīng)低于5℃；④噴射前作業(yè)面用高壓風(fēng)吹干凈，盡量避免用水清洗巖面；⑤混凝土攪拌運(yùn)輸車在作業(yè)現(xiàn)場等待的時間不宜過長；⑥為防止已噴混凝土由于氣溫低而上凍，拌制鋼纖維混凝土?xí)r應(yīng)加入適量的抗凍劑。⑦作業(yè)面噴射完成后，已噴混凝土面應(yīng)及時保溫，可加蓋保溫被或聚氯乙烯卷材。

　　5 濕噴鋼纖維混凝土在公伯峽水電站導(dǎo)流洞工程中的具體應(yīng)用

　　5.1 濕噴鋼纖維混凝土與錨筋樁聯(lián)合受力加固邊墻

　　公伯峽水電站導(dǎo)流洞出口段60m為古全風(fēng)化的花崗巖體，圍巖類型為Ⅴ類，邊墻開挖后自穩(wěn)時間較短，為及時控制圍巖變形，邊墻下臥開挖前，首先打安3.28、L=12 m錨筋樁，錨筋樁下傾25°，對邊墻實施預(yù)加固。邊墻開挖后噴5cm厚鋼纖維混凝土及時封閉巖面，然后打安12m錨筋樁，打安完畢后再噴射5cm厚鋼纖維混凝土，使噴混凝土厚度最終達(dá)到10cm。由于噴射鋼纖維混凝土代替了掛鋼筋網(wǎng)工序，為及時加固邊墻、限制圍巖變形節(jié)省了寶貴的時間。

　　噴射鋼纖維混凝土和錨筋樁聯(lián)合施工后，導(dǎo)流洞區(qū)域安裝的收斂計觀測數(shù)據(jù)表明，導(dǎo)流洞邊墻開挖后，頂拱及邊墻沒有出現(xiàn)較大變形。試驗室在出口段0680、0700、0710布設(shè)了3個收斂監(jiān)測斷面，每個監(jiān)測斷面布設(shè)5個測點(diǎn)，根據(jù)2001年3月9日～3月16日導(dǎo)流洞邊墻下臥開挖前后收斂儀觀測數(shù)據(jù)分析，相對收斂值均沒有超出容許范圍。觀測到的每日最大收斂值及最大相對收斂值見表3。

　　噴射鋼纖維混凝土和錨筋樁聯(lián)合作用，為古全風(fēng)化的Ⅴ類圍巖高邊墻（14 m）開挖后限制圍巖變形、保證邊墻穩(wěn)定提供了新的支護(hù)方式。

　　5.2 代替現(xiàn)澆鋼筋混凝土形成鋼纖維混凝土拱圈支撐

　　導(dǎo)流洞上游047～086樁號由于數(shù)條大斷層切割，上擴(kuò)開挖時發(fā)生了冒頂塌方，塌方后為及時對塌方區(qū)上、下游端鎖口加固，首先在塌方區(qū)上、下游端各10 m范圍內(nèi)打安了上仰60°、3.28、L=12 m的錨筋樁。打安完成后，按原設(shè)計意圖應(yīng)進(jìn)行混凝土澆筑鎖口，但考慮到混凝土澆筑的工序復(fù)雜、工期長，且對導(dǎo)流洞后期下臥開挖帶來較大的麻煩，因此設(shè)計單位修改為上、下游端各10m范圍內(nèi)噴射鋼纖維混凝土，噴射厚度約50cm，將已安裝的鋼拱架埋入鋼纖維混凝土中，使鋼纖維混凝土與鋼拱架聯(lián)合受力形成混凝土支撐拱，代替了傳統(tǒng)的鋼筋混凝土拱支撐，為塌方區(qū)端部鎖口及時加固贏得了時間。

　　6 濕噴鋼纖維混凝土的效果評價

　　6.1 質(zhì)量比較

　　公伯峽水電站導(dǎo)流洞出口段屬Ⅴ類圍巖區(qū)，開挖時光爆效果不夠理想，開挖面不平整度較大，如采用鋼筋網(wǎng)噴混凝土，由于鋼筋網(wǎng)不能緊貼巖面，造成噴混凝土不能與巖面均勻粘結(jié)，影響加固效果，同時將造成大量超噴。采用鋼纖維噴混凝土可以沿凸凹面均勻噴射，與巖石間粘結(jié)良好，支護(hù)質(zhì)量高，節(jié)省噴混凝土量。

　　6.2 性能比較

　　根據(jù)公伯峽水電站導(dǎo)流洞鋼纖維混凝土配合比所做的強(qiáng)度試驗成果表明，鋼纖維混凝土的抗折性能、抗裂性能、抗拉性能以及韌性，在同等標(biāo)號情況下均比普通網(wǎng)噴混凝土要好得多，說明了噴鋼纖維混凝土代替網(wǎng)噴混凝土的可行性及優(yōu)越性。

　　6.3 經(jīng)濟(jì)效益比較

　　與網(wǎng)噴混凝土相比，僅從材料費(fèi)用考慮，鋼纖維混凝土費(fèi)用較高，但綜合比較，鋼纖維噴混凝土更為經(jīng)濟(jì)。

　?。?）節(jié)省人工及工期。常規(guī)網(wǎng)噴混凝土作業(yè)，掛設(shè)鋼筋網(wǎng)的時間為噴混凝土總時間的一半，而且掛網(wǎng)時往往要占用高空作業(yè)車；采用鋼纖維噴混凝土，可節(jié)省掛網(wǎng)的人工、設(shè)備、時間，經(jīng)濟(jì)效益可觀。同時可避免在破碎巖體區(qū)掛網(wǎng)的危險。

　?。?）回彈率較小。公伯峽水電站導(dǎo)流洞普通噴混凝土回彈率邊墻約為15%，頂拱約為30%。而鋼纖維噴混凝土的回彈率邊墻為5%～7%，頂拱為10%～12%，較普通噴混凝土低10～18個百分點(diǎn)。

　　（3）在超挖面上作業(yè)時可減少超噴混凝土。由于公伯峽水電站導(dǎo)流洞出口段屬V類圍巖區(qū)，開挖時光爆效果不夠理想，巖面起伏差達(dá)40～50cm，若采用網(wǎng)噴混凝土，鋼筋網(wǎng)與巖面間空隙較大，噴射時需將空隙填平并將鋼筋網(wǎng)覆蓋，超噴混凝土量巨大；采用鋼纖維噴混凝土可以沿凸凹面均勻噴射，解決了超噴問題。

　　隨著對鋼纖維混凝土的理論研究的深入和在工程中的不斷應(yīng)用，積極探索和經(jīng)驗積累，相信今后鋼纖維噴混凝土在工程應(yīng)用上會越來越受到青睞。