柔性噴層在錨噴支護輸水隧洞工程中的應(yīng)用研究

李淑賢

(沈陽寶峰建筑工程有限公司，遼寧 沈陽 110000)

1 研究背景

李金水庫位于遼寧省綏中縣大王廟境內(nèi)的王寶河支流上，是一座以防洪和灌溉為主、兼有供水和養(yǎng)殖等諸多功能的小(1)型水庫。水庫壩址以上流域面積29.30km2，設(shè)計水位122.45m，設(shè)計庫容397.5萬m3。水庫由黏土心墻砂殼壩、溢洪道和輸水洞構(gòu)成。按照除險加固工程的初步設(shè)計，需要對大壩進行加高培厚，在將水庫的防洪標(biāo)準由原來的50年一遇提高到200年一遇的同時，設(shè)計庫容也進一步提高到736萬m3，可以有效提升水庫的供水能力。作為配套設(shè)計，計劃在大壩左岸新建一條輸水洞。根據(jù)工程設(shè)計，輸水洞截面為城門洞形設(shè)計，開挖截面的寬度為3.5m，高度為3.8m，采用鉆爆法開挖。

根據(jù)前期工程地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，輸水洞的西段存在多種不同巖性的巖石，主要包括云母綠泥石片巖、變質(zhì)中細砂巖夾薄層狀大理巖等，圍巖的巖性較差，需要采取有效的支護措施。對于巖性較差的輸水隧洞，一般采用錨噴支護模式[1]。其中，鋼筋網(wǎng)和混凝土噴層具有承載和預(yù)防危石和風(fēng)化的作用[2]。但是，鋼筋網(wǎng)在施工過程中需要較大的勞動強度，而且自身易受腐蝕[3]。同時，混凝土噴層在高地應(yīng)力環(huán)境下容易開裂破壞，存在比較嚴重的安全隱患[4]。聚合物柔性混凝土具有抗拉強度高、黏結(jié)性能好、延伸率較大等諸多優(yōu)勢，已經(jīng)有取代鋼筋網(wǎng)和噴射混凝土的支護工程應(yīng)用[5]?；诖耍舜窝芯恳跃唧w工程為背景，探索聚合物柔性薄噴襯砌在輸水隧洞襯砌施工中的應(yīng)用。

2 聚合物柔性噴層混凝土材料試驗

2.1 試驗材料和儀器

聚合物柔性噴層混凝土中，水泥采用P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，砂子采用細度模數(shù)2.45的普通河砂，粗骨料采用粒徑5mm左右的人工碎石，減水劑采用聚羥酸高效減水劑，增稠劑采用HPMC增稠保水劑，可分散乳膠粉采用瓦克5044乳膠粉，有機乳液采用純丙乳液，纖維采用長度為5mm的聚丙烯纖維。試驗中需要使用的儀器為水泥砂漿攪拌機、恒溫恒濕養(yǎng)護箱、WHC-2000萬能試驗機。

2.2 試驗方案

試驗中首先按照設(shè)計的試驗配合比在攪拌機中攪拌均勻，然后制作成50mm×50mm×150mm的混凝土噴層試件，然后將試件放在標(biāo)準養(yǎng)護室內(nèi)養(yǎng)護至試驗規(guī)定齡期。對養(yǎng)護至規(guī)定齡期的試件進行抗壓強度、抗折強度、黏結(jié)性能以及拉伸率等力學(xué)性能試驗[6]。對不同聚合物膠粉含量、聚丙烯纖維摻量以及有機乳液摻量等進行配比試驗，分析上述因素對噴層材料力學(xué)性能的影響規(guī)律，通過對噴層混凝土配比優(yōu)化，為工程應(yīng)用提供必要的支持。

2.3 試驗結(jié)果與分析

2.3.1 聚合物乳膠粉

可分散性乳膠粉可以有效改善水泥砂漿與基礎(chǔ)巖體的黏結(jié)強度，提高噴射混凝土砂漿的各種性能。在試驗過程中采用0.5的灰砂比、0.28的水灰比，對0%、1%、1.5%和2%這4種可分散乳膠粉摻量條件下的噴層材料試件在7d和28d齡期的抗壓強度、抗折強度以及正拉黏結(jié)強度進行試驗(見表1)。從實驗結(jié)果可以看出，隨著可分散乳膠粉摻量的增加，噴層材料的抗壓強度值呈現(xiàn)出逐漸降低的變化特點，而抗折強度和黏結(jié)強度則呈現(xiàn)出不斷降低的變化特點。綜合試驗結(jié)果，可分散乳膠粉的摻量應(yīng)該以1.0%為宜。

表1 不同分散性乳膠粉摻量試驗結(jié)果

2.3.2 聚丙烯纖維摻量

0.5的灰砂比、0.28的水灰比和1%的分散性乳膠粉摻量不變，對0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%這5種不同聚丙烯纖維摻量水平試件的抗壓和抗折強度進行試驗(見表2)。從實驗結(jié)果可以看出，隨著聚丙烯纖維摻量的增加，試件的抗壓強度呈現(xiàn)出不斷下降的變化特征，而抗折強度則呈現(xiàn)出先增加后減小的變化特點。綜合試驗結(jié)果，當(dāng)聚丙烯纖維摻量為1.5%時綜合性能較優(yōu)，噴層材料具有較高的和易性，同時抗折強度較高而抗壓強度減低并不明顯，因此，在噴層材料制作過程中選擇1.5%的聚丙烯纖維摻量。

表2 不同聚丙烯纖維摻量試驗結(jié)果

2.3.2 有機乳液摻量試驗

有機乳液具有較高的延伸率，將其加入噴層材料中，可以有效提升噴層材料的韌性和黏結(jié)性，充分滿足背景工程隧洞圍巖大變形的要求。試驗中在保持其余材料摻量不變的情況下，設(shè)計0%、5%、10%、15%和20%這5種不同的有機乳液摻量水平進行試驗，其28d齡期的延伸率、抗拉強度以及正拉黏結(jié)強度的試驗結(jié)果見表3。由試驗結(jié)果可知，隨著有機乳液摻量的增加，噴層材料的延伸率和強度值也會不斷增加，增加速率也不斷加快。當(dāng)有機乳液的摻加量達到10%時，其正拉黏結(jié)強度達到1.24MPa、延伸率達到6%以上，不僅與隧洞圍巖具有較高的黏結(jié)強度，不容易脫落，也具有較高的拉伸率，完全可以滿足圍巖變形需求。因此，在工程施工中選擇10%的有機乳液摻加量。

表3 不同有機乳液摻量試驗結(jié)果

3 工程施工參數(shù)優(yōu)化

3.1 支護時機選擇

為進一步確定柔性噴層錨噴支護在背景工程中的應(yīng)用價值以及最佳施工方案，以背景工程為依托進行現(xiàn)場試驗[7]。在試驗中采用錨桿+柔性噴層支護模式，其中錨桿的長度為6m，相鄰錨桿的間距為1.0m，在360°范圍內(nèi)分布，然后施加柔性噴層支護，支護厚度為20cm。在施加支護時由兩種可能的極端情況：一是開挖后立即支護；二是隧洞開挖之后待圍巖發(fā)生很大變形后再進行支護[8]。上述兩種方式都有其不利之處。因此，最有利的方式是把握好合適的時機，充分發(fā)揮圍巖的自承能力，降低支護成本，保證隧洞施工和運行安全。研究中結(jié)合背景工程的實際情況，選擇開挖后0h、4h、8h、12h、16h、20h、24h的支護時機選擇方案進行現(xiàn)場試驗，每種方案的試驗段長5m，根據(jù)試驗獲得隧洞關(guān)鍵部位位移數(shù)據(jù)(見表4)。

表4 不同支護時機方案位移量試驗結(jié)果 單位：mm

從表4可以看出，隨著開挖與支護施工間隔的延長，隧洞各關(guān)鍵部位的位移量均呈現(xiàn)出先減小后增加的變化特點，以開挖與支護施工間隔8h時的位移量為最小，為最佳支護時機。究其原因，主要是開挖后立即支護時圍巖應(yīng)力未得到充分釋放，造成錨桿和圍巖一起變形，錨桿受力較大并導(dǎo)致輕微破壞，造成圍巖的變形量相對較大。在開挖后間隔一段時間支護，可以使圍巖應(yīng)力得到一定釋放，因此錨桿可以合理受力，沒有損壞，能起到良好的支護作用。如果開挖后經(jīng)過較長時間支護，圍巖的變形會越來越大，支護前圍巖已經(jīng)發(fā)生較大的變形破壞，不僅變形量較大，也不利于工程施工和后期運行安全。

3.2 噴層厚度

對于8h支護時機，對噴層厚度為5cm、10cm、15cm、20cm、25cm、30cm這6種不同方案進行試驗，獲得不同噴層厚度位移量(見表5)。從表5可看出，隨著噴層厚度的增加，隧洞各關(guān)鍵部位的位移量呈現(xiàn)出不斷減小的變化特征，說明增加噴層厚度對控制位移變形具有一定的作用。但是，從具體的數(shù)值來看，噴層厚度對位移量的影響較小，其中影響最大的在拱頂部位，當(dāng)噴層厚度由5cm增加到30cm時，位移量減小了約6.47%，其余各部位的位移量變化均在5%以內(nèi)。由此可見，通過增加噴層厚度提高支護效果并不具有工程和經(jīng)濟價值。因此，工程建設(shè)推薦采用10cm的噴層厚度。

表5 不同噴層厚度方案位移量試驗結(jié)果 單位：mm

4 結(jié) 論

本文以具體工程為背景，探討分析了柔性噴層錨噴支護輸水隧洞工程中的應(yīng)用問題，并得出如下主要結(jié)論：根據(jù)試驗研究結(jié)果，推薦在柔性噴層材料制作中摻加1%的可分散乳膠粉、1.5%的聚丙烯纖維和10%的有機乳液；隧洞各關(guān)鍵部位的位移量均呈現(xiàn)出先減小后增加的變化特點，以開挖與支護施工間隔8h時的位移量為最小，為最佳支護時機；噴層厚度對位移量的影響較小，工程建設(shè)推薦采用10cm的噴層厚度。