喷射钢纤维混凝土在高地应力区大型地下洞室一期支护中的应用.pdf

第 2期 2 0 1 0年 2月 广东水利水 电 GUANGD0NG W ATER RES0URCES AND HYDROPOW ER No 2 F e b 2 01 0 喷射钢纤维混凝土在高地应力区大型地下洞室 一 期支护中的应用 刘 永 胜 ， 梁娇 ( 中国水 电六局官地施工局 ， 四川 盐源6 1 5 7 0 4 ) 摘要 ： 结合 官地水 电站地下厂房 工程 实例 ， 介 绍在 高地应力 区大型地 下洞 室一期 支护 中喷射 铜纤 维混凝 土取得 成功 ， 以 及对铜纤维的技术要 求和具 体的施工工 艺， 具有广阔的推广应 用前 景。 关键词 ： 铜 纤维 ； 韧性 ； 体积率 中图分类号 ： T u 5 2 8 2 文献标 识码 ： B 文章编号 ： 1 0 0 8 0 1 1 2 ( 2 0 1 0 ) 0 20 0 1 5 0 2 引言 钢纤维混凝土是在普通混凝土 中掺入乱向分布的 短钢纤维所形成 的一种新 型的多相复合材料。这些 乱 向分布的钢纤维能够有效地阻碍混凝 土内部微裂缝 的扩展及宏 观裂缝 的形成 ， 显著地改善 了混 凝土 的抗 拉 、 抗弯 、 抗冲击及抗疲劳性能 ， 具有较好 的延性 ， 是 目 前 国内外 比较先进的外掺料 。喷射钢纤维混凝 土是通 过管道输送装置在高压作用下将 掺入钢纤维 的混凝土 拌和物高速喷射到施工作业面的一项技术 ， 同一般喷射 混凝土相 比， 它具有韧性好 、 适应 变形 能力强和 良好 的 抗渗性 、 耐久性等优点， 起到代替钢筋网或钢筋的作用 ， 并与围岩及时 、 完全结合 ， 充分发挥 围岩 自承能力 ， 从而 减小 岩变形 ， 达到围岩稳定 ， 不但技术先进 、 施lT速度 快 ， 同时具有较好的施工安全性 ， 经济上也较合理 ， 已在 建筑 、 路桥 、 水工等工程领域得到广泛的应用 。本文 结合官地水电站地下厂房的施工工艺 ， 对喷射钢纤维混 凝土在高地应力 大型地下洞室一期支护 的应用研究 进行 介绍 。 1工程概 况 官地水电站位于雅砻江干流下游 ， 系雅砻江卡拉至 江 口河段水电规划 5级开发方式 的第 3个梯级 电站 ， 其 引水发电系统采用右岸地下厂房布置方案 ， 主厂房布置 在大坝轴线下游右岸山体 内， 采用单机单管供水 ， 最大 开挖尺寸为 2 4 3 4 4 m 3 1 1 0 m X 7 6 3 0 m( 长 宽 高 ， 下同) ， 尾调室最大开挖尺寸为 2 2 1 i- n2 1 5 m7 6 5 m。 位于斜坡应力集 中带 ( 紧密挤压带 ) 以内， 置于新鲜 的 P 13 角砾集块熔岩 和 P B 。 层斑状玄武岩 中， 总体 岩石坚硬 ， 地应力高 ， 大致在 2 53 5 MP a之 间， 存在岩 爆现象 ， 因洞室处于地下水位 以下 ， 并有裂隙承压水分 布 ， 地下水较丰富， 施工难度较大 。根据工程地质情况 及相关要求 ， 在施工时 ， 原设计 方案主厂房和尾调室一 期支护均采用挂钢筋网喷混凝土锚喷施工工艺， 挂钢筋 网喷混凝土工艺为施工中均采用先素喷一层 ， 再挂钢筋 网， 然后再喷一层素混凝土的方式 ， 施工工序多 、 验收程 序多 、 占用施工时间长， 而且钢筋 网外层的素混凝土很 容易在高拉应力状 态下遭受破坏。为 了保证高应力高 边墙地下洞室的稳定及一期支护及时有效 ， 经试验验证 后将主厂房和尾调室 中下部调整为 了喷钢纤维混凝土 的锚 喷支 护施 工工 艺 。 2喷射 钢纤 维混 凝土 2 1 对钢纤维的基本要求 为了达到最佳施工质量及相关要求 ， 在进行喷射钢 纤维混凝土施工时， 对钢纤维的几何参数及体积率都有 具体的要求。 2 1 1 钢纤维的几何参数 根据纤维增强机理 的各种理论 ， 诸如纤维 间距理 论 、 复合材料理论和微观断裂理论 ， 以及大量的试验数 据 的分析 ， 纤维的增强效果主要取决 于基体强度 、 纤维 的长径 比、 纤维的体积率 、 纤维与基体间的粘结强度 ， 以 及纤维在基体中的分布和取 向的影响 。试验表明 ， 钢纤 收稿 日期 ： 2 0 1 0 0 1 0 6； 修 回 日期 ： 2 0 1 0 0 l 一 2 6 作者简介： 刘永胜( 1 9 7 9一) ， 男 ， 本科， 丁程师， 主要从事水利水电地下引水发电系统工程施T管理与施工技术研究。 1 5 2 0 1 0年 2月 第 2期 刘永胜 ， 等 ： 喷射钢 纤维 混凝土在高地应力 区大型地下洞室一期支护 中的应用 N o 2 F e b 2 0 1 0 维长度在 1 5 6 0 ra m、 直径或等效直径在 0 31 2 m m、 长径比在 3 01 0 0的范围内选用 ， 其增强效果和施工性 能可满足要求口 。不同的钢纤维混凝土结构中选用的 钢纤维不同。 2 1 2 钢纤维的体积率选用范围 普通钢纤维混凝土 的纤维体积率 在 1 2 之 间， 较之普通混凝土而言 ， 抗拉强度提高 4 0 8 0 ， 抗弯强 度提 高 6 0 1 2 0 ， 抗 剪 强 度 提高 5 0 1 0 0 ， 抗压强度提高 幅度较小 ， 一般在 02 5 之问 ， 但抗压韧性却大幅度提高。体积率过小， 其增强作用较 差 ； 钢纤维体 积率过大 ， 拌 和物 的和易性变差 ， 施工困 难， 质量难以保证。因此 ， 确定钢纤维掺入量时根据钢 纤维的性能 、 混凝土结构对增强效果 的要求及经济合理 的原则选定。结构对增强要求低时可选用低值 ， 结构对 增强要求较高时可选用高值。 2 2 配合 比设计及要求 因喷射钢纤维混凝 土施 工作业 面集 中， 喷射方量 大， 在施工时均采用 A l i v a 湿喷机进行施工。 2 2 1 配合 比设计 地下厂房及尾调室一期 支护喷混凝 土设计强度均 为 C 2 5混凝 土， 其设计配 合 比为： P O 4 2 5水泥 5 0 0 k g ； 人工砂 9 7 8 k g ； 51 0 m m瓜米石 6 5 2 k g ； 减水剂 3 7 5 k g ； 速凝剂 1 7 5 k g ； 钢纤维 6 3 k g 。 2 2 2 有关要求 1 ) 钢纤维参数及掺量 ： 采用冷拔型钢丝纤维 ， 钢纤 维外形采用两端弯钩型， 以取得最佳握裹效果 ， 钢纤维 抗拉强度不小于 9 5 0 M P a ， 直径 D= 0 5 0 7 5 mm， 长度 L： 3 0 3 5 ram， 长径 比 L D4 0 ， 喷钢纤维混凝 土的钢 纤维混凝土含量为 6 3 k g m 。 2 ) 水泥 ： 根据 G B I 7 5 2 0 0 7 通用 硅酸盐水 泥 将 于 2 0 0 8年 6月 1日起取消 P 0 3 2 5 、 3 2 5 R的文件 内 容 ， 故本配合 比试验选用普通硅酸盐水泥， 强度等级为 P 04 2 5。 3 ) 砂 ： 采用硬质 、 洁净 的人工 中砂 ， 细度模数 控 制在 2 5 3 3之间。 4 ) 瓜米石： 质地坚硬的人工碎石均可 ， 粒径控制在 51 0 ra m之 间 。 5 ) 水 ： 只要不含影响水泥正常凝结硬化及对纤维 和基体有腐蚀作用 ( p H 4的酸性水 和按 S 0 计 的含 硫量超过水量的 1 ) 的有害物质的水均可。 6 ) 外加剂： 采用 Y S PA型高效减水剂， 推荐掺量 为 0 7 5 ； 采用 Y S P一 8 B液态速凝剂 ， 推荐掺量为 2 4 。 1 6 2 3喷射钢纤维混凝土施工 2 3 1 喷射前岩面处理 在喷射钢纤维混凝土前 ， 用喷头高压风加水吹洗掉 岩石表面爆破后附着 的粉尘及其他杂物， 使岩面处于饱 和状态 ， 以增加钢纤维混凝土与岩面的黏结力。 2 3 2喷射过程控制 1 ) 喷射距离和喷射方向： 喷射混凝土时， 喷嘴要保 持与岩面距离 0 61 0 m， 喷射方 向大致垂直于岩表 面 。 2 ) 工作风压 ： 根据湿喷机与作业面的距离 ， 工作风 压应满足喷头处的压力在 0 1 MP a左右。 3 ) 一次喷射厚度及速凝 剂掺量 ： 一 次喷射厚度主 要取决于钢纤维混凝土的内聚力和它与岩面的黏结力 。 一 次最佳喷射厚度顶拱部位控制在 4 e ra， 边墙部位控制 在 5 6 e ra。顶拱部位速凝剂掺量为 5 ， 边墙部位为 4 。 4 ) 喷射顺 序及方法 ： 喷射混凝 土作业要分段分片 依次进行 ， 喷射顺序 自下而上 ， 分层喷射时 ， 后一层要在 前一层混凝土终凝前进行 ， 若终凝 1 h后再行喷射 ， 要选 用风水清洗层面。 喷射混凝土作业要严格遵守喷射机的操作规程： 要 连续 向喷射机供料， 保持喷射机工作风压稳定 ； 因故 中 断喷射作业时 ， 要将喷射机和输料管 内的积料清除干 净。 5 ) 喷射混凝土的养护 ： 喷射混凝土终凝 2 h后一般 喷水养护； 养护时间不得少于 7 d ； 气温低于 5 时 ， 不喷 水养护。 3 施工质量控制与管理 3 1 材料管理 材料质量直接影响喷混凝土的各项性能 ， 因此每次 喷混凝土作业前 ， 需对骨料进行检测 ， 不合格骨料严禁 使用 ； 水泥、 硅粉及外加剂需定期试验。 3 2 人员管理 喷射手的操作水平 直接关 系到喷混凝土的效果。 因此施工单位对操作手进行考试选拔和实地喷射 ， 最后 优选出最佳喷射手担任操作手。 3 3回弹量控制 喷混凝土的回弹率在一定程度上反映了配合 比是 否合理、 骨料是否超径、 喷射手是否操作熟练等， 同时也 是控制成本的重要依据。实验人员对 回弹率进行了跟 踪测定 ， 并对配合 比作 了相应调整 ， 同时也对施工工艺 进行了改进和控制 ， 最终 回弹率控制约为 1 2 左右。 ( 下转第2 4页) 2 0 1 0年 2月第 2期 广东水利水电 N o 2 F e b 2 0 1 0 I删一 藐l 水灌t 一 毵 手 r一 南 i 。 j 1 f l 1 I l啊 。 ， 】 摹 ! I I i B j ； J ， 一 8r I n q 0： aB ： 3 n 。 ， B 。 5 ： s 2 图 7在 线 监 测 水 位 流 量 过 程 线 了效率 ， 解放劳动力。 4 结论 为了掌握实 时流量 变化， 探索全年 流量整 编新方 法 ， 四会水文站引进 了在线测流系统 ( HA D C P ) 。通 过对收集资料进行整理 ， 率定断面平均流速和指标 的流 速相关关系， 从而实现在线测流。相关关系按指标流速 分为高中低 3类 ， 中高流速时相关性较好 ， 随机误差较 低 ， 低流速则相对较差。水流流向、 漂浮物等都会对断 面平均流速和指标流速 的相关性产生影响。为 了提高 精度 ， 可以对相关关 系进行修正并对 回波进行处理 。采 用在线测流 ， 不但可以实时监测断面流量变化情况 ， 还 改变整编工作方式 ， 提高工作效率。 参 考文献 ： 1 张华章 用水平声学多普勒流速剖面仪构建流量自动监测 站 J 水利水文 自动化 ， 2 0 0 3 ， ( 4 ) 2 王业英 ， 胡明， 卜贤辉 利用 H A D C P实现二河闸流量 自动 检测的可行性分析 J 水利水文自动化， 2 0 0 4 ， ( 1 ) 3 杜 耀 东 ， 宋 星原 ， 王 俊 H A D C P在 复杂 环境 下 的应用 J 人 民长江 ， 2 0 0 8 ， ( 3 ) ( 本 文责任编辑马克俊 ) ( 上接 第 1 6页) 3 4 强度质量控制 要求每次喷射作业都要进行试件取样 ， 每组 3个试 件， 试件来 自现场 喷射 的实验大板 。在配合 比设计 阶 段 ， 进行 了3 d 、 7 d 、 2 8 d强度试验。 3 5 钢纤维混凝土厚度控制 钢纤维混凝土的厚度 控制 ， 一方 面要满 足设 计要 求 ， 另一方面因其混凝土成本较高 ， 施工时应尽量减少 超喷。一般情况下 ， 喷混凝土厚度采用钻取芯样检查 ， 由于工期紧 ， 交叉作业 ， 取样较为困难 ， 因此采用施喷前 在喷面埋设标志物的做法 ， 埋设数量基本能反映喷层厚 度 。 4结语 官地水电站地下引水发 电系统工程在一期支护中 共喷射钢纤维混凝土 3 9 4 0 m ， 它 的使用对降低工程成 本、 提高工程质量和加快施工进度起着积极的作用 ， 并 有良好的经济效益 ， 代替 “ 新奥法 ” 中传统 的网喷支护 2 4 取得了良好效果。喷射钢纤维混凝土高地应力区大型 地下洞室工程 中的成功应用表明 ： 喷钢钎维混凝土的支 护方式不但能替代网喷的主要性能和作用 ， 而且具有支 护快速、 及时 ， 以及喷层混凝土力学性能优 良和围岩黏 结强度高等特点 ， 同时能够快速对揭露的岩体 进行约 束 ， 避免岩爆现象的发生 ， 为地下大型洞室施工安全及 加快施工进度提供 了技术保证 。因此， 钢纤维混凝土在 高地应力区大型地下洞室工程 中具有广阔的应用前景。 参考文献 ： 1 高丹盈， 刘建秀钢纤维混凝土基本理论 M 北京： 科学 技术文献 出版社 ， 1 9 9 4 2 罗章 ， 李启 月 ， 凌 同华 钢 纤 维混 凝 土 的工程 应用 研 究 J 江西有色金属， 2 0 0 3 ， ( 2 ) ： 1 21 5 3 安典新 湿喷钢纤维混凝土在某水电站导流洞工程中的 应用 J 农业科技与信息， 2 0 0 9， ( 1 4 ) ( 本文责任编辑罗睿)