对引滦入津隧洞顶拱喷射混凝土施工的思考

张伟   赵宇赵前程

摘要：通过对引滦入津隧洞二期补强加固工程的施工，总结了喷射聚丙烯纤维混凝土施工中的关于回弹量、厚度、强度、检测等一系列问题和解决方法，并对以后引滦入津隧洞工程喷射混凝土施工提出建议。
关键词：喷射混凝土   回弹量   厚度   强度   检测
Abstract: Through the construction of reinforcing the tunnel of Phase II Luan River to Tianjin，Summarizes a series of problems and solving methods, that is about the construction of polypropylene fiber concrete resilience volume, thickness, strength, testing. And propose construction of sprayed concrete tunnel recommendations of Luan River to Tianjin.
Keywords: sprayed concrete resilience volume thickness strength testing
中图分类号：TU74    文献标识码：A     文章编号：

1 工程概况
引滦入津隧洞位于滦河大黑汀水库与黎河接官厅村之间的分水岭地带。主体工程包括分水枢纽、引水明渠、明挖隧洞、洞挖隧洞、出口防洪闸及消能工。全长12.39km，统称输水隧洞。其中洞挖隧洞9.666km，明挖隧洞1.724km，其中共计15个喷射混凝土洞段都分布在桩号0+382~2+564之间的进口段，总长1462.1m。
2 喷射混凝土在隧洞二期补强加固工程中的作用
迄今隧洞工程安全运行已27年，但在近5~6年内，逐渐发现进口喷射混凝土洞段出现不规则的“树枝”状裂缝，并有乳白色钙质析出，局部有隐渗或滴渗现象，如任裂缝发展，最终顶拱喷射混凝土分割成不规则的“块体”，使顶拱的整体性受到严重削弱，威胁工程安全。
鉴于喷射混凝土段围岩地质条件较好，并与国内有关工程和设计科研单位进行调研后，决定不必对出现裂缝段拆除重建，而采用在其表面复喷一层聚丙烯纤维混凝土来限制裂缝的继续发展。
喷射聚丙烯纤维混凝土具有强度高、密实性强、操作简单、灵活性大等优点，通过在混凝土中掺加聚丙烯纤维增加混凝土的抗裂性，从而实现限制裂缝发展的目的。
3 喷射混凝土施工应注意的问题
3.1 注意控制喷射混凝土回弹量
   引滦入津隧洞二期补强加固工程顶拱喷射聚丙烯纤维混凝土施工采用湿喷法，经施工发现注意以下几点可以将回弹量控制在15%~24%的理想范围。
（1）排水处理。对有集中渗水点在其中央部位补打排水孔，打排水孔部位插入φ50mm材质PVC排水管，外表长度根据混凝土喷射厚度来确定，本工程喷射混凝土厚度为130mm或160mm，因此排水管外表长度为20cm,并将孔口封闭，复喷混凝土后将封闭孔连同外露部分管段切除。
（2）分段分块喷射。混凝土喷射作业分段、分片依次进行，便于施工管理，有利于保证喷射质量。喷射顺序自下而上，先两头后中间，可避免松散的回弹物料污染待喷面，并且由于下部喷层对上部喷层的支托作用，有利于避免混凝土的脱离。喷头指向一个点时间不宜太长，应均匀而缓慢地以顺时针方向作旋转行移动，可形成均匀的喷射混凝土，混凝土回弹率最低。
根据以上情况，确定隧洞二期补强加固工程喷射聚丙烯纤维混凝土施工时，分段长度不大于6m，分块尺寸不大于为2m×2m，严格按先边后拱、先下后上的顺序进行喷射，见图1。

图1 喷射顺序图
（3）控制聚丙烯纤维混凝土配合比、搅拌工艺及水灰比
隧洞二期补强加固工程通过聚丙烯纤维混凝土试喷及实际施工，确定的隧洞工程聚丙烯纤维喷射混凝土施工配合比见表1：
表1 聚丙烯纤维喷射混凝土施工配合比
类别强度等级水：胶凝材                   1m³材料用量kg
    （MPa）    料：砂石    水水泥粉煤灰河砂碎石减水剂速凝剂聚丙烯纤维
湿喷    C25    0.45：1：4.5   176 353    39    1019   745   2.35    9.80       1.0
和一般喷射混凝土搅拌对比，其搅拌时间应适当延长，以确保聚丙烯纤维在混凝土中分布均匀。
搅拌工艺为：加大部分水、减水剂→搅拌30s→加水泥、粉煤灰、河砂、碎石、聚丙烯纤维→搅拌3min→加剩余的水→搅拌1min。塌落度控制为12cm±2cm。
喷射混凝土的水灰比控制是比较困难的。熟练地喷射手通过喷射混凝土表面的光滑度可判断水灰比的大小。理论上讲，0.45~0.50的水灰比对喷射混凝土的回弹量和质量是有利的。
（4）控制喷射距离和角度。实践证明喷头于受喷面保持垂直距离在0.6~1.2m的情况下，粗骨料易嵌入塑性砂浆层中，一次喷射厚度大，粉尘浓度小，混凝土回弹量较小。距离太远会使喷射混凝土回弹率增大，密实度降低；距离太近，不仅混凝土回弹率增大，且回弹骨料还会伤害到喷射手。
喷头长度一般只有0.5~0.6m，喷射手因存在骨料反弹的恐惧心理，要将喷射距离控制在0.6~1.2m较困难。在实际施工中，通常在喷头上接1个直径为100mm，长为0.7~0.9m的塑料管，这样可将喷头加长到1.2~1.5m，这样喷射手站在距离受喷面2.0m左右即可进行喷射。
喷嘴与受喷面应尽量垂直，并偏向刚喷射部位（倾斜角控制在10°内）.这样不仅回弹量小，而且喷射效果和质量更好。
   （5）控制风压
当风压过小，即喷射速度（即喷头出口处工作风压）太小时，由于喷射冲击力太小，粗骨料不容易嵌入塑性砂浆层中，则回弹率增大，也影响喷射强度；当风压过大时，即喷射冲击力太大时，回弹率也高，也会使粉尘浓度增大。实践证明，拱部风压控制在0.4~0.65Mpa之间，喷头出口处工作风压在0.1~0.25Mpa内，喷射混凝土回弹率较小，强度较高，粉尘浓度较低。
3.2 注意控制喷射混凝土厚度
喷射混凝土的厚度应达到设计厚度和规范允许的误差范围。从施工现场情况看，隧洞顶拱喷射混凝土的厚度很难控制，这是因为在隧洞开凿的过程中它的岩体表面是不平滑的，因此会出现很多凹凸不平的受喷面，这样就很难控制喷射厚度了。
为了解决这个问题我们首先要在受喷面埋设喷射混凝土厚度标志，通过这个标志来控制喷射厚度。同时应掌握受喷面凹陷宜先喷和多喷，而凸出处宜后喷和少喷，不宜过厚或过薄。
     一次喷射厚度过厚容易造成混凝土脱落，这是因为其抗拉及粘结强度都很低，当喷射混凝土自重大于其与受喷面的粘结强度时，即出现脱落现象。施工中发现，喷射出的混凝土开始与受喷面碰撞时，回弹率很大，粗骨料几乎全被弹回。当形成0.5~1cm的砂浆塑性层后，粗骨料才被嵌入，回弹率逐渐减小，喷射厚度在5cm时，回弹基本稳定下来。
在隧洞二期补强加固工程中，顶拱一次喷层厚度为6cm；在15℃~25℃，在50分钟后进行复喷。在渗水或滴水地段，先喷一层厚2cm细骨料混凝土，然后再喷射混凝土至设计厚度。3.3 注意检测喷射混凝土强度
目前对喷射混凝土强度试验的方法主要是喷大板切割法和现场取芯法。采用这两种方法对喷射混凝土强度进行检测都存在着一定的难度，首先，喷大板切割法在切割100mm×100mm×100mm的立方体时，允许偏差为：边长不超过±1mm，直角不超过±2°，这就给切割立方体时带来了很大的难度；其次，现场取芯法对隧洞顶拱部位的取芯很难操作，危险性极大，但是芯样只需简单处理可直接进行实验，非常方便。这样我们是否可以将以上两种方法融合到一起，答案是肯定的，经试验证明，同一大板上的立方体和圆柱体试块抗压强度相差不到2%，表明这种方法在理论上和实践上都是可行的。圆柱体试件的标准抗压强度可按公式（1）换算：
fccu=α4F/πd2 （1），
式中：fccu为混凝土芯样试件的标准抗压强度，MPa，精确至0.1 MPa；F为混凝土芯样试件抗压试验测出的最大压力，N；d为混凝土芯样试件的平均直径，mm；α为不同高径比的芯样试件混凝土强度换算系数，按表2选取。

表2   不同高径比芯样混凝土强度换算系数
名称                                   高径比（h/d）
           1.0   1.1    1.2    1.3    1.4   1.5   1.6    1.7    1.8   1.9   2.0
换算系数α 1.00 1.04   1.07   1.10   1.15 1.15 1.17   1.19   1.21 1.22 1.24

3.4 注意检测喷射混凝土与原受喷面黏结强度
在补强加固工程中，对喷射混凝土与原受喷面黏结强度的检测是必要的，其可按公式（2）计算：
RC=PC/AC·cosα (2),
式中:RC为喷射混凝土与原受喷面的黏结强度，MPa；PC为实测破坏拉力，N; AC为喷射混凝土与原受喷面破坏面积，mm2；α为实测断裂面与芯样横截面交角，°。
4 提出建议
   （1）通过对受喷面进行排水处理、分段分块喷射，控制聚丙烯纤维混凝土配合比、搅拌工艺、水灰比，控制喷射距离、角度、风压以及一次喷射厚度等方法来降低回弹率。
   （2）对于补强加固工程顶拱喷射混凝土应通过采用正确、简便的喷射混凝土强度检测、喷射混凝土与原受喷面黏结强度检测等方法，来控制喷射混凝土工程的质量，确保质量合格。
（3）湿喷混凝土具有喷射混凝土质量稳定，回弹量少，粉尘污染小，生产效率高等优点，应积极推广使用。
（4）最后，在水利事业迅速发展、水资源日趋紧张的今天，引滦隧洞工程施工更要理论结合实际，各道工序步步为营，质量层层把关，确保施工顺利进行和效益不断增长。
作者简介：张伟（1984），男，天津市，助理工程师，主要从事水利工程管理工作。参考文献：
[1]刘清宝，对喷射混凝土强度检测方法的几点看法，建井技术，2002，4。
[2]任小平，隧道工程喷射混凝土施工的探讨，工程科技，2004，4。
[3]水电水利工程锚喷支护施工规范。
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