高風險長大鐵路隧道施工密實型噴射混凝土技術

陳 創(chuàng)

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司， 湖北武漢 430063)

在建蒼稼嶺和巖鷹鞍等隧道洞段含炭質板巖，局部有頁巖氣游離賦存于板巖裂隙中，需采取措施處理在開挖時控制頁巖氣的釋放速度。噴射混凝土作為隧道初期支護的主要手段，傳統(tǒng)配比需考慮到混凝土強度砂率較低，為此需對能夠用于在隧道爆破后立即進場噴射巖面封閉巖層裂隙的密實性噴射混凝土進行研究，以快速凝固用以減小裂隙內頁巖氣的逸出速度，從而為通風創(chuàng)造良好的基礎條件，通過強力的通風稀釋洞內殘存的頁巖氣，獲取良好的安全作業(yè)環(huán)境，進而取消洞內機械設備的防爆設置，節(jié)約大量的投資。

1 氣密性噴射混凝土現(xiàn)狀分析

目前就水泥對混凝土抗?jié)B透性已達成一點共識即不能認為強度高的水泥就一定能配制出高耐久性的混凝土[1-3]。發(fā)達國家的水泥標準中對于水泥的強度規(guī)定了最高值的限制強度超過規(guī)定也不合格而我國水泥標準則沒有最高值的限制；水泥的形態(tài)水泥顆粒的良好級配有利于混凝土中的水泥石達到最密實的狀態(tài)，但是一般的水泥生產工藝卻不易達到水泥的理想級配，所以為了得到密實較好、高抗?jié)B的混凝土摻加超細礦物摻合料是調整水泥顆粒級配的很有效的方法。因此選用普通硅酸鹽水泥是一個好的選擇并且是目前市場的主流在經濟、來源等方面也是很合適的。

水泥石和混凝土的透氣性的差異主要是由界面和骨料引起的。研究表明普通骨料的滲透性一般都低于水泥石這樣在一定的壓力下氣體滲透過水泥石到達界面區(qū)的時候必定沿著界面區(qū)繞過骨料顆粒滲透而使的路徑延長所以從理論上講混凝土中加入低滲透性的骨料可以切斷毛細管通道的連續(xù)性降低混凝土的滲透性。尤其在高水膠比和高毛細孔隙率的情況下這種作用應該很明顯。然而實驗結果恰恰相反當加入骨料后混凝土的抗?jié)B透性降低了并且骨料粒徑越大透氣系數(shù)越高這是由于漿體與骨料界面處的孔結構和微裂縫造成的。在普通混凝土中由于骨料和水泥漿之間存在界面過渡區(qū)界面上晶體富集且定向排列界面結構疏松造成了混凝土的透氣性能高，要保證混凝土的抗氣體滲透性骨料應均質堅固、級配良好。良好的級配能使骨料的孔隙率和總比表面積均較小從而不僅使水泥漿量較少而且還可以提高混凝土的密實性。

如果骨料顆粒表面光滑對混凝土的流動性有利然而表面光滑的骨料和水泥石黏結較差。相反表面粗糙的骨料與水泥石的黏結較好有助于提高混凝土的密實性而且骨料粗糙的混凝土可以降低的富集程度。

砂的顆粒較小，一般不考慮其形貌，可是石子必須考慮其針、片狀顆粒含量。針、片狀顆粒不僅受力易折斷而且會增加骨料間的孔隙，對砂子來說，宜采用中粗砂，尤其是粗骨料較差時，砂以粗砂為好。骨料中的黏土顆粒極細，會附著在骨料表面，影響水泥石與骨料的膠結能力，損害界面性能，影響混凝土的抗?jié)B透性能，以使混凝土的抗透水性及不透氣性提高。

綜合以上幾個方面考慮，在頁巖氣隧道中采用這種配合比，達不到封閉的作用，對頁巖氣隧道的施工造成很大的風險。通過多次試驗模擬，采用一定量的氣密劑代替水泥，可以起到一定的作用，這是因為氣密劑中硅灰可以明顯改善硬化混凝土的孔結構及漿集料界面結構。所以采用氣密劑等摻量取代法取代水泥。

2 氣密性噴射混凝土施工對策與試驗

為了能夠獲得氣密性，首先結合以往經驗進行噴射混凝土試驗[4-6]。實驗主要是在相同的初始條件(水泥細度和品種、集料級配和最大粒徑、混凝土水灰比、外 加劑、含水率)下研究外摻料(氣密劑)對混凝土氣密性的影響。為此，通過一系列的實驗研究對比，選出最優(yōu)的適用于頁巖氣隧道初期支護噴射氣密性配合比。

硅灰的高細度、高含量和高度的無定形性使硅灰在混凝土中有很好的填充性和火山灰活性有利于提高混凝土的密實度及抗?jié)B透性。當水膠比不變時摻入硅灰可使界面粒尺寸減小降低取向度提高界面區(qū)密實度明顯降低硬化水泥漿的孔隙以及骨料與水泥漿之間過渡區(qū)的孔隙經觀測摻硅灰的混凝土界面孔隙率明顯下降骨料周圍充滿了無定形致密的相混凝土密實性得到良好改善其原因是混凝土中的含量隨硅灰的增大而降低剩余的與不含硅灰的硅酸鹽水泥相比易于形成更小的晶粒。同時摻入氣密劑使得硅酸鹽水泥水化物中的比減小，水泥用量在保證混凝土強度和耐久性的要求的前提下減少單方水泥用量有利于降低混凝土的收縮性進而提高了混凝土的抗?jié)B透性。最后得出的混凝土配比為每方增加45 kg氣密劑，對普通噴射混凝土和氣密性噴射混凝土兩個配合比進行試驗，最終性能(外觀質量)如圖1、圖2所示。

圖1 普通噴射混凝土

圖2 氣密性噴射混凝土

經過試驗檢測對比從芯樣的對比看出摻加氣密劑的混凝土外觀質量明顯密實，采用專業(yè)的儀器進行檢測做對比普通噴射混凝土明顯大于摻加氣密劑的噴射混凝土，檢測儀器及操作如圖3所示。

圖3 氣密性混凝土檢測儀器及操作

3 現(xiàn)場應用及分析

經過采用密實性噴射混凝土施工，在隧道開挖爆破后立即組織進行，再加上大功率風機輔助。掌子面及施工區(qū)人員集中地段未發(fā)現(xiàn)有頁巖氣，徹底解決了高風險頁巖氣安全風險問題，取得了很多經驗：

(1)爆破前氣密性噴射混凝土一定要準備到位，車輛統(tǒng)一停至二襯臺車后面，爆破過后立即隨挖掘機至掌子面，當挖掘機排險完成后立即采用濕噴機械手對掌子面裸露基巖進行噴射混凝土封閉施工，噴射厚度不小于5 cm。

(2)待出渣完成后繼續(xù)組織對臺階下部未噴射支護的基巖封閉，然后轉入下一工序施工。

(3)現(xiàn)場循環(huán)作業(yè)必須設置一名專職的工序調度副隊長，從而確保時間和空間不受封閉施工影響。從而為通風取得了良好的基礎條件。

(4)洞外設置24 h值班制度，全權對洞外風機進行管理操作。

(5)洞內專職安全人員來回巡檢頁巖氣濃度情況，認真嚴格執(zhí)行一炮三檢制度。利用手機對洞外調度和隊長等管理人員隨時取得聯(lián)系。

(6)制定專項應急預案，并定期組織演練，確保險情發(fā)生時能夠立即組織搶險。

4 結論

(1)如果隧道含炭質板巖或有滲水及頁巖氣游離逸出，則必須在施工過程中控制氣體釋放速度，最好采用較為特殊的噴射混凝土作為隧道初期支護和封閉巖層裂隙，才能保證施工安全。

(2)綜合國內外經驗，為了能夠獲得氣密性，通過一系列的實驗研究對比，選擇混凝土配比且每方增加45 kg氣密劑，發(fā)現(xiàn)摻加氣密劑的混凝土外觀質量明顯密實，可以達到密閉性要求，能保證工程安全施工。