納米·增韌型粗纖維濕噴混凝土在錦屏二級(jí)水電站引水隧洞中的試驗(yàn)與應(yīng)用

韓 旭 東， 葛 軍

(中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610081)

1 概 述

錦屏二級(jí)水電站引水隧洞穿越的地層為三迭系淺?！珵I海﹑海陸交替相地層，構(gòu)成了引水隧洞的主要圍巖，自西向東分別為T2Z雜谷腦組大理巖﹑T1綠片巖﹑T3砂板巖﹑T2b白山組大理巖﹑T2y鹽塘組大理巖，其中碳酸鹽巖石占90%，其余為碎屑巖。在開挖施工過(guò)程中，主要存在地下突涌水、高地應(yīng)力巖爆以及斷層破碎帶等主要工程地質(zhì)問(wèn)題。

(1)由于掌子面附近經(jīng)常發(fā)生巖爆，采用普通混凝土噴射時(shí)，混凝土與圍巖粘結(jié)強(qiáng)度不高，一次噴層厚度較薄，強(qiáng)度增長(zhǎng)較慢；同時(shí)，由于施工進(jìn)度需要，掌子面在前一循環(huán)噴射混凝土后10～16 h放炮，經(jīng)常發(fā)生混凝土被震塌的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響開挖進(jìn)度和人員、設(shè)備的安全。

(2)對(duì)于開挖中遇到的富水地段，經(jīng)常發(fā)生噴射后立即掉落的現(xiàn)象，混凝土與圍巖無(wú)法粘結(jié)。

(3)對(duì)于斷層和破碎帶，開挖后需對(duì)圍巖及時(shí)噴射混凝土進(jìn)行封閉，才能在相對(duì)安全的條件下進(jìn)行錨桿和網(wǎng)片等的施工。而普通的噴射混凝土很難達(dá)到設(shè)計(jì)要求，從而無(wú)形中增加了支護(hù)的時(shí)間，影響施工進(jìn)度。

(4)受TBM設(shè)備限制，噴射鋼纖維混凝土存在一定困難，容易堵管。

鑒于上述存在的問(wèn)題，急需尋找一種材料以滿足施工要求。超細(xì)粉磨無(wú)機(jī)納米材料是一種經(jīng)充分研磨、材料顆粒直徑達(dá)到納米級(jí)的混凝土外加劑，它集減水、增強(qiáng)、促凝為一體，主要成份為二氧化硅，是一種無(wú)毒、無(wú)害、無(wú)味、無(wú)污染的無(wú)機(jī)材料。在噴混凝土中摻入該材料后，可以增加一次噴射厚度且回彈率大大降低、粉塵小，具有初期起強(qiáng)快、后期強(qiáng)度高、抗?jié)B性能好、粘結(jié)強(qiáng)度高、耐久性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。超細(xì)粉磨無(wú)機(jī)納米材料作為噴射混凝土外加劑，能夠適應(yīng)諸多惡劣地質(zhì)條件，如強(qiáng)巖爆、穩(wěn)定性極差的洞段。對(duì)于強(qiáng)巖爆洞段，采用外摻無(wú)機(jī)納米材料噴射混凝土，可以提高混凝土的一次噴射厚度，從而為系統(tǒng)錨桿支護(hù)提供施工時(shí)間和施工安全保障，且噴混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)迅速，效果顯著。對(duì)于一般富水區(qū)，采取對(duì)出水點(diǎn)進(jìn)行封堵，然后使用摻入納米濕噴混凝土全斷面噴射30～40 cm厚的方式；對(duì)圍巖破碎帶及塌方搶險(xiǎn)地段改普通噴射混凝土為納米噴射混凝土。對(duì)于TBM洞段，采用納米材料和增韌型聚丙烯合成粗纖維材料組合使用，可以替代鋼筋網(wǎng)、鋼纖維的防裂和增強(qiáng)功能，從而使施工更加經(jīng)濟(jì)、省時(shí)、方便，還能夠抑制混凝土塑性收縮及干縮裂縫，提高混凝土的抗凍融能力、抗疲勞性、抗?jié)B透性、抗磨、抗碎裂、抗沖擊性能、抗彎增強(qiáng)和輔助增強(qiáng)功能；能夠提高混凝土的支撐性能和黏結(jié)性能，產(chǎn)生有效的二級(jí)加強(qiáng)效果；其能夠提供混凝土較高的殘余強(qiáng)度，改善混凝土的耐久性，而且具有泵送容易，不會(huì)損壞機(jī)械設(shè)備，減少回彈、降低成本等特點(diǎn)。

2 材料特性

本工程選用成都宏達(dá)公司生產(chǎn)的宏達(dá)納米材料和河南鞏義生產(chǎn)的跨越2000型納米材料，其材料性能見(jiàn)表1，檢驗(yàn)項(xiàng)目見(jiàn)表2。

增韌型聚丙烯合成粗纖維(有機(jī)仿鋼纖維)：增韌型聚丙烯合成粗纖維是一種新型增強(qiáng)、增韌材料，具有質(zhì)輕、耐腐蝕、易于均勻分散、握裹力強(qiáng)，能提高混凝土的韌性、抗震防爆性能以及混凝土的早期抗裂性能，在噴混凝土中具有顯著優(yōu)勢(shì)，是一種具有廣泛應(yīng)用前景的混凝土增強(qiáng)、增韌材料，其性能見(jiàn)表3。

表1 無(wú)機(jī)納米材料性能表

表2 納米外加劑品質(zhì)檢驗(yàn)項(xiàng)目表

本工程選用深圳維克有限公司生產(chǎn)的有機(jī)仿鋼纖維，其各項(xiàng)品質(zhì)檢驗(yàn)指標(biāo)見(jiàn)表4。

表3 有機(jī)仿材料性能表

表4 深圳維克有機(jī)仿鋼纖維品質(zhì)檢驗(yàn)項(xiàng)目表

3 濕噴混凝土試驗(yàn)與應(yīng)用

(1)濕噴混凝土配合比。

采用“乃托”普通硅酸鹽P.042.5R水泥、水電七局模砂溝砂石廠生產(chǎn)的砂石和以下外摻物,進(jìn)行了濕噴混凝土拌和物性能、硬化性能檢驗(yàn)，其配合比見(jiàn)表5。

表5 濕噴混凝土配合比參數(shù)表

①C30納米：在C30納米濕噴混凝土的基礎(chǔ)上添加8 kg/m3的深圳維克有機(jī)仿鋼纖維，做納米+有機(jī)仿鋼纖維濕噴混凝土試驗(yàn)。

②C30納米：C30納米濕噴混凝土分別使用河南鞏義生產(chǎn)的納米外加劑和成都宏達(dá)生產(chǎn)的納米外加劑，納米外加劑摻量分別為水泥用量的6%、7%、8%、10%，進(jìn)行納米濕噴混凝土對(duì)比試驗(yàn)。

(2)不同配比方案室內(nèi)試驗(yàn)成果對(duì)比情況。

室內(nèi)試驗(yàn)采用乃托普通硅酸鹽P.042.5R水泥及河南鞏義納米外加劑和成都宏達(dá)納米外加劑，摻量分別為水泥用量的6%、7%、8%、10%，由深圳維克有限公司生產(chǎn)的維克有機(jī)仿鋼纖維摻量為8 kg/m3進(jìn)行濕噴混凝土拌和物性能檢驗(yàn)、硬化混凝土性能檢驗(yàn)。混凝土各材料用量、試驗(yàn)成果見(jiàn)表6。

表6 不同配比方案濕噴混凝土室內(nèi)試驗(yàn)成果對(duì)比表

試驗(yàn)結(jié)果表明：不同廠家生產(chǎn)的納米外加劑品種對(duì)混凝土強(qiáng)度及其它性能影響較小，均可進(jìn)行互換；通過(guò)摻量為6%、7%、8%、10%的納米外加劑進(jìn)行的混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)可知，混凝土強(qiáng)度隨著納米外加劑摻量的增加而增加。

(3)現(xiàn)場(chǎng)濕噴混凝土試驗(yàn)。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)選用“乃托”普通硅酸鹽P.0 42.5R水泥及河南鞏義生產(chǎn)的納米外加劑和成都宏達(dá)生產(chǎn)的納米外加劑，摻量分別為10%。對(duì)于采用深圳維克有限公司生產(chǎn)的維克仿鋼纖維摻量為8 kg/m3進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)濕噴混凝土拌和物性能檢驗(yàn)。

試驗(yàn)位置的選擇和施工工藝。

①試驗(yàn)位置選擇在1#、2#、3#、4#洞進(jìn)行，施工工藝采用濕噴技術(shù)，利用C4、C5標(biāo)段正在使用的大型濕噴機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)；試驗(yàn)時(shí)噴頭宜與受噴面垂直，噴射距離為1.2～1.8 m, 噴射角度應(yīng)盡量與噴射面垂直，噴射時(shí)應(yīng)自下而上，噴嘴應(yīng)做小圓周運(yùn)動(dòng)，噴混凝土風(fēng)壓要比普通噴混凝土高0.2～0.5 kg/cm2，一般為1.5～2 kg/cm2;噴射拱部時(shí)應(yīng)稍大;噴射作業(yè)應(yīng)分段分片進(jìn)行，噴射順序應(yīng)自下而上。為保證噴射層與巖壁的粘結(jié)強(qiáng)度，在實(shí)施噴混凝土前，應(yīng)保持巖壁和噴混凝土表面濕潤(rùn)，以保證新老噴混凝土結(jié)合良好。在施噴(包括填平補(bǔ)齊)前，應(yīng)用高壓風(fēng)(4～5 kg/cm2)加水認(rèn)真沖洗干凈并排除積水。

②現(xiàn)場(chǎng)噴射試驗(yàn)，在14 d齡期時(shí)用噴大板切割法制備試件，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)至28 d齡期后進(jìn)行試驗(yàn)。其中噴射混凝土與圍巖黏結(jié)強(qiáng)度采用劈裂法；韌度指標(biāo)試驗(yàn)采用100 mm×100 mm×400 mm的梁式試件。有機(jī)仿鋼纖維噴射混凝土彎曲韌度指數(shù)試驗(yàn)委托大連理工大學(xué)進(jìn)行。

室內(nèi)噴射混凝土性能試驗(yàn)成果列于表7，現(xiàn)場(chǎng)噴射混凝土性能試驗(yàn)成果列于表8，現(xiàn)場(chǎng)噴射混凝土測(cè)試成果見(jiàn)表9。

表7 噴射混凝土現(xiàn)場(chǎng)大板試驗(yàn)及室內(nèi)成型試驗(yàn)成果表

表8 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)噴射混凝土性能試驗(yàn)成果匯總表(大板試驗(yàn))

表9 噴射混凝土現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試成果表

上述試驗(yàn)結(jié)果表明：?jiǎn)螕郊{米濕噴混凝土、納米+有機(jī)仿鋼釬維濕噴混凝土的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求，不同廠家外加劑品種、不同廠家納米外加劑品種、不同廠家有機(jī)仿鋼纖維品種對(duì)混凝土強(qiáng)度及其它性能影響較小，均可進(jìn)行互換。單摻納米濕噴混凝土、納米+有機(jī)仿鋼釬維濕噴混凝土配合比均滿足錦屏二級(jí)水電站引水隧洞施工要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)納米+有機(jī)仿鋼釬維濕噴混凝土與圍巖黏結(jié)強(qiáng)度(采用劈裂法)為1.6 MPa；彎曲韌度指數(shù)I5為3.84，滿足≥3的設(shè)計(jì)要求；28 d抗壓強(qiáng)度為43.4 MPa，抗拉強(qiáng)度為3.25 MPa，抗折強(qiáng)度為10 MPa，抗?jié)B等級(jí)≥W8，彈性模量為3.41×104MPa，對(duì)混凝土的韌性改善較大，可提高混凝土的抗彎韌性。

(2)納米+有機(jī)仿鋼釬維濕噴混凝土施工方便，與混凝土有良好的和易性，攪拌無(wú)結(jié)團(tuán)；泵送容易，不易摩損管道，能夠減少回彈、降低成本。

(3)增加一次性噴射厚度且回彈率小、粉塵小，具有初期起強(qiáng)快，后期強(qiáng)度高，抗?jié)B性能好，粘結(jié)強(qiáng)度高、耐久性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

(4)能夠抑制混凝土塑性收縮及干縮裂縫，提高混凝土抗凍融能力、抗疲勞性、抗?jié)B透性、抗磨、抗碎裂、抗沖擊性能，具有抗彎增強(qiáng)和輔助增強(qiáng)功能。

該配比通過(guò)在錦屏二級(jí)水電站引水隧洞中的應(yīng)用，能夠適應(yīng)諸多惡劣地質(zhì)條件，如強(qiáng)巖爆、穩(wěn)定性極差的洞段。對(duì)于強(qiáng)巖爆洞段，采用外摻無(wú)機(jī)納米材料噴射混凝土，可以提高混凝土的一次噴射厚度，為系統(tǒng)錨桿支護(hù)提供施工時(shí)間和施工安全保障，且噴混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)迅速，效果顯著。截止到2012年10月25日,C30納米濕噴混凝土在1～4#引水洞和施工排水洞中共使用102 778 m3, CF30納米仿鋼濕噴混凝土在1～4#引水洞、1～4#調(diào)壓室頂拱和施工排水洞中共使用58 741 m3,工程質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求,得到業(yè)主、設(shè)計(jì)及多家施工單位的好評(píng)。納米材料、增韌型聚丙烯合成粗纖維等噴射混凝土在錦屏二級(jí)水電工程中的首次運(yùn)用，保證了錦屏二級(jí)水電站引水隧洞的施工質(zhì)量，為工程進(jìn)度贏得了時(shí)間。

隨著濕噴混凝土技術(shù)的快速發(fā)展，特種濕噴混凝土作為大洞室錨噴支護(hù)施工中的重要組成部分，在快速支護(hù)和應(yīng)對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件等方面發(fā)揮出巨大的作用。

作者簡(jiǎn)介:

韓旭東(1967-)，男，山東濰坊人，錦屏二級(jí)水電站東端項(xiàng)目部試驗(yàn)室主任，工程師，從事水電工程施工技術(shù)與管理工作；葛 軍 (1960-)，男，貴州黎平人，錦屏二級(jí)水電站東端項(xiàng)目部副經(jīng)理，工程師，從事水電工程施工技術(shù)與管理工作.