喷射钢纤维混凝土在高地应力地下洞室群支护中的应用.pdf

第 O l 期 ( 总第 3 4 4期 ) 吉林水利 2 0 1 1 年 0 1月 文章编号】1 0 0 9 - 2 8 4 6( 2 O l 1 )0 1 - 0 0 3 0 - 0 4 喷射钢纤维混凝土 在高地应力地下洞室群支护中的应用 幸享林 ，陈建康 ( ) 1 1 大学水利水电学院，四川 成都6 1 0 0 6 5 ) 摘要】钢纤 维混凝土是一种新型的复合建筑材料 ，因其特殊的组成 结构 ，具有 良好的物理力 学性 能，并且施 工快速 、方便。高地应力条件下的地下厂房洞 室群开挖过程 中，常常有岩爆 产生。为 了有效抑制岩爆规模 。避 免产生 大的安全事故 ，需要对 围岩进行快速有效的 支护。喷射钢 纤维混凝 土应 用于某水电站地下厂房顶拱 和边 墙 的初期支护 ，对抑制岩爆 ，减小国岩初期 变形 ，发挥 了良好 的作 用。 关键 词】钢 纤维混凝土 ；水电站 ；地下洞室；支护 【 中图分类号 r v 4 3 1 3 文献标识码 B 1 钢纤维混凝土 的力学特性 钢 纤 维 混 凝 土 f S t e e l F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e )是在普通混凝土 中掺 入少量低碳钢 、不锈 钢 的纤 维 后形 成 的一 种 比较 均 匀 而多 向配筋 的新 型复合 建 筑材 料 。在 结构 受 荷初 期 ，水 泥基 料 与 纤维共 同承受外力 ；当混凝土开裂后 ，外力主要 由横跨裂缝的钢纤维承担。钢纤维较高的抗拉强 度 能 有效 阻 碍混 凝土 内部 微 观 裂缝 的扩展 和 阻滞 宏 观裂缝 的发 生和 发展 。 钢 纤 维混 凝 土特 殊 的组 成 结构 和 受力 机 理决 定 了它拥有 良好的物理力学性 能。它克服 了素混 凝土抗拉强度低 、极 限延伸率小和性脆的弱点 ， 具有较高的抗拉 、抗压、抗弯和抗剪强度 ，良好 的抗冲击 、抗裂和抗疲劳性能 ，并且韧性好 、适 应变 形能 力强 。 2 钢 纤维混凝 土材料的选用 2 1钢纤维 的选 用 钢纤维材料 的选用 主要涉及几何参数和掺量 的选用。在选取钢纤维几何参数和掺量时 ，要兼 顾拌和物 的施工性能 ，混凝土的阻裂、增 强、增 韧效果和工程 的成本。对于钢纤维混凝 土拌 和物 的施工性能 ，纤维短而粗 、长径 比小、掺量低有 利 ；对 于 钢 纤 维 混 凝 土 强 度 和 韧 性 ， 纤 维 细 而 长 、长径 比大、掺量高有利。对于施工有特殊要 求的如泵送混凝土 、湿喷法喷射混凝土 以及低流 态混 凝 土( 如 轨 枕 )钢 纤 维不 宜 太 长 ，掺 量 不 宜 太高 ：对于韧性要求较高或承受地震作用 、动力 荷载的情形 ，纤维宜长些、掺量宜高些。 钢 纤维 的长度 还 应 与 混凝 土 所用 骨 料 的粒 径 相匹配 ，不应小于骨料粒径的 1 5倍 。 根 据试 验研 究 和 国 内外 工 程 应用 经 验 对 不 同类别钢纤维混凝 土结构 ，推荐的常用钢纤维几 何 参数 选用 范 围如 表 1 所 示 。 钢 纤维 的最小体 积率 与纤维 的品种 特性有 关 ，一般不应小 于 O 3 5 ，对 于异形 高强纤 维 ， 不应小 于 0 2 5 。钢纤 维常用 体积率 为 O 8 一 1 5 。 另外 ，由于钢 纤 维 混凝 土 的破坏 主 要 是 钢纤 维 的拔 出 而不 是拉 断 ，因此 钢 纤 维 的增 强 效果 主 要取决于钢纤维与混凝土的粘结强度 。为 了提高 钢纤维的粘结强度 ，通常改变钢纤维的表面和形 状 。如 ：将钢纤维表面粗糙化或使截面呈不规则 收稿 日期2 0 1 0 - 0 9 - 2 5 作者简介】 幸享林( 1 9 7 9 一 )， 男。四川隆 昌人 从事水工结构设计和研究工作。 一 3 O一 吉林水利 喷射钢纤维混凝土在高地应力地下洞室群支护 中的应用 幸享林等 2 0 1 1年 O 1月 形 ，以增加与混凝土的接触面积和摩擦力 ；将钢 纤维表 面压 痕 ，或压 成波形 ，以增加 机械粘 结 力 ：将钢纤维两端制成弯钩或大头形 ，以提高其 锚 固力和抗 拔力 。 2 2水 泥 、细骨料 和 粗骨料 的选 用 在钢 纤 维 混 凝 土 中 ，常 用 的 水 泥 是 P 0 3 2 5 和 P 0 4 2 5号普 通 硅 酸盐水 泥 。钢纤 维 混 凝 土 的 水 泥用 量 比普 通 混 凝 土 水 泥 用 量 要 大 ，一 般 为 3 6 0 -4 5 0 k g m 3 。细骨料的细度模数对钢纤维混凝 土 的 强 度 及 和 易 性 有 一 定 影 响 。细 度 模 数 要 适 中 ，宜 选用 中粗砂 。 通 常选 用 碎 石 作 为 钢 纤 维 混 凝 土 的粗 骨 料 。 喷 射 用 钢 纤 维 混 凝 土 的粗 骨 料 粒 径 一 般 为 5 1 0 mm。如果粒 径 过大 ，不便 于钢 纤维 的分 散 ，并 且 喷射施 工 困难 ，质量难 以保 证 。 2 3外加剂 的选 用 在钢 纤维 混 凝 土拌 和过 程 中 使 用 较 多 的是 减水剂和速凝剂 。为改善拌 和料的和易性 。节约 水泥用量以及提高混凝土强度 。还可掺人一定量 的粉煤 灰或 硅粉 等混合 材料 。 3 喷射钢纤维混凝土施 工技术 在 地下 洞 室 和边 坡工 程 中 ，喷 射 混 凝 土施 工 方法分为 干喷法 和湿喷法两种 。干 喷法设备 简 单 ，易于施工 ，但是产生的水泥与细骨料粉尘较 大 ， 回弹量 也较 大 ，水 灰 比控 制 困难 ，质 量 控 制 也较困难。湿喷法施工环境粉尘小 、材料 回弹损 失少 ，水灰 比易控制 ，但设备价格较贵 ，维护 、 清 洗 较为 困难 。 因采 用 湿 喷法 的混 凝 土 质 量更 易 控制 ，重 大工 程一 般选用 湿喷 法 。 3 1 湿 喷 法施工 工艺 流程 首先 ，按现场试验确定 的设计配合比将粗骨 料 、砂、水泥、钢纤维 、硅粉等加入搅拌机中搅 拌 1 2 m i n ，然后加入水和外加剂 再搅拌 2 5 m i n ，最后泵送 入喷射机 中。配制过程 中 ，应控 制好钢纤维的添加顺序和数量 ，做到均匀分布不 成 团，以充分发挥钢纤维的作用 ，确保混凝土质 量 。 湿喷钢纤维混凝土工艺流程如图 1 所示。 图 1 湿 喷 钢 纤 维 混 凝 土 工 艺 流 程 3 2湿 喷法 施工 工艺 控 制 圆 1 )为增加喷层与岩石面的粘结强度 ，在喷射 钢纤维混凝土前 ，应先冲洗岩石表面 ，使岩面处 于饱和状态 ，然后在岩面上喷一层约 l c m厚的水 泥砂浆 。最后再喷射钢纤维混凝土。喷射混凝土 结束后 。需在表面喷 1 e m厚的砂浆保护层 。以提 高喷层 的平整度和保护面层裸露 的钢纤维。 2 )喷 射 时应 先 凹处 ，后 平 面 ， 自下 而 上 ，分 段 、分部位进行 。喷射时喷头应做小圆周旋转运 动 ，后一 圈压前一 圈，连续平稳 的移 动 ，以保证 混凝 土 表 面的平 整 。 3 2 3喷头 与受 喷岩 面的垂 直距离 宜控 制在 O 8 1 0 I n 。喷头与受喷面 的夹角应控制在 7 5 o 一 9 0 。 。根据湿喷机与作业面的距离 ，工作风压一般 控 制 在 0 - 3 0 4 MP a 。 4 )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粘结力 。一次最 佳喷射厚度 顶拱部位宜控制在 4 c m左右 ，边墙部位宜控制在 5 6 c m左 右 。 5 )应通过选用合理 的配合 比、骨料粒径 ，优 一 31 吉林水利 喷射钢纤维混凝土在商地应力地下洞室群支护中的应用 幸享林等 2 0 1 1 年 O 1月 化 施 工工 艺 射 回弹量。 4 工程实例 提高操作熟练程度等各方面控制喷4 1 1 水泥 某水 电站位 于雅砻 江下游 ，装机容量为 6 x 6 0 0 M W。发 电厂房位 于右岸 地下 水 平埋 深 约 1 0 0 -3 8 0 m，垂直埋深约 1 6 0 -4 2 0 m。厂房洞室 尺寸为 2 7 6 9 9 mx 2 5 6 0 m x 6 8 6 3 m ( 长 宽 高) ，吊 车 梁 以 上 开 挖 跨 度 为 2 9 2 0 m。 以下 开 挖 跨 度 为 2 5 6 0 m。 厂 区岩性为大理岩 ，f 1 3 、f 1 4断层横跨安装 间和 主 机间 。 断层 区为 弱风化 ，镶嵌 碎 裂结 构 ， 岩体嵌合较松弛。厂区构造应力与高 自重应力叠 加 ，造成天然状态下地应力量值偏高 。 地下厂区属于高地应力区，最大主应力 ， 值 超 过 3 0 M P a ，盯 的方 向 比较一 致 ，与雅砻 江 岸 坡 走 向大 角度相 交 ，与 厂房 轴 线在 水 平 面上 小 角 度 相 交 ，略 偏 下游 ，与 区域 应 力 场 方 向基 本 一 致 。 o r 的倾 角 变 化较 大 ，最 小 4 5 o ， 最 大 8 7 9 o ，但 总 体上中缓角度倾向雅砻江。中间主应力 ( r 2 量值一 般 l O 2 0 MP a ，在 不 同 的 区域 ，方 向不 同。 在 水 平 埋深 小于 2 0 0 m 的 区域 方 向一般 近 S N 向 。与 厂 房轴线夹角较大 ，中等倾角倾 向上游 ，对 厂房 、 主 变室 等洞 室围岩稳 定影 响较大 。 结合地下厂区地应力实测结果和岩体强度分 析 ，厂 房洞 室 群 多数 岩 石 强 度 应力 比 ( R 约 1 5 4 ，可 以判定为高 极高地应力 区。原始处 于 高 围压状态下 的岩体 。开挖后必将向临空面卸荷 回弹 ，从 而造 成 围岩 强烈 劈裂 破 坏 。预 测 部 分 洞 室 段 开挖 后顶 拱 与边墙 交 界部 位 围 岩会 产 生 较 强 烈的弯折内鼓 。边墙围岩会产生较强烈的劈裂剥 落 。 根 据 厂 区围岩 高地 应力 的特 点 ，在 断 层及 裂 隙发育 区、岩爆严重区设计湿喷 C 2 5钢纤维混凝 土 另加系统锚杆 。局部加钢筋混 凝土肋 拱 支 护 。 4 1选 用材料 表 5 选用 四川峨 眉 山水 泥有 限公 司生产 的“ 峨 胜 ”牌 P 0 4 2 5 R普通 硅酸盐 水 泥 。 4 1 2骨料 喷 混凝 土 所 用粗 、细 骨料 均 选 用本 水 电站前 期 人 工 骨料 加 工 系统 生 产 的机 制 骨料 。粗 、细 骨 料物理性能检测结果如表 2 、表 3所示。 表 2 粗骨料物理性能检测 结果表 表 3 细 骨 料 物 理 性 能 检 测 结 果表 4 1 3减水 剂 选用江苏博特新材 料有 限公 司生产的 J M I I C型( 缓凝 、泵送 )混凝土高效减水剂。 4 1 4速 凝 剂 选用河南巩义宏超建材有 限公司生产的跨越 2 0 0 0型液体 速 凝剂 。 4 1 5 水 拌 和 、养 护 混凝 土 用水 为饮 用水 ，无 有 害杂 质 。 4 1 6钢 纤 维 选 用重 庆 富 祥金 属 纤 维有 限公 司生 产 的 “ 砼 盾 ”牌 钢 纤 维 。钢纤 维 技 术 指 标检 验 成 果 如 表 4 所示 表 4 钢纤维技 术指标检验成果表 4 2配合 比选 择 根据设计文件要求 ，室内试验设计配合 比如 表 5所 示 。 湿喷混凝土试验在顶拱上进行 ，现场试验成 果如 表 6所示 试验结果表明，混凝土抗压和抗拉强度均能 满足设计要求 。因此选用上述配合比进行施工。 现场开挖 放炮后 ，立 即清运石 渣 ，冲洗岩 面 ，开展地质编录 ，严格按照上述喷射钢纤维混 湿 喷 钢 纤 维 混 凝 土室 内试 验 设 计 一 32 吉林 水 利 喷 射钢 纤维 混 凝土在 高地 应力 地下 洞室 群支 护 中的应 用 幸 享林 等 2 0 1 1 年 0 1月 凝土施工工艺施工 ，一般在 2 4小 时内 即可完成 喷射施工 ，大大减少了岩石 面裸露时间 ，减少后 期岩爆 8 0 12上 ，对确保 围岩局部稳定 ，保证施 工期安全发挥了巨大作用。 5 结语 水 电站地下工程开挖时 常常因岩体破碎和 节理裂 隙 发育 导致 产 生掉 块 ，或 因地 应 力 释放 引 起 岩体 较 大变形 和岩爆 。若 能及 时快 速 的喷 射混 凝 土封 闭岩 面 ，则 能一 定 程度 上 减 少 掉 块 和 岩爆 的危害 ，保证施工期安全和结构永久安全。喷射 钢纤 维 混凝 土 较普 通 混 凝 土 具 有 更好 的物 理 力 学 性能 ，并且能省去挂 网工序 ，施工快速 、方便和 安全 。特别适用于高地应力地 质条件下 围岩开挖 后的初期快速支护 。随着对 钢纤维混凝土材料物 理力学性能认识 的逐步深入以及工程实践经验 的 不断积 累 ，喷射钢纤维混凝土必将在土木水利工 程 中得 到更 为广 泛 的应用 和 发展 。口 参 考 文 献 ： 【 1 】中国工程建设标准化协会 标准 纤 维混凝 土结 构技 术规程及备 文说 明 C E C S 3 8 ：2 0 0 4 北京 ：中国计划 出版社 2 0 0 4 2 】李敬 昌 湿喷钢纤维混凝土在拉 西 瓦水 电站大型地 下洞室 中的 应用 西北水 电，2 O 0 5 第三期 注 ：表 中Z计算为上游库水位 的设计计算值 ，Z试验为上游库水位 的试验值 ，AZ = Z试验一 Z计算 。 成果可以为类似工程提供参考。口 4 结语 溢洪道进水渠进 口导墙体型形式的优劣直接 影响到进渠水流是否平顺和溢洪道泄流能力的高 低 。本文通过刘家沟水 电站溢洪道水工模型试验 对 几种 不 同 的进 口导墙 体 型进 行 了分 析 比较 总 结 了导 墙体 型优 化设 计 思路 ，最 终 采 用 了 流线 型 较 好 的两 圆 弧形 式 ，使 得 进 口水 流 流 态 平 顺 稳 定 ，从 而有 效地 提高 了溢洪 道 的 泄 流 能力 。本 文 试 验成 果 已被 设计 方 采用 并 在建 设 当 中 ，本 试 验 参 考文献 ： c l J南京水利科 学研 究院 ，水利水 电科 学研 究院水工模型试验 ： 第 2版 【 M】 北京 ：水利水 电出版社 ，1 9 8 5 2 】王 玄 ，王均星 ，崔金 秀 龙 背湾溢洪道进 水 渠导 水墙体型优化 试验研 究 啪 中国农村水 利水电 ，2 0 0 9，0 ( 7 ) ：1 0 0 - I 3 】宋 采嘉 ，田林 钢 。李 河溢 洪道 进 水 粜进 口形 式试验 研 究 册 人 民黄 河，2 0 0 5 ，2 7( 9 ) ：5 6 5 7 4 1 D L ,T 5 1 6 6 - - 2 0 0 2溢洪道设计规 范 s 】 j E 京： 中国电力出版 社 2 0 o 2 一 3 3