鋼纖維噴射混凝土在某水電站引水隧洞工程施工中的應(yīng)用

　　［摘要］鋼纖維混凝土作為一種新型復(fù)合材料，已成為混凝土科學(xué)發(fā)展的一個(gè)方向，并以其良好的抗裂性、彎曲韌性、抗托與抗彎強(qiáng)度等性能，正廣泛應(yīng)用于各類工程建設(shè)領(lǐng)域。本文根據(jù)某水電站引水隧洞的地質(zhì)條件及施工現(xiàn)狀，提出對Ⅳ類圍巖洞段可用鋼纖維噴射混凝土替代網(wǎng)噴混凝土的支護(hù)處理方案，在實(shí)際施工過程中取得了良好的效果。 

　　［關(guān)鍵詞］Ⅳ類圍巖網(wǎng)噴混凝土 鋼纖維噴射混凝土 效果評價(jià)

　　1 工程概況

　　某水電站位于四川省境內(nèi)的木里河（雅礱江支流）上，是木里河六個(gè)梯級電站中的第三級。該水庫采用低閘引水式發(fā)電，電站裝機(jī)4 臺，單機(jī)容量60MW，總裝機(jī)容量240 MW。電站樞紐工程由首部樞紐、引水系統(tǒng)、地面廠房系統(tǒng)等建筑物組成。引水系統(tǒng)由引水隧洞、調(diào)壓室、壓力管道組成。引水隧洞布置在右岸，從進(jìn)水口至調(diào)壓井，全長18.7km，為有壓圓形洞，襯砌后的過水?dāng)嗝鏋?.2m（最大開挖斷面達(dá)8.4m）。

　　2 引水隧洞區(qū)工程地質(zhì)條件

　　引水隧洞沿線出露巖性主要為奧陶系下統(tǒng)瓦廠組（O1W）板巖夾變質(zhì)石英砂巖、千枚巖，人公組（O1r）的變質(zhì)石英砂巖夾板巖、千枚巖，少量三疊系下統(tǒng)領(lǐng)麥溝組（T1l）的板巖夾千枚巖、硅質(zhì)板巖，志留系（S1）的板巖夾千枚巖、硅質(zhì)巖，巖層總體產(chǎn)狀：330°～320°SW∠30°～50°。引水隧洞沿線地層巖性以板巖夾千枚巖為主，部分為中厚～厚層狀變質(zhì)石英砂巖。

　　引水隧洞沿線發(fā)育4 條規(guī)模較大橫切隧洞的斷層—圓寶山斷層、尼都斷層、機(jī)落斷層、茶布朗斷層，破碎帶一般寬約20～40m，其中機(jī)落斷層寬達(dá)100～200m，由碎裂巖、糜棱巖、角礫巖、少量斷層泥組成。隧洞區(qū)層間剪切錯動帶及各類結(jié)構(gòu)面均較發(fā)育，地層揉皺強(qiáng)烈。

　　由于該電站引水隧洞線路較長，地質(zhì)條件相對較差，隧洞圍巖以Ⅳ類、Ⅴ類為主，占引水隧洞全長的65%，為確保工程進(jìn)度和施工安全，根據(jù)不同的圍巖地質(zhì)情況，將Ⅳ類圍巖洞段由原設(shè)計(jì)的網(wǎng)噴混凝土支護(hù)改為鋼纖維噴混凝土支護(hù)，取得了滿意的效果。具體內(nèi)容介紹如下：

　　3 鋼纖維噴射混凝土的力學(xué)性能及噴射方法選定

　　3.1 鋼纖維噴射混凝土的力學(xué)性能

　　鋼纖維噴射混凝土是在普通噴射混凝土的拌合料中加入一定量無定向分布的鋼纖維，經(jīng)噴射機(jī)和輸料管在噴頭處加入適量水（干噴法）后直接噴射到工程結(jié)構(gòu)物面上的一種混凝土施工工藝。這些無定向分布的鋼纖維起到了微型配筋的作用，能增強(qiáng)混凝土之間的握裹力和錨固力，從而有效地阻礙混凝土內(nèi)部微裂縫的擴(kuò)展及宏觀裂縫的形成，鋼纖維起到了代替鋼筋網(wǎng)或鋼筋的作用，顯著地改善了混凝土的抗拉、抗彎、抗沖擊及抗疲勞性能，具有較好的延性。由于采用高壓噴射工藝，在水源、集料的反復(fù)連續(xù)撞擊下而使混凝土擠壓密實(shí)，同時(shí)采用的水灰比較?。?.42），因而具有較高力學(xué)強(qiáng)效和良好的耐久性，尤其與混凝土、巖石有較高的粘結(jié)強(qiáng)度，非常適用于地質(zhì)條件較差的洞室和邊坡的噴射支護(hù)。

　　3.2 鋼纖維噴射混凝土方法的選定

　　噴射鋼纖維混凝土施工方法分干噴法和濕噴法兩種。干噴法施工特點(diǎn)：設(shè)備簡單，易于施工，但施工環(huán)境粉塵大，混凝土水灰比不易嚴(yán)格控制，且材料回彈損失稍大。

　　濕噴法是將一定級配的混合料在攪拌機(jī)中加以攪拌均勻后的濕料經(jīng)噴射機(jī)及管道從噴嘴中噴出，其特點(diǎn)混凝土水灰比易控制，施工環(huán)境粉塵小，材料回彈損失少，但設(shè)備價(jià)格較貴。

　　經(jīng)綜合比較后，針對本電站施工特點(diǎn)，最終采用干噴法。

　　4 鋼纖維噴射混凝土的材料選定及配合比試驗(yàn)

　　4.1 材料選定

　?。?）鋼纖維：采用重慶宜筑商貿(mào)有限公司生產(chǎn)的普通碳鋼鋼纖維，長度20～40mm，直徑0.53～0.57mm，長徑比64，抗拉強(qiáng)度1 145～1 545MPa。該材料經(jīng)中國水電五局中心試驗(yàn)室檢測，檢測結(jié)果合格。

　?。?）骨料：采用現(xiàn)場紫坪公司生產(chǎn)的人工骨料，巖性以灰?guī)r為主。砂的細(xì)度模數(shù)FM=3.2，含泥量1．8%，級配良好；粗骨料粒徑規(guī)格為5～20mm，針片狀含量5．8%，壓碎指標(biāo)值6．8%，含泥量0.5%。 [Page]

　?。?）水泥：選用峨嵋水泥廠生產(chǎn)的普通硅酸鹽32.5R 水泥，規(guī)范要求鋼纖維混凝土水泥采用強(qiáng)度等級42.5MPa 普通硅酸鹽水泥，因峨嵋普通硅酸鹽32.5R 水泥的強(qiáng)度等級已經(jīng)達(dá)到42.5MPa 的指標(biāo)，故可以使用。

　?。?）礦物摻合料：混凝土中加入鋼纖維之后，其流動性會變差，且為泵送施工，需利用礦物摻合料的疊加效應(yīng)，優(yōu)化攪拌、運(yùn)輸和施工工藝。粉煤灰能減少混凝上干縮和徐變；在保證混凝土強(qiáng)度不變的前提下減少水泥的用量，從而降低混凝土的水化熱。本工程摻用四川達(dá)竹煤電集團(tuán)生產(chǎn)的散裝Ⅱ級粉煤灰作為摻合料，其細(xì)度不大于20%，需水量不大于105%。

　?。?）速凝劑：選用昆明聲威外加劑有限公司生產(chǎn)的SW 紅星一號速凝劑。

　?。?）拌合水：可飲用自然水。

　　4.2 噴射素混凝土與鋼纖維噴射混凝土的對比試驗(yàn)

　　原素噴混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級為C20，于現(xiàn)場進(jìn)行了配合比及28d 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)（見表1），鋼纖維混凝土配合比要考慮設(shè)計(jì)要求的抗壓、抗折等級，還要顧及施工方便。在常用的C20 泵送混凝土配合比基礎(chǔ)上，調(diào)整砂率，適當(dāng)增加膠凝材料的總量，共試拌A、B、C 三組配合比試驗(yàn)（見表2）。通過綜合比較試拌混凝土的抗壓、抗折強(qiáng)度、和易性、鋼纖維分布情況等，最終確定泵送鋼纖維混凝土配合比（見表3）。

　　在完成室內(nèi)試驗(yàn)，選定最佳配合比后，必須從原材料進(jìn)場檢測，混凝土攪拌站計(jì)量上料、拌合、出料坍落度檢測、混凝土試件留取、泵送混凝土運(yùn)輸、施工現(xiàn)場作業(yè)、以及混凝土養(yǎng)護(hù)等工序入手，嚴(yán)格控制各道工序，確?，F(xiàn)場施工質(zhì)量。

　　5 鋼纖維噴射混凝土的施工方法及效果評價(jià)

　　5.1 鋼纖維噴射混凝土的施工方法 [Page]

　　施工時(shí)采用分回次進(jìn)行噴射，每一段長約3m 左右，每段間搭接長30cm，每一噴層厚度3～5cm。為控制回彈率并提高混凝土與巖面的粘結(jié)強(qiáng)度，在噴前基巖面上噴一層約1cm 厚的水泥砂漿。噴射時(shí)，噴嘴距巖面約0.8～1.0m，噴射角度為70～90°。

　　5.2 鋼纖維噴射混凝土的效果評價(jià)

　　5.2.1 噴射質(zhì)量比較

　　由于隧洞圍巖地質(zhì)條件普遍較差，構(gòu)造發(fā)育，層間擠壓揉皺、錯動較強(qiáng)，光爆效果不夠理想，開挖面起伏度較大，如果采用網(wǎng)噴混凝土，由于鋼筋網(wǎng)很難形成巖面輪廓，和巖面距離不易控制，而采用鋼纖維噴混凝土可以沿凸凹面均勻噴射，與巖面間粘結(jié)良好，支護(hù)質(zhì)量較高。

　　5.2.2 進(jìn)度安全比較

　　常規(guī)網(wǎng)噴混凝土作業(yè)，掛設(shè)鋼筋網(wǎng)的時(shí)間為網(wǎng)噴混凝土總時(shí)間的1/2，采用鋼纖維噴射混凝土，可節(jié)省掛網(wǎng)的時(shí)間，避免了在破碎巖體掛網(wǎng)的危險(xiǎn)，縮短了施工周期和設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間，同時(shí)，由于鋼纖維噴射混凝土具有較好的抗裂性能，能較好的適應(yīng)洞內(nèi)的變形，特別在破碎巖體部位，爆破后的及時(shí)支護(hù)，能以最快速度起到加固作用，更能保證施工安全。

　　5.2.3 性能比較

　　隧洞鋼纖維噴射混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)成果表明，鋼纖維噴射混凝土相比鋼筋網(wǎng)噴射混凝土其性能改善和提高了許多：

　　(1)鋼纖維噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度，在同等標(biāo)號情況下均比普通網(wǎng)噴混凝土要好得多。

　　(2)抗拉、抗折變形性能得到有效改善，一旦鋼纖維混凝土出現(xiàn)裂縫，鋼纖維的作用更加明顯，能發(fā)揮較好的阻裂作用。

　　(3)以往采用鋼筋網(wǎng)噴射混凝土存在集料回彈大以及施工易出空洞，鋼纖維噴射混凝土較好地解決了這些問題。鋼纖維噴射混凝土具有較好的韌性，當(dāng)結(jié)構(gòu)受力達(dá)到極限強(qiáng)度后隨著變形的發(fā)展仍將保持一定的承載能力，它的韌性對圍巖的變形具有良好的吸收能力，有利于在與圍巖的共同變形中建立起新的平衡。

　　6 結(jié)語

　　（1）兩者僅從材料費(fèi)用考慮，鋼纖維噴射混凝土費(fèi)用較高，但鋼纖維噴射混凝土具有支護(hù)快速、及時(shí)，噴層混凝土力學(xué)性能優(yōu)良和圍巖粘結(jié)強(qiáng)度高等特點(diǎn)，這對確保施工安全、加快施工進(jìn)度都有顯著的效果；大大避免了鋼筋網(wǎng)對施工質(zhì)量、回彈以及巖面存在空洞等不利影響；省去了鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)的工序，提高了勞動效率，無論從經(jīng)濟(jì)上還是技術(shù)上都具有一定的優(yōu)勢。

　?。?）采用鋼纖維噴射混凝土不僅抗折強(qiáng)度有所提高，而且韌性好，具有良好的吸收適應(yīng)變形能力，可防止巖塊的塌落，對圍巖的變形有很強(qiáng)的適應(yīng)能力。

　?。?）由鋼纖維噴射混凝土組成的襯砌結(jié)構(gòu)在防水性能和抗腐蝕能力方面有較大的提高，同時(shí)，它的施工工藝簡單，不需增添設(shè)備，在地下洞室的支護(hù)中具有明顯的優(yōu)越性，值得推廣應(yīng)用。