水利工程濕噴混凝土回彈率影響因素研究

謝志偉

(甘肅省水利科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730000)

水利工程建設(shè)過(guò)程不可避免的需要對(duì)某些山體進(jìn)行隧洞開挖，隧洞開挖將直接導(dǎo)致巖體內(nèi)部應(yīng)力重新分布，由于部分巖體被挖走，留下的空洞部分在應(yīng)力重分布的前提下容易出現(xiàn)局部失穩(wěn)破壞，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)大面積塌方，導(dǎo)致嚴(yán)重的人員和財(cái)產(chǎn)損失[1]。近二十年來(lái)，我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)得到了飛躍發(fā)展，水利工程建設(shè)也取得了令人驕傲的成績(jī)，偉大進(jìn)步的背后是無(wú)數(shù)工程技術(shù)人員日夜奮斗和冒險(xiǎn)前進(jìn)。在水利工程隧洞開挖方面，技術(shù)人員針對(duì)開挖之后應(yīng)力重分布導(dǎo)致的工程事故進(jìn)行了一系列的防止措施，尤其是混凝土干噴和濕噴措施，隧洞開挖后及時(shí)對(duì)開挖洞壁進(jìn)行噴混凝土保護(hù)，可以有效保證洞壁內(nèi)部的穩(wěn)定性，防止洞室?guī)r體出現(xiàn)塌方和脫落等工程事故，有效保證工程人員生命安全和國(guó)家財(cái)產(chǎn)[2]。

混凝土干噴是將水泥、骨料及外加劑等按照一定比例攪拌均勻后直接裝入混凝土噴射機(jī)內(nèi)，利用高壓空氣將噴射機(jī)內(nèi)材料噴出，噴出同時(shí)與水結(jié)合，保證混凝土有效吸附在洞壁上[3]。干噴混凝土噴射由于其施工工藝簡(jiǎn)單，施工機(jī)器小巧，前些年在廣泛應(yīng)用，但是其噴射過(guò)程中灰塵大、回彈損失高也是其較大的弊端所在[5]。濕噴混凝土是指將混凝土原材料提前拌合均勻之后裝入混凝土噴射機(jī)內(nèi)，利用高壓空氣將混凝土噴射出去，使其吸附在洞壁內(nèi)部，濕噴混凝土施工過(guò)程及機(jī)器設(shè)備較為復(fù)雜，但能克服干噴混凝土施工過(guò)程中的灰塵大、回彈多等缺陷，是近些年來(lái)我國(guó)工程人員在隧洞開挖護(hù)壁的首選工藝[6]。雖然濕噴混凝土施工能一定程度上降低噴射過(guò)程的回彈脫落，但是不同的混凝土原材料和施工工藝依舊對(duì)混凝土回彈有一定的影響[7- 12]，本文以某水利工程地下洞室開挖過(guò)程中的濕噴工藝為例，對(duì)濕噴過(guò)程中的混凝土回彈率影響因素進(jìn)行了分析研究。

1 回彈機(jī)理分析

混凝土噴射到洞壁后能發(fā)生回彈主要是因?yàn)閲娚浜笏哂械膭?dòng)能和勢(shì)能之和大于混凝土離開洞壁所需要消耗的能量[13]，依據(jù)能量守恒原理，混凝土離開噴射機(jī)時(shí)具有的動(dòng)能減去混凝土噴射過(guò)程中克服空氣阻力所降低的能量等于混凝土到達(dá)洞壁所具有的動(dòng)能，材料在洞壁上吸附之后回彈所具有的能量為材料到達(dá)洞壁時(shí)的動(dòng)能減去材料在洞壁上滑動(dòng)克服洞壁做功所消耗的能量，具體關(guān)系如下：

(1)

(2)

式中，m前—噴射機(jī)噴出時(shí)對(duì)應(yīng)的混凝土質(zhì)量；v前—混凝土噴出時(shí)對(duì)應(yīng)的速度；f—空氣阻力；s—混凝土在空氣中運(yùn)動(dòng)路徑；v后—混凝土到達(dá)洞壁時(shí)的速度；W阻—混凝土在洞壁上運(yùn)動(dòng)所損失的能量；m落—回彈混凝土質(zhì)量；v落—回彈混凝土的速度；

由此可以得出回彈率為：

(3)

從式(3)中不難看出，要想降低回彈率，提高混凝土噴射利用率，必須降低噴射后混凝土的脫落量m落，而改變混凝土的噴射路徑，提高噴射混凝土在洞壁上的運(yùn)動(dòng)的損失能量均可以一定程度上減小混凝土達(dá)到洞壁時(shí)的速度，從而達(dá)到減少混凝土脫落量的目的。同時(shí)，混凝土達(dá)到洞壁上后的凝結(jié)程度也直接影響了混凝土自身強(qiáng)度的發(fā)展，對(duì)其脫落量也有直接的影響，因此本文擬通過(guò)試驗(yàn)手段對(duì)噴射距離、噴射角度和速凝劑等對(duì)回彈率影響因素進(jìn)行分析，從而提出降低濕噴混凝土的具體參考指標(biāo) 。

2 工程概況及試驗(yàn)流程

2.1 工程概況

選取某水利輸水隧洞開挖過(guò)程中巖體濕噴過(guò)程進(jìn)行分析，該工程圍巖較為復(fù)雜，基本為Ⅳ、Ⅴ類圍巖，隧道開挖過(guò)程中發(fā)現(xiàn)圍巖偏應(yīng)力較為嚴(yán)重，圍巖主要由松散、破碎的片巖組成，巖體內(nèi)部裂隙發(fā)育程度較高，且?guī)r體內(nèi)部存在大量的軟弱夾層，致使巖體極易出現(xiàn)剝離脫落等現(xiàn)象，該工程開挖過(guò)程中決定采取帶仰供復(fù)合襯砌，同時(shí)配套濕噴混凝土進(jìn)行錨固支護(hù)。

2.2 試驗(yàn)流程

濕噴混凝土?xí)r，骨料的選擇不能太粗也不能太細(xì)，骨料太粗，噴射過(guò)程不易操作，且噴射過(guò)程中容易出現(xiàn)堵管，導(dǎo)致施工暫停，容易對(duì)機(jī)器造成一定的損害，同時(shí)也會(huì)使洞壁上出現(xiàn)后期施工縫；骨料太細(xì)，不利于混凝土強(qiáng)度的發(fā)展，混凝土后期干縮量也會(huì)明顯增加，對(duì)混凝土襯砌的完整性不利，且會(huì)導(dǎo)致混凝土襯砌分割，降低噴射混凝土的整體性，導(dǎo)致混凝土保護(hù)能力降低。結(jié)合過(guò)往經(jīng)驗(yàn)，選定本次試驗(yàn)參數(shù)為：選定細(xì)度模數(shù)為2.65的細(xì)砂，水泥選用強(qiáng)度等級(jí)為42.5MPa的硅酸鹽水泥，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試噴試驗(yàn)，確定砂率值為55%，單位水泥用量為450kg/m3，水灰比為0.45，以該混凝土進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)隧洞濕噴試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中在噴射范圍地面鋪設(shè)帆布來(lái)收集脫落混凝土，以此來(lái)確定回彈率，分析濕噴效果.

3 濕噴回彈因素分析

3.1 噴射距離分析

由濕噴混凝土噴射過(guò)程可以發(fā)現(xiàn)，噴射路徑的長(zhǎng)度直接影響了濕噴混凝土克服空氣阻力所做功多少，進(jìn)而直接影響噴射混凝土v后的大小，由此對(duì)噴射混凝土回彈率有直接的影響，由此分別選取噴射距離為0.5、0.8、1.0、1.2、1.5m的噴射距離進(jìn)行濕噴試驗(yàn)，并對(duì)各自噴射距離之下的濕噴混凝土回彈率進(jìn)行測(cè)定，測(cè)得不同噴射距離下濕噴混凝土回彈率值如圖1所示。

圖1 不同噴射距離時(shí)混凝土回彈率

由圖1不難發(fā)現(xiàn)，隨著噴射距離從小增大，濕噴混凝土回彈率呈現(xiàn)先降低后逐漸增大的趨勢(shì)。當(dāng)噴射距離過(guò)大或過(guò)小時(shí)，濕噴混凝土回彈率均較大，其中當(dāng)噴射距離為0.5m或者1.5m時(shí)，濕噴混凝土回彈率均超過(guò)20%，而當(dāng)噴射距離在1m左右時(shí)，濕噴混凝土回彈率保持在8%～12%之間，且隨著噴射距離從小逐漸增大，濕噴混凝土回彈率最小值出現(xiàn)在1m左右。原因在于，當(dāng)噴射距離較小時(shí)，由于混凝土離開噴嘴速度一定，空氣阻力對(duì)混凝土噴射過(guò)程中做功較少，使得混凝土在到達(dá)洞壁時(shí)依然具備較高的動(dòng)能，因此混凝土回彈量較大，導(dǎo)致回彈率較高。當(dāng)噴射距離較大時(shí)，混凝土到達(dá)洞壁時(shí)速度較小，使得混凝土無(wú)法有效吸附在已有混凝土表層，且已有混凝土由于到達(dá)洞壁時(shí)動(dòng)能較小也沒能有效的吸附在洞壁表層，容易造成混凝土在重力作用下脫落，因此，噴射距離過(guò)大或過(guò)小均不利于濕噴混凝土吸附，對(duì)于本次試驗(yàn)研究而言，對(duì)該輸水隧洞進(jìn)行開挖濕噴混凝土?xí)r建議選定噴射距離為1m。

3.2 噴射角度分析

噴射角度是指噴射工作面與濕噴嘴之間的夾角，噴射角度的不同直接影響了濕噴混凝土的回彈條件。一般情況下，噴射角度越大，混凝土回彈需要克服洞壁做功越多，混凝土回彈率越小，但是噴射角度的增加會(huì)直接增加工程的施工難度和費(fèi)用，因此合理的選擇噴射角度對(duì)濕噴工藝的提升有明顯的幫助。本次試驗(yàn)中，選定噴射角度分別為45°、60°、70°和90°進(jìn)行試驗(yàn)，確定針對(duì)該隧洞開挖過(guò)程中的合理的噴射角度。分別在以上噴射角度進(jìn)行混凝土濕噴試驗(yàn)，測(cè)定不同噴射角度下濕噴混凝土回彈率如圖2所示。

圖2 不同噴射角度下濕噴混凝土回彈率

由圖2可以看出，隨著噴射角度的逐漸增大，濕噴混凝土回彈率逐漸降低，且下降速度呈現(xiàn)先穩(wěn)定下降，然后迅速降低最后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。其中，當(dāng)噴射角度為30°增加至60°時(shí)，混凝土回彈率由35%線性下降為20.3%，隨著噴射角度的持續(xù)增加，回彈率出現(xiàn)迅速下降后開始逐漸趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定值為10.5%左右。原因在于，當(dāng)噴射角度較小時(shí)，濕噴混凝土在達(dá)到洞壁之后具備較好的反彈條件，洞壁對(duì)混凝土在洞壁上移動(dòng)和吸附過(guò)程做負(fù)功較少，使得混凝土具備較大的動(dòng)能繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，出現(xiàn)反彈，導(dǎo)致回彈率較大。隨著噴射角度的逐漸增大，反彈條件逐漸降低，使得混凝土回彈率逐漸降低，當(dāng)噴射角度達(dá)到70°以上后，混凝土回彈條件減弱，回彈率降低，因此對(duì)該輸水隧洞開挖濕噴而言，建議將濕噴角度控制在70°以上。

3.3 速凝劑摻量分析

外加劑可以直接改變混凝土的性能，提高混凝土的耐久性，速凝劑的摻入能夠縮短混凝土凝結(jié)硬化時(shí)間，提高混凝土早期強(qiáng)度，增強(qiáng)混凝土與洞壁之間的吸附能力，防止出現(xiàn)后階段混凝土噴射對(duì)已有混凝土的碰撞而使其脫落的現(xiàn)象。對(duì)該地下隧道，分別選定速凝劑質(zhì)量百分比為2%、5%、7%、9%進(jìn)行濕噴試驗(yàn)，獲取速凝劑含量與混凝土回彈率之間的關(guān)系。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)濕噴試驗(yàn)，測(cè)定不同含量速凝劑作用下混凝土回彈率的變化趨勢(shì)如圖3所示。

圖3 不同速凝劑含量下混凝土回彈率

由圖3可以看出，隨著速凝劑含量逐漸增加，混凝土回彈率呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)，當(dāng)速凝劑含量為2%時(shí)，混凝土回彈率為16.1%；當(dāng)速凝劑含量增加至5%時(shí)，混凝土回彈率降低為9.8%。隨著速凝劑含量繼續(xù)增加，混凝土回彈率逐漸上升至21.4%，即速凝劑含量過(guò)多或者過(guò)少均不利于濕噴混凝土的吸附。依據(jù)前文中濕噴混凝土的回彈機(jī)理可知，當(dāng)速凝劑含量降低時(shí)，混凝土凝結(jié)速度慢，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部粘結(jié)強(qiáng)度降低，則吸附在洞壁上的混凝土在后續(xù)混凝土的作用下容易發(fā)生錯(cuò)位移動(dòng)而出現(xiàn)脫落，導(dǎo)致混凝土回彈率較高；當(dāng)速凝劑含量較高時(shí)，噴射混凝土凝結(jié)硬化速度快，現(xiàn)后噴射混凝土之間容易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)裂縫，濕噴混凝土內(nèi)部出現(xiàn)薄弱結(jié)構(gòu)層，導(dǎo)致各層噴射混凝土之間有效吸附作用降低，致使混凝土回彈率增加，對(duì)該地下隧洞開挖而言，建議選定速凝劑含量為5%左右最為合適。

4 結(jié)語(yǔ)

筆者分析了濕噴混凝土的回彈機(jī)理，探討了實(shí)際工程開挖過(guò)程中回彈率的影響因素，得到了噴射距離、噴射角度和速凝劑添加含量對(duì)回彈率的影響關(guān)系曲線。

隨著噴射距離從0.5m逐漸增大至1.5m，混凝土回彈率逐漸從20%下降至8%，然后上升至22.5%，確定了該工程開挖時(shí)濕噴混凝土噴射距離為1m。隨著噴射角度逐漸增大，濕噴混凝土回彈率呈現(xiàn)初期線性下降，中期迅速下降，后期趨于穩(wěn)定的狀態(tài)，對(duì)該工程而言，確定其噴射角度為70°以上較為合理。速凝劑的摻加量會(huì)直接影響混凝土回彈率，當(dāng)速凝劑含量有2%增加至8%時(shí)，回彈率呈現(xiàn)先降低后逐漸增大的趨勢(shì)，對(duì)該工程而言，確定其速凝劑摻加量為5%左右時(shí)混凝土回彈率較低。