钢纤维喷射混凝土在隧道衬砌中的应用与研究.pdf

钢纤维喷射混凝土在隧道衬砌中的应用与研究 【摘 要】文章分析了钢纤维喷射混凝土对原材料的要求�结合 钢纤维喷射混凝土隧道衬砌施工的特点�重点进行了配合比和锚 喷、网喷施工工艺方面的研究�解决了钢纤维喷射混凝土隧道衬砌 的集料回弹率大、结团堵管、强度不够等常见问题�加快了施工进 度和降低综合成本的效果。本文对类似隧道的设计与施工有一定的 参考价值。 �【关键词】钢纤维喷射混凝土�隧道衬砌�新奥法�施工工艺� 控制指标 �� 引言 �在欧洲、日本等国�钢纤维喷射混凝土已成为隧道支护的主要结 构形式和施工方法�我国干喷法钢纤维混凝土近年来发展的也较 快。但是相比欧美、日本等国�我国目前的相应的研究、技术指导 文件、行业标准还是有些滞后�有关的试验和检验的细节国内尚无 相应的标准�虽然大量引用国外标准内容�仍缺乏大量工程应用的 借鉴。 �� 工程概况 �卡迈尔公路隧道位于以色列海法市中心�是由东、西隧道组成� 为双向分离式隧道�共 4 座单洞�全长 9495m。该隧道属于暗挖隧 道�洞身穿越砾岩�conglomerate� 、白垩岩�chalk� 、石灰岩 �limestone� 、凝灰岩�tuff� 、白云岩�dolomite�等�地质情 况复杂�施工难度大�其中西隧道穿越的 890 米火山凝灰岩段地段 尤为复杂。隧道不设二次衬砌�采用 c30/37 干喷钢纤维混凝土、 格栅钢架、砂浆锚杆组成的联合锚喷支护体系作为永久支护�该隧 道采用新奥法施工�安全质量控制采用欧洲及以色列等国家相关安 全技术质量控制标准。 �� 原材料要求及配合比 �该隧道衬砌全部采用 c30/37 钢纤维喷射混凝土作为永久支护�大 部分喷射混凝土厚度为 400mm�其中凝灰岩地段设计厚度为 800mm� 钢纤维掺量设计要求不低于 50kg/m3�采用干喷法施工工艺。 ��.1 为了达到最佳施工质量及相关要求�在进行喷射钢纤维混凝 土配合比设计前�对混凝土原材料都有具体的要求。 ��.1.1 钢纤维 �根据国内大量的实验研究和工程应用�在选取钢纤维几何参数和 掺量时�要兼顾钢纤维混凝土强度和韧性以及拌合物的施工性能� 对于隧道衬砌而言�混凝土的阻裂、增强、增韧效果以及工程的成 本是非常重要的�对于施工有特殊要求的干喷法喷射混凝土�不仅 仅韧性要求较高�而且还要承受爆破、围岩荷载的情形�所以选择 钢纤维宜细长些、掺量宜高些。本工程选用性能优良的新型高强钢 丝切断端钩型纤维�选用钢纤维长度 33mm�长径比为 60�钢纤维 掺量 50kg/m3�体积率约为 0.62。 �经试验试配和现场试喷表明�其增强效果和施工性能以均可满足 要求。 ��.1.2 水泥 �采用 cemi52.5r 水泥�早期强度高�增长快�后期强度有保障� 钢纤维混凝土中水泥用量较大�为 360kg/m3�480kg/m3。 ��.1.3 细骨料 �采用硬质、洁净的中砂为宜。 ��.1.4 粗骨料 �质地坚硬的人工碎石均可�喷射混凝土最大粒径不宜过大�选用 粒径为 5mm�10mm 的碎石。我国喷射混凝土骨料最大粒径通常为 15mm�砂率 45�50�但考虑到减少喷射管道输送阻力减少堵管和 减少回弹�及参考当地国家规范�确定最大骨料粒径为 10mm�砂率 为 50�70。 ��.1.5 水 �选用饮用水。 ��.1.6 速凝剂 �隧道开挖中渗水较大时�为尽快提高混凝土的早期强度�一般按 2�4的掺量加入速凝剂。使用前先做与水泥的相容性试验及水泥 净浆凝结效果试验�初凝时间不应大于 5min�终凝时间不应大于 10min。经试验选定掺量为水泥质量的 3。 ��.2 配合比 �根据铁道科学研究院的试验证明�决定抗压强度的主要因素仍然 是喷射混凝土的配合比设计。通过对 c30/37 干喷钢纤维混凝土强 度、抗渗性和抗氯离子渗透性等耐久性特性要求的综合分析�结合 以色列当地原材料特性�通过计算及试验室反复比选�c30/37 喷混 凝土理论配合比设计如下所示� �cemi52.5r 水泥�477kg�机制砂 0.15-5mm�822kg�粗骨料�碎 石�5-10mm�803kg�钢纤维�50kg�速凝剂�meyco sa 162液态� 水�238kg。 �� 施工工艺与控制 ���� 混凝土拌制、存放和运输 �钢纤维在拌和料中的分布均匀性�不仅与原材料和搅拌工艺有关� 而且受搅拌机械和投料方法影响更大。本工程施工中采用双阶式搅 拌站和双卧轴强制式搅拌机。 �干喷法施工时�喷锚料应尽量随拌随用�掺入速凝剂时存放时间 不得超过 20 分钟�不掺入速凝剂时干混合料存放时间不超过 1 小 时�否则被视为废料�废料不可以再使用。在运输和存放过程中不 得淋雨、流入水或其他杂质。 ��.2 人员配备 �喷射手两人轮换及辅助工作�兼任工班长�上料四人�两人一组 轮换工作�每组一人兼任喷射机司机�搅拌 3 人�1 人为搅拌机司 机�两人轮换兼任运料车司机�另需当值电工 1 人。 ��.3 现场喷射作业 ��.3.1 在施工时还应注意风压对喷射钢纤维混凝土的影响。采用 适当的风压是减少回弹损失、钢纤维均匀分布的必要条件。若风压 过大�粗骨料碰围岩后会回弹�降低风压则横向气流的压力和流速 也会降低�这样不仅会减少钢纤维的回弹损失�也会改善钢纤维分 布的不均匀性�若风压小�喷射动能小�粗骨料冲不进砂浆层而脱 落�都将导致回弹量增大。以混凝土回弹量小、表面湿润有光泽、 易粘着为度来控制喷射压力。送风之前先打开计量泵�送风后调整 风压�喷射风压控制在 0.45�0.7mpa 为宜。 ��.3.2 混合料经过 10mm 的筛后进入混凝土喷射机通过胶管长距 离的高速输送�在喷头处已稍有分离�水在按比例混合液体速凝剂 后在喷头处加入�喷射应根据当前标定的给水速度和水压调整喷头 处的水阀�按混凝土配合比设计确定的水灰比供水�扣除拌和时降 尘用水� 。 �喷射混凝土时�喷枪要尽量垂直地正对工作面�喷射方向与受喷 面垂直等距喷射�喷头与受喷面距离 1.0�1.5m。若受喷面被钢架、 钢筋网覆盖时�可将喷嘴稍加偏斜�但不宜小于 70�喷头连续平 稳地自下而上水平横向移动�成一圈压半圈的螺旋缓慢移动�保证 混凝土层面平顺光滑。 ��.3.3 分层喷射混凝土到设计厚度�每层厚 8�20cm�格栅钢架 保护层不小于 5cm。整个喷射混凝土表面要平顺。喷射作业分段分 片依次进行� 喷射顺序自下而上� 分段长度不大于 6m。 分层喷射时� 后一层喷射在前一层混凝土终凝后进行�若终凝 1h 后再进行喷射 时�先用高压风水清洗喷层表面。在喷射下台阶及仰拱时�需首先 将喷射面清理干净�禁止回弹料混入下部喷层中形成“蜂窝” �降 低支护体系的强度。喷射过程中必须注意回弹物对工作人员的伤 害�应加强防护�特别是对眼睛的防护。 ��.3.4 养护 �混凝土施工质量的好坏�受养护的影响相当明显。因此在混凝土 喷射完毕后要及时洒水养护�其养护时间不应小于 14d。 �� 试验控制指标及性能研究 �测试方法及控制指标 ���� 钢纤维含量 �喷射混凝土钢纤维含量测定时为钢纤维与混凝土干拌料比值的百 分数。 ���� 抗压强度 �混凝土试验检测为实体钻心取样检测�根据检验频率随机选取取 芯位置�由第三方试验室进行取芯试验检测。如取样不合格�则加 倍取样�若仍有不合格试样�则判定此检验批混凝土为不合格。 c30/37 混凝土的标准立方体抗压强度为 37mpa�其标准圆柱体轴心 抗压强度为 30mpa�经计算后对比试验验证�试验芯样 28d 的抗压 强度不小于 42mpa�且单个芯样的强度值不小于 90�设计强度。 ���� 粘结强度 �混凝土的粘结强度即为喷射混凝土与岩石的粘结强度。 ���� 缺陷等级 �混凝土的缺陷等级通过钻芯所取试样的来评价其外观缺陷等级� 其结果与钢纤维混凝土搅拌的均匀性和喷射混凝土的喷射水平有 很大关系。 �喷射混凝土的各试验项目控制指标见表 1。 �� 结束语 �卡迈尔隧道工程实践证明�钢纤维喷射混凝土本身施工快捷、方 便�有利于工程质量安全和进度�在适应隧道施工空间有限、隧道 断面多变�横通道避车洞多等作业施工条件等方面具有明显的优越 性。同时�混凝土质量及施工进度对配合比的选择和施工工艺有较 高的要求�所以在施工前的精心比对选取配合比和施工前的试喷非 常重要�另外�钢纤维的掺量对混凝土的工作性也有很大的影响� 应引起重视。 �【参考文献】 ����state of israel.chapter 54general specification[m].2nd edition.updated,1997. ����怀平生.以色列卡迈尔隧道凝灰岩段设计施工技术[j].铁道 建筑�2009�11� �30-33. ����程庆国�等.钢纤维喷射混凝土理论及应用[m].北京�中国 铁道出版社�1999. ����british standards institution. bs en 206-1 2000 concrete – part 1 specification, perance, production and conity. ����中国工程建设标准化协会标准cecs382004 纤维混凝土结 构技术规程及条文说明[s].北京�中国计划出版社�2004. ����efnarc 1996. european specification for sprayed concrete[ol]. www.cfnarc.org. ����astm ci116-02 standard specification for fiber-reinforced concrete and shotcrete[s].philadelphia. p.a. american society for testing and materials astm. ��责任编辑�常鹏飞� � �作者简介�张欲晗�1981� �男�山东莒县人�工程师�中铁十 二局集团。 � �