气密性混凝土在松卜岭高瓦斯隧道衬砌中的应用.pdf

第 4 2卷 第 l 0期 2 0 I 1年 5 月 人 民 长 江 Ya n g t z e Ri v e r V0 1 ． 4 2． No ．1 0 Ma y， 2 01 1 文 章编 号 ： 1 0 01—4 1 7 9( 2 0 1 1 ) 1 0—0 0 4 4—0 3 气密性混凝土在松 卜岭高瓦斯隧道衬砌中的应用 邓 武 波， 刘 丰， 康 艳 军 ( 中铁十七局集团公 司 第五工程有限公司， 山西 太原 0 3 0 0 0 0 ) 摘要 ： 松 岭 隧道 穿越煤岩层 ， 为高瓦斯 隧道。为保证隧道的运行安全 ， 在隧道瓦斯设防段 须采用气密性混凝 土对坑道进 行全断面封闭式复合衬砌。通过 对隧道穿越的地质环境条件、 设计标准 、 气密性 混凝 土材料 以及 合理配合比的选择分析 ， 采 用室 内试件 测定方法对混凝 土试件 的透 气量进行 测定， 计算得 出透气 系数。对不 同衬砌 形 式 的混 凝 土 的 气 密性 进 行 了评 价 ， 结 果表 明 ： 气 密性 混凝 土在 隧道 衬 砌 中具 有 明 显 的抗 气 性 。不 仅 能在瓦斯隧道衬砌 中应用， 也可应 用于其他有较高防潮 、 防渗要求的工程 中。 关键词 ： 气密性混凝土 ；瓦斯隧道：衬砌 ；抗气性 ； 松 岭隧道 中 图法 分 类 号 ：T V 4 5 文 献 标 志码 ：A 当公路 、 铁路隧 道穿 越 的 山体 为含 有 瓦斯 气 体 的 煤层岩 体时 ， 隧道 的混 凝土 内衬应具有 很好 的气 密性 。 如果 隧道衬砌 不密实 ， 煤 层 中 的瓦 斯 以及其 他 有 害气 体将透 过衬砌 而泄漏 于 隧道 内， 当 瓦斯 气体 聚集 到一 定浓 度时 ， 将 会 引起 爆 炸 ， 给 隧道 施工 、 车 辆 运行 和旅 客 的生命财 产造成极 大 的危 害 。 松 b 岭 隧道位 于 山西 临汾 境 内， 隧道 全 长与 松 卜 岭煤 矿 2号煤 层 、 1 0号煤 层 分别 交 叉一 次 ， 由于松 b 岭煤矿采用房柱式开采 ， 其特点是残余煤柱较多， 采空 区空洞范 围容易产 生 瓦斯 聚集 ， 在施工过程 中， 极有 可 能 发生瓦斯 突 出等情 况 ， 所 以保证 隧道衬 砌 混凝 土 具 有 良好 的气 密性 至关 重 要 。该 隧道 按照 新 奥法 施工 ， 在 瓦斯 设 防段采用气 密性混 凝土对 坑道进行 全断面封 闭式复 合衬砌 ， 即初 期支 护采 用 锚 网 喷混 凝土 和 钢拱 架 ， 在地质 条件差 地段辅 以不 同形 式 的超 前支护 ， 二次 衬 砌为模 筑钢筋混 凝土 ， 初 期支护 、 二次衬 砌均采用 气 密 性混凝 土 ， 要 求 喷 射 混 凝 透 气 指 数 不 大 于 】 O 。 e m ／ s ， 二 次 衬 砌 混 凝 土 透 气 指 数 不 大 于 l O c m ／ s 。 形 成有效 的防泄漏 屏障 ， 以确保工 程和人身 安全 。 气密性混 凝土 是隧道 支护体 系的一个 重要组成 部 分 ， 是 在混凝土拌 和物 内加入 外加剂 ， 以改善混凝 土 的 微观 和亚微观结 构 ， 使混凝 土 中的孑 L 隙率降低 ， 从 而提 高其 密实率 、 抗渗性 和耐腐蚀 性 ， 使衬砌体 满足防瓦斯 渗透 的要求 ， 并 保证 不 降低 混凝 土 的强度 。由于 各种外加剂 的作用 机理 十分 复 杂 ， 掺 量要 求 又极 为严 格 ， 气密性混凝 土施工 质量 的关键 在 于正 确 的配合 比 和对 现场施工质 量 的管理 。 l 工程地质概况 国家 高速公路 青岛至兰州 公路 山西境 临汾至吉县 段 高速公路第 S I 1 合 同段 ， 松 l - 岭高 瓦斯 隧道 起讫 里 程 为左线 ， 长 2 4 0 4 m； 右 线长 2 3 9 6 m。该隧道全 长与 松 b 岭煤 矿 2号 煤层 、 1 O号煤层 分 别交 叉一 次 ， 为保 证整个 隧道施工 的顺 利进 行 ， 对 此 分别 进行 了地 质勘 探与 瓦斯 测定 。 煤层 瓦斯 及裂 隙瓦斯是该隧 道的主要工 程地质问 题 之一 。隧道 全线通 过松 } 、 岭煤 矿 ， 该 区可采 煤层 为 二叠 系山西组 2号煤 层及 其 下 的石炭 系太 原 】 O号煤 层 。 2号煤 层与 1 0号煤 层间距 6 0 ． 3 6～ 6 3 ． 2 1 m， 煤层 倾 角 7 。 ～ 8 。 ， 一般 含一层矸石 ， 局部含 l ～ 3层矸石 ， 夹 矸石岩性 以泥岩 、 炭质 泥岩 为 主 ， 直 接顶 板 为泥 岩 、 砂 收稿 日期 ： 2 0 1 0一l l一3 0 作者简介 ： 邓武波 ， 男， 副总工程 师， 高级工程师 ， 主要从 事铁路隧道 工程施工组织与管理工作。E—m a i l ： L f z t 1 7 5 @1 6 3 ． t o m 第 l 0期 邓武波 ， 等： 气密性混凝土在松 岭高瓦斯隧道衬砌 中的应用 4 5 岩 ， 顶 部为 中厚层 状 中 一细 粒 砂 岩 ， 底 板 为 泥岩 、 炭 质 泥岩 。采用短 壁 刀柱式 开 采 ， 回采 率 为 8 0 ％ 。该煤 层 有两个 区段 与隧道 相交 。钻探 揭 露 2号 煤层 平均 厚度 为 2 ． 3 m。该 煤层 已基 本采 空 ， 资源 已基 本 枯 竭 ， 该 煤 矿 目前 处于关 闭状 态 。 l 0号煤层倾角 7 。 ～8 。 ， 含 3层及 以下矸石层 ， 该 煤 层直 接顶板 为 中厚 层状 灰岩 ， 底 板 主 要 为 铝 土质 泥 岩 、 砂岩 ， 厚 2— 3 m。采 用短 壁 刀柱 式开 采 ， 回采 率 为 8 0 ％ ， 该煤 层有 两 个 区段 与 隧 道 相 交 于 ， 钻 探 揭 露 1 0 号 煤层平 均厚 度 为 2 ． 5 m。 根 据山西 省岩 石力 学 与工 程 学 会 、 太 原 理工 大 学 采矿研究所编制的《 松 卜岭隧道瓦斯安全性评 价》 所 得 之结论 ， 松 卜 岭 隧道有 6个 区段 ， 或穿 越采 空 区或 上 下邻近采空区， 属高瓦斯工 区， 且有瓦斯突出危险性 ； 其余 区段 中 ， 考 虑 2号煤 层与 1 0号煤 层之 间 的几层 较 薄弱煤 层 ， 有少 量 瓦斯溢 出。 2 隧道设计标准 松 卜 岭 隧道 为一 座上 、 下行 分 离 的 4车 道 高速 公 路 长隧 道 。隧道进 口位 于 曲线 上 ， 左 右 线 平 面 曲线 半 径均 为 1 5 0 0 m， 隧道 出 口位 于直 线上 。隧 道左右 线纵 坡 均为 2 ． 2 ％ 的单 向坡 。 隧 道衬砌 内轮廓 采用 半 径 为 5 4 3 ／ 7 9 3 c m 的三 心 圆 ， 内轮廓设 计高 程距拱 顶 高度 7 ． 0 6 4 m， 内轮 廓 最 宽 处为 1 0 ． 8 6 m。紧 急停 车带 内轮 廓根 据 停 车带 加 宽宽 度及 主洞 内轮廓 确定 ， 设 计 为五 心 圆 曲 边墙 结 构 。行 人横洞净空 ： 2 ． 0 m X 2 ． 5 n l ( 宽 X高) ； 行车横洞净空 ： 4 ． 5 m 5 ． 0 m( 宽 高 ) 。横 洞 内轮 廓 采 用单 心 圆 直 边 墙结 构 。 3 气 密性 混凝土的材料选定 与配合 比选择 ( 1 )原材料选定。① 水泥选用山西 中条山新 型 建材有 限公 司 的中条牌 P ． O 4 2 ． 5 ； ② 细骨料 选用 中砂 ( 河砂 ) ； ③ 粗 骨 料 采 用 5—3 1 ． 5 m m 连 续级 配 碎 石 ； ④ 水 采用饮 用水 ； ⑤ 气 密 剂 ， 采用 山西 凯迪 建 材 有 限 公 司 的 K D一1 0型混凝 土气 密剂 。 ( 2 )配 合 比选择 。气 密性混 凝土 是指 透气 系数不 大于 1 0 c m ／ s的混凝 土 。经 研 究 资料 显 示 ， 对影 响 混凝土气密性的因素进行 研究并得 出初步以下结论 ： 水 泥 品种 、 集 料级 配及 含 泥 量 、 集 料 的 最 大粒 径 、 水 灰 比、 混 凝土含 气量 、 养护 龄期 、 试件 测试 时含 水率 、 外加 剂 品种 及掺合 料 等 ， 均 对 混 凝 土 的气 密 性 有 不 同程 度 的影响 。 根据《 普通混凝土配合 比设计规程》( J G J ／ T 5 5— 9 6 ) 和《 新 型混 凝 土 及 其 施 工 工艺 》 进 行 设 计 ， 设 计 既 要满 足强度 和坍 落度 的要 求 ， 又 能 满足 气 密 性 和抗 渗 性要 求 。首 先 根 据 基 准 配 合 比进 行 不 同 的 配 合 比试 验 ， 然后分 别掺 人等 量 的气 密 剂 ， 观 察 结果 ， 以尽 量 降 低水 泥用量 来减少 收缩 为 出发 点 确 定 配合 比 ， 选 取 气 密性 最好且 满足 要求 的配合 比作 为施 工配合 比。 经过大量实验分析， 选取施工配合 比见表 l 。 表 1 C 2 5级 气 密 性 混 凝 土 配 合 比 4 气 密性 混凝土 的检测 混凝 土 的气 密性 用 透 气 系数 表 示 ， 透 气 系数 是 指 在 一定 压力 下 ， 一 定 时 间 内气 体 通过 混 凝 土单 位 面 积 的量 。对 于混凝 土透 气 系 数测 试 方 法 ， 一 般 采用 室 内 试 件 测定 和现场 原位 测 定 两 种形 式 ， 在 松 卜岭 隧道 工 程施 工 中进 行 的是室 内试件 测定 。 4 ． 1检测步骤 首先借 用 H S一4 0型 混 凝 土 抗 渗 仪 进 行 改 装 ， 将 抗 渗 仪上 的水泵 改成 气泵 ， 进水部 分 改成进气 部分 ， 再 给测 试模上 加一 密封 的带气 孔 的盖 ， 气 孔接测 压仪 器 。 混凝 土试件 尺寸 可 按 混 凝 土 抗 渗试 件 制 备 ， 上径 1 7 5 m m、 下径 1 8 5 mm、 高 1 5 0 m m 的圆 台体 ， 6块 为一 组 。 用石蜡密封在测试模 中， 试件成型后 2 4 h后用钢丝刷 刷 除两端 面水 泥浆膜 并 拆 模 养护 ， 经过 养 护 和 室 内晾 干后 ， 将试 件 的侧 面裹 上蜡 膜 ， 压 入 预 热 ( 约 5 0 c 【 = ) 过 的抗 渗试模 内 ， 并 立 即置 于试 验 压 力 机 上 加 压 ( 最 佳 荷载 1 5～ 2 5 k N， 若大 于 2 5 k N， 说 明蜡 膜太厚 ) 。卸压 取下试 件 ， 在合格 试件 顶部 边缘 涂抹肥 皂水 ， 并把 6块 试件依次安装在透气测试仪 内。开动空压机 ， 若试件 边缘 不起泡 ， 说 明密 封 良好 ， 若起 泡 ， 要 重新裹 蜡 ， 重新 安装 直至 检查不 漏气 为止 。 试件 安装好 后 ， 开 动空压 机加 至 0 ． 3 M P a ， 经稳 压 6 h后 ， 开始 测 读 透气 量 。然 后每 隔 0 ． 5 h测 读 一 次 ， 直到连续两 次的透气量读数差不大于平均值 的 1 0 ％ 时止 ， 其两次透气量的平均值 ， 即为试件的 0 ． 5 h透气 量 。0 ． 3 MP a压 力下 的透 气量测 完后 ， 继续加 压至 0 ． 6 MP a ， 用 上 述 方法 记 录 0 ． 6 MP a压 力 下 的透 气 量 。在 压力 机上将 试件从 试 模 中取 出 ， 清 除试 件上 松 动 的蜡 膜 ， 将 试件 重新裹 蜡后 ， 放人 抗渗 仪测其 抗渗性 。 施 工缝 气密性 的测 试 则是 在 混凝 土 硬 化 两周 后 ， 采 用 现场原 位 检 测法 或 取 芯 样 检测 法抽 点 检 测 ； 每 3 条施 工缝或 每 1 0 0延米 ( 纵 缝 ) 制 作 1组 ( 6块 ) 检查试 4 6 人 民 长 江 2 0 1 1盎 件 。施工工 艺变化 时 ， 另做 1组 。 检测结果 见表 2。 表 2 松 卜岭 隧 道 气密 性 检 测 结 果 注 ： 共 检 测 4 0段 ， 表 中 只 列 出其 中 2 0段 。 4 ． 2透气系数计算 混凝土的透气系数可从每组 6块试件的透气量测 试 中， 舍 去最大 值和最小 值 ， 取 中间 4块 试件 的透 气量 平均值作为该组试件的透气量 ， 将透气量分别代人达 西公式 计算其透 气系数 ： K ： 2 LP2 T ． 旦 ( 1 ) =— — () P ～P；A 式 中， 为透 气系数 ， c m ／ s ； L为试件 厚度 ， a m； P 为施 压一侧气体压力 ， MP a ； P 为测流一侧气体压力 ， MP a ； A为透 气面积 ， a m ； Q为平 均单位 时间透气 量 ， a m ／ s ； y 为空气单 位容积重 量 ， 取 1 ． 2 0 51 0 N ／ e ra ’ 。 根据设计要 求 ， 松 卜 岭 隧 道模 筑混 凝 土设计 强度 为 C 2 5 ， 透 气系数 不大 于 1 0 c m ／ s ， 喷 射混 凝土 设计 强度为 C 2 5 ， 透气 系数不大 于 1 0 。 c m ／ s ， 气 密性 合格 。 5 结 语 正确 的配合 比设计是 保证气 密性混凝土质 量的前 提条 件 ， 但影 响气密性混 凝土质量 的因素是多方 面的 ， 要 把正确 的配合 比设 计付 诸 于施 工实 践 ， 关键 在 于施 工 管理和施 工操作 人员 的技 术 业务 水平 。 因此 ， 认 真 加强现场施工质量管理 ， 并制定相应 的切实可行的有 效措施是 保证气 密性混凝 土质量 的关键所 在 。 混凝 土气密性 的测试反 映了混凝土透 气能力 的大 小 ， 表达气 密性混凝 土与普通混 凝土的差别 ， 特别是在 松 卜 岭隧道衬砌 中的气 密性混凝 土明显起到抗气性作 用 。由此可见 ， 气密性 混凝 土 不仅 能在 瓦斯 隧 道 中应 用 ， 还能在有较高防潮及防渗要求的地下铁道和其他 工程 中应用 ， 具 有广 阔 的前 景。通 过松 卜 岭 隧 道工 程 气密性 混凝土 的施 工 ， 积 累 了大 量 的实 验数 据和 宝贵 经验 。从 检查试件 的实 验结 果表 明 ， 气 密性 全部 达到 设 计要求 。 参 考文献 ： [ 1 ] 中华 人 民共 和 国行 业 标 准 T B 1 0 1 2 0—2 0 0 2 ， 铁 路 瓦斯 隧 道技 术 规 范[ S ] ． 北京： 中国铁道 出版社， 2 0 0 3 ． [ 2 ] 王兴平． 华蓉山隧道 瓦斯防治与气密性 混凝 土的应用【 j ] ． 公路 ， 1 9 9 9( 1 1) ． [ 3 ] 王学森． 混凝土气密性原理与检测[ J ] ． 混凝土 ， 2 0 0 5 ， 1 8 3 ， ( 1 ) ． [ 4] 张帅， 李生申． 混凝土气密性研究[ J ] ． 企业 家天地 ， 2 0 0 8 ， ( 1 0) ． [ 5 ] 吕俊 团． 气密性 混凝土的测试 方法[ J ] ． 现代隧道技 术， 2 0 0 2 ， 3 9 ( 5) ． ( 编 辑 ： 赵 凤 超 ) Ap p l i c a t i o n o f a i r t i g h t c o n c r e t e i n l i n i n g p r o j e c t o f S o n g b u l i n g h i g h— — g a s — 。 c o n t e n t t u n n e l D EN G Wu b o ，L I U F e n g ，KA NG Ya n j u n ( T h e F if t h E n g i n e e r i n g C o ．L t d，C h i n a Ra i l w a y 1 7 B u r e a u G r o u p C o ．L t d，T a i y u a n 0 3 0 0 0 0，C h i n a ) Ab s t r ac t： Go i n g t hr o ug h c o a l—c o n t a i ne d r o c k s t r a t u m ，S o n g b u l l n g t un n e l i s a hi g h—g a s—c o nt e n t t u n n e 1 ．T o e n s ur e t he s a f e o p e r a t i o n o f t h e t u nn e l ，t h e g a s—pr e v e n t i o n s e c t i o n o f t h e t un n e l s h o ul d h e l i n e d i n f u l l C R O S S～s e c t i o n a l a n d c l o s e d c o mp o s i t e ma n ne r wi t h a i r t i g h t c o n c r e t e． By s e l e c t i n g a n d a n a l y z i n g t h e g e o l o g i c a l e nv i r o nme n t a l c o n d i t i o n s， d e s i g n c rit e ria， a i r t i g h t c o n — c r e t e ma t e r i a l s a n d r e a s o na b l e mi x pr o po r t i o n o f t h e t u n ne 1 ．we d e t e r mi n e d a i r p e r me a b i l i t y o f c ~ n c r e t e s p e c i me n s a n d c a l c ul a t e d p e r me a b i l i t y c o e ffi c i e n t s wi t h t he d e t e r m i n a t i o n me t h o d o f i nt e r i o r t e s t s pe c i me n s ．Th e r e f o r e，t h e a i r t i g h t n e s s o f c o n c r e t e wi t h t he d i ffe r e n t l i n i n g f o r ms i s e v a l ua t e d，a n d t h e r e s ul t s s h o w t ha t a i r t i g h t c o nc r e t e ha s o bv i o u s a i r r e s i s t a n c e i n t u n ne l l i ni n g，S O i t c a n h e a p p l i e d i n g a s t u n n e l a n d o t h e r p r o j e c t s w i t h r e q u i r e m e n t s o f h i g h e r mo i s t u r e—p r o o f a n d s e e p a g e c o n t r o 1 ． K e y wo r ds ： a J r t Jrg ht c o n c r e t e；g a s t u n ne l i l i n i n g；a i r r e s i s t a nc e；S o n g b u l i n g t u n ne l