ding钢纤维喷射混凝土在公路隧道中的应用研究(论文)完稿1.doc

钢纤维喷射混凝土在公路隧道中的应用研究白军灿 王玉艳 黄海涛 中铁十七局集团第五工程有限公司和榆项目摘要：叙述湿喷钢纤维混凝土配合比试验过程，以及在喷射支护代替二次衬砌混凝土施工中的质量控制要点，尤其是施工工艺的控制；由于加强质量检查，采取现场钻芯检测厚度和强度等措施，从而保证了喷混凝土施工质量。关键词：钢纤维喷射混凝土；配合比试验；喷射支护；代替二次衬砌混凝土。1、 概述1.1 工程概况和榆高速LJ3合同段内云山隧道位于山西省左权县城东北5公里处，横穿太行山脉西翼的阳曲山东南延，设计为分离式隧道，其附属工程有1#竖井和3#斜井，3#斜井兼做运输通道，辅助正洞开挖。1竖井与3#斜井其下均有地下风机房与云山隧道正洞相连接，地下风机房洞室较多，洞室群断面形式多，且形状不规则。其垂直埋深200500m，各段洞室围岩为微风化至新鲜岩体。在该工程竖井垂直施工地段、大坡度斜井地段、地下风机房多断面洞室处，采取合理的支护手段成为洞室施工的关键。1.2 钢纤维喷射混凝土的特性及应用钢纤维喷射混凝土是在喷射混凝土拌和物中掺入适量的优质钢纤维，经过特定的投料顺序和拌和时间拌和后，使钢纤维均匀分布在混凝土中并进行喷射的新型特种混凝土。大量的钢纤维均匀地分布于混凝土中，与混凝土形成较大的接触面，从而使混凝土在抗拉、抗剪、抗弯强度及耐磨、抗冲击、抗裂等性能方面都有较大提高，达到在地下工程中普通混凝土难以满足的技术要求指标。它能充分利用岩体的自身承载能力而又不破坏支护结构，并达到保护围岩的目的，而且施工快捷、安全，工序简便，经济合理。钢纤维混凝土针对于普通混凝土材料，具有更好的韧性、阻裂性能和变形性能，其应用于隧道支护体系主要表现为可以提高隧道衬砌抵抗剪切破坏的能力，允许围岩有限制的变形。根据地质条件和设计要求，在竖井、斜井及地下风机房的施工中，采用了湿喷钢纤维混凝土技术与系统锚杆联合支护的形式，有效的利用钢纤维混凝土代替模注混凝土，提高了施工效率，加快了施工进度。二、钢纤维喷混凝土配合比设计喷射混凝土与常态混凝土的施工方法不同，配合比的设计方法也不一样。依据锚喷支护施工规范中推荐钢纤维喷射混凝土的灰骨比为1.0（3.04.0）、水胶比为0.40.45、砂率宜为50%60%。由于目前喷射混凝土配合比设计尚无相关技术规程，在配合比设计时只能参考公路隧道施工技术细则（JTG/T F60-2009）及普通混凝土配合比设计规程（JGJ 55-2000）中有关规定；当设计龄期为28d 时，抗压强度保证率 95%，对应的概率度系数t值为1.645，混凝土设计强度等级CF30CF35的标准差选用值为5MPa，故CF30钢纤维喷混凝土按式fcu，O= fcu，k+t计算，配制强度为38.2MPa。水胶比经试验优选为0.5，硅粉掺量为胶材用量的8%；配合比计算均采用容重法，取喷钢纤维混凝土容重为23.56KN/m3,并最终通过现场试喷结果确定。湿喷混凝土由于在喷嘴处才加入速凝剂，所以，参考和采用部分常态混凝土配合比的设计方法来进行喷混凝土配合比设计的工程实例日愈见多。三、钢纤维喷混凝土试验3.1 钢纤维喷混凝土设计技术指标按设计要求，在室内进行了CF30混凝土配合比的设计及试验，因速凝剂对混凝土后期实际强度的影响，混凝土强度配制时留有一定的富裕(20%)，实际配制强度为45.84MPa。值得介绍的是由于钢纤维、硅灰的加入以及泵送混凝土较大流动度的要求，配合比设计时应采用较大的砂率，建议砂率5060，坍落度控制在(16020)mm。抗压强度设计等级为：CF30，钢纤维掺量35kg/m3。3.2原材料试验检测钢纤维喷混凝土由胶凝材料（水泥、硅粉）、砂子、碎石、水、外加剂（速凝剂、减水剂）、钢纤维等组成。3.2.1水泥采用河北省邯郸市武安新峰水泥厂生产的普通硅酸盐42.5水泥，初、终凝时间分别为133min、223min，3d抗压强度为29MPa，28d抗压强度为50.6MPa，安定性合格，其余检测指标符合水泥国标的相关技术要求。3.2.2 硅粉硅粉由于具有极高的活性及确定的填充效应，被广泛用做各类混凝土的掺和料。在喷射混凝土中掺入适量的硅粉，可以改善混凝土的可泵性、粘结强度以及抗碱骨料反应的能力，提高抗渗性及抗硫酸盐能力，减少回弹量。本次试验采用成都绵羊科技有限公司生产的92U微硅粉，其活性指数28d为112%，烧失量2.98%，其他指标均符合规范指标要求。3.2.3骨料本次试验细集料选用河北省隆尧临城东关沙场生产的中砂，细度模数为2.8,含泥量为2.1%；粗集料采用左权县蛤蟆滩碎石厂生产的规格为4.75-9.5mm碎石，表观密度为2.64g/cm，含泥量为0.4%。3.2.4 外加剂速凝剂采用中铁岩峰成都科技有限公司生产的型号为TK-W无碱液体速凝剂，可泵工艺性好，与水泥相容性好。初凝、终凝时间分别为4：50min:s、11:40min:s,1d抗压强度6.4MPa，28d抗压强度比76.4%，含碱量0.61%。减水剂采用山西省运城市泓翔建材有限公司生产的聚羧酸类高效减水剂，减水率25%，经试验与水泥及速凝剂相容性较好，缓凝组分适宜。3.2.5 钢纤维混凝土是一种脆性材料，在开裂后其承载能力迅速下降，即韧性较差。钢纤维是配合比中最重要的原材料，由于其体积小，能在整个喷射混凝土层中均匀分布，从而改善喷射混凝土的裂隙和拉力分布，延缓初始开裂，使钢纤维喷射混凝土成为一种高承载能力的柔性材料，在开裂后仍然具有比较大的承载能力。通过掺用优质的钢纤维，可使喷射混凝土的断裂能量提高50200倍。作为大型地下洞室的永久支护材料，钢纤维抗拉强度不应低于1000 MPa，等效直径应为03055 mm，长度应不超过泵管直径的5060。本次试验采用上海贝尔卡特-二钢有限公司生产的冷拔钢丝钢纤维，L=30.5mm，直径0.5mm，抗拉强度为1041MPa。3.3 室内配合比选择试验3.3.1 拌和工艺的选择根据混凝土拌和站的实际情况，进行了投料顺序的试验，根据试验结果确定投料顺序及拌和工艺：先加入粗骨料，再加入纤维和粗骨料一同搅拌至少1分钟，然后加入细集料、胶凝材料、减水剂、和水一同搅拌至少2分钟，总计搅拌时间不小于3min，不宜超过4min。搅拌站计量系统满足相关规范要求。在保证混凝土不离析、不泌水的前提下，混凝土出机时坍落度控制在160200mm，喷射时的坍落度控制在140mm以上。3.3.2 配合比室内试验试验室依据设计指标，按照有关技术规程对钢纤维喷射混凝土进行室内试拌，并对其混凝土拌和物各项性能指标进行检验；结合施工实际情况，喷射混凝土配合比室内试验的条件确定为：机械拌和混凝土，控制出机坍落度为160200cm；固定混凝土中钢纤维的掺量为35kg/m3；在混凝土拌和物试验内容完毕后，加入速凝剂人工快速拌和30s，然后装模在振动台上振捣密实并立即抹面，一天后拆模在标准条件下养护至设计龄期进行力学性能试验。本试验研究期间试拌配合比40余组，砂、石鉴定8组，并作对比试验2组。最终设计配制出了既经济又实用且完全达到设计要求的钢纤维喷射混凝土。3.3.3 室内配合比的确定经过试验室拌合试验确定配合比为：水泥：硅粉：砂：石：水：钢纤维：减水剂=396:34:852:818:215:35:5.6。其中速凝剂掺量为6%,25.8kg/m3。其室内力学性能试验成果见表1。表1 湿喷钢纤维混凝土室内力学性能试验成果表设计等级水胶比坍落度/mm抗压强度/MPa抗压强度比/%CF300.501807d28d7d28d31.347.887.495.23.4现场喷射试验3.4.1试验目的混凝土搅拌站依据试验室提供的配合比参数进行配料拌和，拌和均匀后（即在混凝土拌和物中钢纤维完全被打散成单根）用混凝土罐车运至施工现场完成喷射试验。在试验过程中，进行现场拌和工艺验证，确定喷射风压、喷射距离及喷射角度，检测混凝土的可泵性、回弹量检测等。现场喷射混凝土大板，以便加工制作芯样检测试件强度，观察喷混凝土中钢纤维分布的均匀性。3.4.2试验结果（1）钢纤维喷混凝土的力学性能试验结果，是以施工现场喷大板切割法或钻芯检测为主，对到龄期的钢纤维混凝土试件进行各项力学性能检测。（2）试件制作。在现场试验时采用喷大板制作试样，将大板试模置于试验部位的拱部及边墙。待钢纤维混凝土拌和均匀后，用混凝土喷射机对准木盒沿水平方向喷射，喷满后刮平混凝土表面，在施工现场预养护1d后脱模；送实验室在标准条件下养护6d，用切割机加工成边长为100mm的立标准立方体试件；继续在标准条件下养护至28d龄期，进行抗压强度试验。（3）喷射回弹率，根据现场实测结果，边墙回弹率为9.8%，顶拱回弹率为15.5%，回弹量较小，约为普通喷混凝土回弹率的70%。4喷混凝土施工4.1混凝土拌和混凝土搅拌站必须严格按照试验室所提供的配料单进行拌和。当混凝土充分搅拌均匀后，使钢纤维完全分散，才能用搅拌车运到施工现场卸入喷射机料斗待喷。在混凝土拌和物中，液体速凝剂在混凝土湿喷机处添加。4.2 喷射设备喷射施工采用湿喷工艺，混凝土由混凝土拌和站（120m3/h）生产，混凝土罐车运输；选用TK600（带自动筛选喂料系统和速凝剂准确计量系统）混凝土喷射机（生产能力为5m/h），施工机械化程度较高。4.3 喷射操作手操作人员必须经过专业培训、持证上岗，能够熟练掌握喷射设备的技术性能；在操作过程中严格遵守操作规程，保证喷射正常、稳定的进行工作。4.4施工工艺控制要点（1）喷射顺序：喷射时应按照先凹处后平面，先边墙、后拱部的顺序进行；边墙的喷射顺序为自下而上，拱部的喷射顺序为自拱脚至拱顶；喷射时喷头应作顺时针方向旋转。转动直径约为30cm左右。并注意喷射成型面的平整度符合要求。（2）喷射风压：喷射机工作风压应保持稳定，一般宜控制在0.40.5MPa。（3）喷射距离：喷头与工作面的距离宜控制在0.61.2m左右，喷射距离与骨料粒径、风压有关，喷射时应由操作人员根据喷射效果调整。（4）喷射角度：喷头与受喷面的夹角应控制在7090；施工时应尽量使喷头与受喷面垂直，以减少喷混凝土的反弹；试验表明，喷射角度越小，回弹量越大。（5）喷射厚度：一次最佳喷射厚度顶拱部控制在5cm，边墙部位控制在815cm。（6）混凝土养护：宜按常规混凝土养护方式进行，确保混凝土表面湿润7d。4.5施工效果（1）根据施工现场观察，掺有钢纤维喷射混凝土的密实度、均匀性及外观质量较好，能够快速有效地对危岩进行安全加固。（2）在喷混凝土中掺入钢纤维，可以改善混凝土的韧性和抗裂性能，减少设计喷层的厚度。满足设计要求，成型面平整度合格。（3）成型面在基面相应的排水设施结合作用下，未现渗水现象，防水效果可行。五、钢纤维喷射混凝土在洞室内的应用及效果生产工艺性试验完成后，按照上述要点对竖井地下风机房送风道100m进行了5个工作班的集中喷射支护，共喷射混凝土约300立方米。喷射过程中无堵管、结团等现象，回弹量较小。整个施工过程顺畅。喷射中采用35kg钢纤维掺量，速凝剂掺量根据现场回弹情况实际调整，现场掺量为6。喷射过程中现场共取得大板试件8组，进行其抗压、劈裂抗拉等常规力学性能试验。平均抗压强度达到了416MPa，劈裂抗拉强度达到了44MPa，均满足设计CF30的要求。对现场喷混凝土进行钻芯，同样支持上述结果，也证明了该混凝土配合比是可行的。六、效果评价传统的支护方式是先用喷射混凝土临时支护，然后用混凝土或钢筋混凝土衬砌。这种支护方式不仅成本高而且施工时间长，尤其是在形状复杂多变的断面上。湿拌钢纤维喷射混凝土很好地解决了早期喷射混凝土耐久性及衬砌承载能力差的问题，由于其混凝土水灰比稳定、可控，并且在混凝土中掺入了硅粉和钢纤维，使其耐久性、衬砌承载能力及与围岩的粘结力均得到了很大的提高。湿拌钢纤维喷射混凝土作为一