高強噴射混凝土在鐵路隧道中的應用研究

楊富民，孫成曉，仇鵬，張雯，何軍利

(1.中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京 100081;2.北京鐵科首鋼軌道技術股份有限公司，北京 102206)

高強噴射混凝土在鐵路隧道中的應用研究

楊富民1，孫成曉2，仇鵬1，張雯1，何軍利2

(1.中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京 100081;2.北京鐵科首鋼軌道技術股份有限公司，北京 102206)

采用TK－S無堿液體速凝劑和硅灰配制C50高強噴射混凝土，并對其抗壓強度、體積穩定性、抗凍性能及抗滲性能進行試驗研究。試驗結果表明:采用TK－S無堿液體速凝劑配制的C50高強噴射混凝土，其28 d抗壓強度為56 MPa，為基準混凝土抗壓強度的108% ;90 d收縮率為0.016 9% ，與基準混凝土收縮率相當;經300次凍融循環，相對動彈性模量為97.3% ，質量損失為1.18% ，未發生凍融破壞;當滲透壓力為1.3 MPa時，滲水高度為54.3 mm，無堿液體速凝劑對于噴射混凝土的滲透性有改善作用。

噴射混凝土 無堿液體速凝劑 抗壓強度 耐久性能

隨著國內基礎建設規模不斷擴大，鐵路、公路、水利等工程隧道的數量不斷增加，作為施工過程中初期支護體系重要組成部分的噴射混凝土，因其具有封閉及時、施工快速和緊貼圍巖等特點，使用量也越來越大。初期襯砌用噴射混凝土以強度等級C25和C30的混凝土為主。對地質條件較差的圍巖，為增加噴射混凝土初期支護剛度，往往通過增大噴射厚度來實現。研究表明，噴射混凝土厚度過大，會對初期支護結構造成一系列不利影響，如增大彎曲應力、脆性以及施工成本等。因此，不宜盲目增大噴射混凝土的厚度，而應對噴射混凝土的性能進行優化，提高噴射混凝土的力學性能和耐久性能。針對上述情況，采用中國鐵道科學研究院研制的TK－S無堿液體速凝劑和硅灰配制C50高強噴射混凝土，在壁板坡隧道進行了現場試驗，對其抗壓強度、體積穩定性、抗凍性能及抗滲性能進行了分析。

1 工程背景

壁板坡隧道為滬昆客專第一長隧道，全長14 756 m，最大埋深約735 m，為低瓦斯隧道。沿線地形起伏大，地層繁多，巖性繁雜，斷裂構造發育，可溶巖地層分布廣泛。主要不良地質和特殊地質現象有滑坡、崩塌、危巖落石、巖堆、高地震烈度、高地應力、軟土等。隧道與構造線方向呈大角度相交。初步分析可溶巖地段隧道穿越巖溶深部溶蝕裂隙發育帶，總體處于水平循環帶內，進口局部地段處于地下水垂直循環帶，隧道開挖時在洞身部位可能會揭穿巖溶管道，遇到較大的巖溶突水，預計隧道涌水量為75 700 m3/d，雨洪期最大涌水量為184 100 m3/d。

2 原材料性能

水泥為云南遠東P.O 42.5水泥，比表面積344 m2/kg，28 d抗壓強度51.3 MPa;硅灰中二氧化硅含量88.2% ，燒失量3.4% ，需水量比105% ;細骨料為機制砂，石粉含量6.5% ，細度模數3.4，泥塊含量0.2% ，壓碎指標19% ;粗骨料為5～10 mm單級配碎石，含泥量0.7% ，石粉含量5.6% ，表觀密度2 670 kg/m3;水為普通自來水，符合《混凝土拌合用水標準》(JGJ 63—89)要求;減水劑為聚羧酸減水劑，減水率26% ，含氣量2.9% ;速凝劑采用中國鐵道科學研究院研發的TK－S無堿液體速凝劑，堿含量為0.05% ，速凝劑性能指標見表1。

表1 TK-S 無堿液體速凝劑性能指標

3 配合比設計及試件制作

3.1 配合比設計

所配制的C50高強噴射混凝土坍落度為180± 20 mm，混凝土和易性良好，無離析泌水情況，水膠比為0.38，混凝土密度為2 400 kg/m3。通過調整砂率和膠凝材料用量使噴射混凝土達到最佳工作性能，最終確定1 m3混凝土中膠凝材料用量為525 kg，其中摻入總膠凝材料用量5% 的硅灰作為摻合料，混凝土砂率為48% 。混凝土配合比見表2。

表2 C50噴射混凝土配合比kg/m3

3.2 試件制作

試驗共制作了2組混凝土試件，其中一組試件為基準混凝土，另一組試件為摻加無堿液體速凝劑的混凝土。

噴射設備采用成都巖鋒科技有限公司生產的TK－500型噴射機，噴射工藝為濕噴。每組配方噴射500 mm×450 mm×120 mm和500 mm×200 mm×170 mm大板各5塊，最后切割成8組抗壓試件、1組抗凍試件和1組抗滲試件。混凝土干縮試件在室內成型。

4 試驗結果及分析

4.1 抗壓強度試驗

分別對2組混凝土試件進行了1，3，7，28，56，90 d 共6個齡期的抗壓強度試驗，試件尺寸為100 mm× 100 mm×100 mm。測試方法依據《普通混凝土力學性能試驗方法》的規定。噴射混凝土各齡期抗壓強度變化曲線如圖1所示。

圖1 噴射混凝土各齡期抗壓強度變化曲線

從圖中可以看出，試驗組混凝土1 d抗壓強度低于基準組混凝土抗壓強度，但仍超過10 MPa。隨著養護齡期的增長，試驗組混凝土抗壓強度增長幅度超過基準組混凝土，試驗組混凝土28 d抗壓強度為56 MPa，為基準組混凝土28 d抗壓強度的108% ，滿足混凝土配合比設計要求。這是由于使用TK－S無堿液體速凝劑的水泥漿體在水化過程中生成了大量的針棒狀鈣礬石，與纖維狀的水化硅酸鈣相互穿插成為網狀結構，這種結構有利于提高混凝土的力學性能;此外，摻入無堿液體速凝劑后，水泥漿體中孔結構發生改變，孔洞孔徑集中在100 nm以下，這種孔結構會提高混凝土的抗壓強度;同時，硅灰由于粒徑較小，可填充混凝土內部孔隙，導致混凝土大孔孔徑降低，進一步提高混凝土強度。

4.2 體積穩定性試驗

混凝土體積穩定性試驗采用100 mm×100 mm× 515 mm標準試件，每組3塊。測試方法依據《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082—2009)中關于干縮試驗的規定。噴射混凝土各齡期收縮率變化曲線如圖2所示。

圖2 噴射混凝土各齡期收縮率變化曲線

可以看出，試驗組混凝土收縮率與基準組混凝土收縮率相當，養護90 d時2組混凝土收縮率均為0.016 9% ，說明無堿液體速凝劑對噴射混凝土體積穩定性沒有產生不利影響。這主要是由于在水泥水化過程中無堿液體速凝劑促進大量的針棒狀鈣礬石生成，與纖維狀的水化硅酸鈣相互搭接成為網狀結構，有利于抵抗干燥收縮。

4.3 抗凍試驗

混凝土抗凍試驗采用100 mm×100 mm×400 mm標準試件，每組3塊。測試方法依據GB/T 50082—2009中關于快凍法試驗的規定。噴射混凝土抗凍試驗結果如圖3和圖4所示。

圖3 混凝土相對動彈性模量與凍融循環次數關系曲線

圖4 混凝土質量損失與凍融循環次數關系曲線

從整個凍融試驗結果可以看出，隨著凍融循環次數增加，混凝土動彈性模量均有所降低，但2組混凝土相對動彈性模量都＞95% ，且質量損失都＜1.5% ，均未發生凍融破壞。在凍融循環75次時，基準組混凝土動彈性模量降低較快，但在后續凍融循環過程中，混凝土動彈性模量基本未損失，凍融循環300次后，相對動彈性模量為98.5% ;而摻加無堿液體速凝劑的試驗組混凝土在整個凍融試驗過程中動彈性模量持續降低。凍融試驗結束時，試驗組混凝土的動彈性模量為97.3% ，僅較基準組混凝土降低1.2% 。

4.4 抗滲試驗

采用175 mm×185 mm×150 mm的圓臺形抗滲試件，試驗方法依據GB/T 50082—2009中關于逐級加壓法試驗的規定。當6個試件中有3個試件端面呈滲水現象時，即可停止試驗，記下當時的水壓;如果滲透壓力達到1.3 MPa時仍無試件滲水，則采用滲水高度來評價。噴射混凝土抗滲試驗結果如表3所示，滲水高度測量如圖5所示。

表3 噴射混凝土抗滲試驗結果

圖5 滲水高度測量

從試驗結果可以看出，在水壓達到1.3 MPa時，混凝土試件均未滲水。劈開試件后發現，試驗組混凝土試件滲水高度為54.3 mm，而基準組混凝土試件滲水高度達到78.1 mm。可見使用無堿液體速凝劑對于噴射混凝土的滲透性有改善作用。

5 結論

1)無堿液體速凝劑可提高混凝土28 d抗壓強度。C50高強噴射混凝土28 d抗壓強度為56 MPa，為基準混凝土抗壓強度的108% ，滿足噴射混凝土配合比設計規范。

2)C50高強噴射混凝土收縮率與基準混凝土收縮率相當，90 d時兩組混凝土收縮率均為0.016 9% 。

3)C50噴射混凝土經300次凍融循環后，相對動彈性模量為97.3% ，質量損失僅為1.18% ，未發生凍融破壞。

4)C50高強噴射混凝土抗滲等級為P12，滲水高度為54.3 mm，而基準組混凝土試件的滲水高度達到78.1 mm，說明無堿液體速凝劑對于噴射混凝土的滲透性有改善作用。

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Research on application of high strength shotcrete in railway tunnels

YANG Fumin1，SUN Chengxiao2，QIU Peng1，ZHANG Wen1，HE Junli2
(1.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2.Beijing Tieke Shougang Track Technology Co.，Ltd.，Beijing 102206，China)

In this paper，T K－S alkali－free liquid accelerator and silica ash are adopted to prepare C50 high strength shotcrete and experimental research of its compressive strength，volume stability，frost resistance and impermeability performance has been made.T est results showed that compressive strength of C50 high strength shotcrete which is composed of T K－S alkali－free liquid accelerator and silica ash within 28 d is 56 M Pa，which is 108% of standard concrete compressive strength，its 90 d shrinkage rate is 0.016 9% which is equivalent to the shrinkage of standard concrete，relative dynamic elastic modulus is 97.3% and mass loss is 1.18% without freeze－thaw damage after 300 freeze－thaw cycles，and seepage height is 54.3 mm when the seepage pressure is 1.3 M Pa，which means alkali－free liquid accelerator has a good effect on the shotcrete permeability.

Shotcrete;Alkali－free liquid accelerator;Compressive strength;Durability

U214.1+8

A

10.3969/j.issn.1003－1995.2015.10.23

(責任審編 周彥彥)

1003－1995(2015)10－0111－04

2015－03－15;

2015－05－07

中國鐵道科學研究院基金項目(2013YJ026)

楊富民(1976—)，男，副研究員，碩士。