聚丙烯腈纖維在水工隧洞噴射混凝土施工中的應用

鐘衛(wèi)杰 李鎮(zhèn)云

（1.湖南柏帆建設有限公司 湖南長沙市 410000 2.湖南省江華縣水利局 湖南江華縣 425500）

1 工程概況

東流溪二級水電站座落在湖北省長陽縣東流溪中段，電站引水隧洞進口高程808m，出口高程716m，隧洞全長11888m，隧洞洞內(nèi)承壓水頭113m；隧洞洞徑2.2m，洞形為馬蹄形。電站水頭522.0m，裝機3×6300kW。東流溪二級水電站于2004年10月開工，2007年6月完成水工建筑物施工，2007年9月建成發(fā)電。

工程區(qū)域內(nèi)主要為構(gòu)造溶蝕侵蝕低中山、中低山地形。該地貌單元出露地層主要為早古生界的白云巖、灰?guī)r、頁巖。本區(qū)出露地層主要為寒武系下統(tǒng)（∈t1+sl）和中統(tǒng)（∈2qn）、寒武系上統(tǒng)三游洞群（∈3sn）中厚層狀灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r和奧陶系下統(tǒng)（O1）奧陶系中統(tǒng)（O2）奧陶系上統(tǒng)（O3）及志留系下統(tǒng)龍馬溪組（S1L）的泥質(zhì)頁巖、砂質(zhì)頁巖夾粉砂巖、碳質(zhì)頁巖。隧洞上覆山體最薄厚度82m，最大厚達700m。經(jīng)施工地勘，隧洞f、K0值如下：進出口段，f=2.0～2.5；K0=15～20MPa·cm-1；洞身段，f=2.5～3.5；K0=20～60MPa·cm-1。

2 噴射纖維混凝土設計方案

根據(jù)優(yōu)化后的設計方案，主要針對于Ⅱ、Ⅲ圍巖中存在的不良地質(zhì)段，采用噴射纖維混凝土和掛網(wǎng)噴射纖維混凝土支護方案。其中：噴射10cm厚C25纖維混凝土支護1820m，掛網(wǎng)噴射10cm厚C25纖維混凝土支護1310m。不良地質(zhì)情況主要表現(xiàn)為：

（1）層面分化，層間夾泥或?qū)娱g夾炭質(zhì)泥巖、方解石，泥質(zhì)膜、鐵質(zhì)膜吸附；或?qū)用嬷幸姖B水、流水、涌水現(xiàn)象；或巖石面見微量滲水現(xiàn)象。

（2）節(jié)理裂隙發(fā)育，節(jié)理中見方解石脈充填，方解石局部或全部見溶蝕；節(jié)理中夾泥；節(jié)理貫穿（或不完全貫穿）洞室；或節(jié)理中見滲水、流水、涌水現(xiàn)象；或巖石面見微量滲水現(xiàn)象。

（3）巖層產(chǎn)狀紊亂，無規(guī)律，多種巖性混雜，節(jié)理嚴重發(fā)育、洞室見滲水、滴水、流水或涌水現(xiàn)象?；蚨粗芯植咳芪g成小洞穴情況嚴重。

例如：噴射10cm厚C25纖維混凝土的4號支洞下游0+05～0+90樁號段，地質(zhì)素描記錄是：巖性為寒武系上統(tǒng)三游洞群（∈3sn）厚層白云質(zhì)灰?guī)r、中厚層白云巖，夾炭質(zhì)頁巖、泥巖薄層，中硬巖為主，較完整，大部分巖體呈微風化，局部風化強部位呈強風化-弱風化。巖層產(chǎn)狀為195°∠40°，與洞軸線交角小于30°。表現(xiàn)為局部節(jié)理裂隙較發(fā)育、沿炭質(zhì)泥巖夾層風化及溶蝕現(xiàn)象。Y1、Y2為層間炭質(zhì)泥巖夾層，厚2～3cm，強風化，局部有粘土充填，Y3、Y4、Y5為層間炭質(zhì)泥巖夾層，厚0.8～2.0cm，強風化，局部粘土充填。

3 纖維材料選擇

為了確保隧洞噴混凝土支護的工程質(zhì)量，通過對多種纖維材料進行比選，并通過咨詢清江水布埡電站的實際應用效果，最終選擇了“路威系列聚丙烯腈纖維”作為隧洞噴射混凝土纖維材料，其技術參數(shù)如表1。

表1 路威2002-II纖維技術參數(shù)

4 噴射混凝土施工技術要求

4.1 主要原材料

（1）水泥：采用的是普通硅酸鹽水泥，強度等級為PO32.5。

（2）砂石料：根據(jù)現(xiàn)場情況在各支洞口設置料場現(xiàn)場生產(chǎn)制備；經(jīng)檢測，砂的細度模數(shù)為2.5～3.0，含水率有效控制在5～7%之間；粗骨料大于15mm。

（3）摻速凝劑的噴射混凝土初凝時間不大于5min，終凝時間不大于10min。

4.2 主要施工機具

（1）干式噴射機的性能要求：密封性能良好輸料連續(xù)均勻；輸送混凝土料的距離水平不小于100m，垂直不小于30m。

（2）攪拌干混料的攪拌機采用JZ350型強制式攪拌機。

（3）選用的空壓機滿足噴射機工作風壓和耗風量的要求，噴射機前，先進行吹風5～10min，保證油水分離，避免風中的油污進入噴射混凝土，影響混凝土質(zhì)量；工程選用的空壓機為開山牌螺桿式空壓機，其排風量不小于9.0m3/min。

（4）因混合料噴頭時的壓力約為0.1MPa，施工時自建生產(chǎn)水池確保的水壓力均達到了0.15～0.20MPa，供水量也能滿足要求。

4.3 混合料配合比及拌制生產(chǎn)要求

（1）噴射混凝土的設計強度等級為C25；噴射混凝土混合料的配合比要求如下：

表2

速凝劑的摻量按產(chǎn)品說明書、并通過試驗確定為水泥量的5.0%；原材料的稱量進行現(xiàn)場確定，砂石料稱量偏差控制在±3%；水泥和速凝劑的稱量偏差控制在±2%。

（2）原材料進入強制式攪拌機的攪拌時間大于60s，纖維加入后，攪拌時間比普通砂漿、混凝土延長了15～30s。采用先干拌后再濕拌的攪拌方式時，干拌時間大于15s。在摻有纖維和速凝劑且是采用混合料攪拌時，控制攪拌干料時間在4min以上。

（3）混合料隨拌隨用，不摻速凝劑的混合料，存放時間都不超過2h；摻速凝劑的混合料，存放時間不超過20min。

4.4 噴射前的準備工作

（1）拆除作業(yè)面障礙物，清除開挖面的浮石和墻角的石碴、堆積物等，著重對底板噴射混凝土與底板混凝土接頭處進行鑿毛和清洗；防止邊墻噴層出現(xiàn)“失腳”和后期滲水現(xiàn)象。

（2）為便于過程施工質(zhì)量控制和施工厚度控制，在噴射前根據(jù)實際情況埋設小鋼筋樁，控制噴射混凝土厚度的標志。

（3）若受噴面漏水或滲水嚴重，噴射前進行滲水排除或采取局部掛網(wǎng)的設計形式噴射混凝土，合同甲乙雙方代表進行現(xiàn)場確認。

（4）噴射作業(yè)前，對機械設備、風、水管路、輸料管路和電氣線路進行全面檢查，確保正常噴射作業(yè)。

4.5 噴射作業(yè)

（1）嚴格執(zhí)行噴射機的操作規(guī)程；保證連續(xù)均勻向噴射機供料；保持風壓穩(wěn)定；完成噴射作業(yè)或因故中斷時則將噴射機和輸料管內(nèi)的積料清除干凈。

（2）保持噴頭處水壓穩(wěn)定；噴頭與受噴面距離控制在0.6～1.2m且與受噴面保持垂直，干噴時嚴格控制好水灰比（一般在0.4～0.45之間），及時調(diào)整供水量，保持混凝土表面平整，表面濕潤光澤，無干斑或滑移流淌現(xiàn)象。

（3）噴射作業(yè)分段分片依次進行，噴射順序自下而上；各段間的結(jié)合部位和結(jié)構(gòu)的接縫處（如底板混凝土接縫處）進行妥善處理，盡量避免漏噴部位；現(xiàn)澆底板混凝土與噴射混凝土保證有10cm的搭接長度，其接合部位進行鑿毛和清洗處理。

（4）噴射混凝土的厚度按設計要求執(zhí)行。分層噴射時，后一層噴射在前一層噴射混凝土終凝后進行。若終凝1h后再進行噴射時，則采用風水清洗噴層表面。噴射混凝土表面起伏差控制在±15cm以內(nèi)。

（5）噴射混凝土終凝后2h開始噴水養(yǎng)護，養(yǎng)護時間按10～14d控制，氣溫低于5℃時不需噴水養(yǎng)護。

5 噴射混凝土質(zhì)量檢查

5.1 質(zhì)量檢驗要求

質(zhì)量檢驗嚴格按照《水電水利工程錨噴支護施工規(guī)范》（DL/T5181-2003）有關條款執(zhí)行，著重注意以下幾點：

（1）噴射混凝土的原材料出廠合格證及品質(zhì)試驗報告應齊全；同強度等級水泥每200T進行取樣試驗；速凝劑按5T為一批進行取樣試驗；砂和小石按每300～500m3為一批進行取樣試驗。

（2）混合料的實際配合比，每個班次應進行及時檢查，根據(jù)情況進行及時調(diào)整。工地現(xiàn)場應配備0～40不同型號的方孔篩網(wǎng)。

（3）噴射混凝土做好抗壓強度檢查，檢測噴射28d齡期抗壓強度；試驗采用噴大板切割法制備試件（大板尺寸為45×30×25cm）。每噴100m3混合料取兩組試件，每組3塊。

（4）噴射混凝土厚度采用無損檢查法進行檢查。按10～20m間距布置檢查斷面，在斷面上以拱頂中心為基準，向兩側(cè)每隔1～2m布置測點，測點采用預埋小鋼筋樁的形式布置，每個斷面的測點不宜少于3個。噴射過程中在混凝土未凝固前采用針探法隨機檢查。

5.2 質(zhì)量檢驗及效果檢查

通過監(jiān)理、設計、業(yè)主等參建單位聯(lián)合對噴射混凝土進行質(zhì)量檢驗，檢驗結(jié)果如下：

（1）質(zhì)量檢驗：噴射混凝土表觀質(zhì)量合格，混凝土表面光澤度較好、漿液分布痕跡平順。噴射混凝土厚度抽檢結(jié)果顯示，側(cè)墻噴射厚度平均達至設計值的92.2%，頂拱厚度平均達至83.6%，滿足質(zhì)量檢驗要求。通過對大板切割的64組試件進行28d齡期抗壓強度檢測；數(shù)理統(tǒng)計結(jié)果如下：強度保證率P=96.8%、離差系數(shù)Cv=0.057、抗?jié)B等級達到S7。

（2）運行效果檢查：電站自2007年9月建成發(fā)電，十多年以來，業(yè)主技術部門每年都進入隧洞對噴射纖維混凝土的運行效果進行檢查，未發(fā)現(xiàn)有大面積的脫落或坍塌，噴射混凝土的整體運行效果良好。

6 結(jié)語

從東流溪二級水電站有壓隧洞噴射纖維混凝土的應用效果來看，路威系列聚丙烯腈纖維可以有選擇性地應用于內(nèi)水壓力110m以內(nèi)的水工隧洞Ⅱ、Ⅲ圍巖地段的噴射混凝土基礎處理；從質(zhì)量檢測結(jié)果和多年以來的運行效果分析，噴射混凝土所摻用的路威2002-II系列聚丙烯腈纖維是一種可用于水泥混凝土材料的增強纖維，作為混凝土的次加筋材料，該材料明顯地提高混凝土的韌性及抗沖擊性能，進而提高了混凝土的抗裂性、抗凍性、抗?jié)B性等耐久性能，其他類似的水工隧洞噴射混凝土工程可參考使用。