大伙房輸水工程TBM2標(biāo)噴射混凝土配比設(shè)計研究與應(yīng)用

大伙房輸水工程TBM2標(biāo)噴射混凝土配比設(shè)計研究與應(yīng)用

劉亮

(遼寧潤中供水有限責(zé)任公司， 沈陽110003)

【摘要】通過大伙房輸水工程TBM(隧道掘進(jìn)機(jī))2標(biāo)噴射混凝土配比設(shè)計、選定研究及施工應(yīng)用，總結(jié)出了“無堿液態(tài)速凝劑+濕噴新工藝+TBM掘進(jìn)機(jī)自帶噴射”的噴射系統(tǒng)的施工經(jīng)驗，可為類似工程TBM施工噴射混凝土配比研究參考。

【關(guān)鍵詞】隧洞； 隧道掘進(jìn)機(jī)； 噴射混凝土； 配合比設(shè)計

中圖分類號：TU528.53文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

Research and Application of Dahuofang Water Conveyance Project

TBM2 Standard Shotcrete Mixing Ratio Design

LIU Liang

(LiaoningRunzhongWaterSupplyCo.,Ltd.,Shenyang110003,China)

Abstract：In the paper, spraying system construction whole-set experience of “alkali-free liquid accelerator + wet spraying new technology + TBM heading machine with spraying function” is summarized through Dahuofang water diversion project TBM2 standard shotcrete mixing ratio design, selection research and construction test application. Reference is provided for studying TBM construction shotcrete mixing ratio in similar projects.

Keywords：tunnel; TBM; shotcrete; mixing ratio design

1工程概況

遼寧省大伙房輸水工程位于遼寧省東部山區(qū)的桓仁縣和新賓縣，是遼寧省十五期間的重點建設(shè)項目，建成后將為撫順、沈陽、本溪、遼陽、鞍山、營口等六座城市提供工業(yè)和生活用水。工程的主體為自流輸水隧洞，全長85.32km，是國內(nèi)目前最長的山嶺隧道，其工程規(guī)模、施工難度、進(jìn)度指標(biāo)、技術(shù)含量在當(dāng)今山嶺隧道施工中都是空前的。隧洞施工采用以TBM法為主、鉆爆法為輔的聯(lián)合施工方法，中間設(shè)14條輔助施工支洞，隧洞底坡1/2380。大伙房輸水工程TBM施工分三個標(biāo)段，其中TBM2標(biāo)段為疙疤寨(12號支洞)～臺寶段(15號支洞)輸水隧洞合同段，采用TB803E敞開式TBM施工，開挖直徑為8.0m，隧洞埋深130～420m，起訖樁號為44+288～66+846.42，全長22558.42m。TBM2標(biāo)段施工中設(shè)3條輔助施工支洞,3個支洞總長為4455.289m。15號支洞為TBM進(jìn)洞支洞，TBM大件通過該洞運至洞內(nèi)進(jìn)行設(shè)備組裝；為解決隧洞長距離的出碴、通風(fēng)等問題，在59+400、50+820.773處分別設(shè)置了14號、13號兩個施工支洞。

2工程質(zhì)量及技術(shù)控制要點

2.1工程質(zhì)量要求標(biāo)準(zhǔn)

設(shè)計要求噴射混凝土設(shè)計強(qiáng)度等級為C25，抗?jié)B等級為0.8MPa。工程要求采用濕噴工藝，使用無堿液態(tài)速凝劑，噴射時坍落度要求控制在80～120mm，水溫、骨料溫度要求大于5℃，施工環(huán)境溫度要求5～28℃，混凝土含氣量為4%～6%；混凝土容重大于2250kg/m3。

2.2配合比對噴射施工的要求及應(yīng)用

TBM掘進(jìn)段利用TBM自身配備的混凝土噴射系統(tǒng)進(jìn)行噴射混凝土的施工作業(yè)，噴射機(jī)噴射能力為6m3/h，縱向移動距離為8m，噴射范圍為300°，該設(shè)備具有便于操作的機(jī)械控制系統(tǒng)及可靠的機(jī)械設(shè)備性能，為保證噴射混凝土的質(zhì)量及快速高效性提供了條件，但該配合比混凝土設(shè)計時是按濕噴工藝設(shè)計的，所以對混凝土的施工應(yīng)用提出了更高的要求。為了保證噴射混凝土順利進(jìn)行，作業(yè)前須對受噴面用高壓水進(jìn)行沖洗，噴射混凝土作業(yè)時分段分片依次進(jìn)行，噴射順序自下而上，一次噴射厚度5～10cm；分層噴射時，后一層應(yīng)在前一層混凝土終凝1h后進(jìn)行復(fù)噴；結(jié)合施工工藝、速凝劑的合理使用、噴射技術(shù)等多種因素，充分利用施工經(jīng)驗；回彈率均控制在10%以內(nèi)。

2.3設(shè)計控制要點

根據(jù)該工程的質(zhì)量要求，且結(jié)合現(xiàn)場施工環(huán)境及施工條件，決定采用有軌運輸。由于運輸罐不具備攪拌功能，隨著TBM掘進(jìn)機(jī)的快速掘進(jìn)，運輸距離越來越長，考慮其他施工不確定因素影響，確定混凝土拌制坍落度控制在140～180mm，噴射時坍落度控制在80～120mm。

所以，控制坍落度損失、保證混凝土的工作性能是關(guān)鍵。為了保證噴射混凝土的工作性能，需摻加適量的粉煤灰，同時合理應(yīng)用無堿液態(tài)速凝劑，最終有效控制和減少混凝土的回彈量、降低污染、提高混凝土的耐久性。考慮速凝劑會導(dǎo)致強(qiáng)度的損失，但微硅粉能提高混凝土強(qiáng)度和耐久性，高效減水劑能減小水灰比、減少水泥用量等因素，可以發(fā)現(xiàn)：摻用適量的微硅粉及高效減水劑是整個配合比設(shè)計的技術(shù)核心。

3原材料選定

3.1水泥

選用散裝P.O42.5水泥，根據(jù)施工條件，控制初凝在2～3.5h、終凝在3～5h。根據(jù)該工程施工情況，確定水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量一般在25.0%左右較理想；水泥過細(xì)，則水泥水化速度快、需水量大、坍落度損失快，所以該工程水泥細(xì)度控制2%左右較宜。該工程水泥控制重點是水泥強(qiáng)度、凝結(jié)時間、標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、細(xì)度等，水泥質(zhì)量檢測成果見表1。

表1　水泥物理力學(xué)性能試驗成果

3.2骨料

根據(jù)施工現(xiàn)場環(huán)境條件，砂石料由附近的料場提供，均為天然河道堆積物。進(jìn)行篩分后分為天然河砂及5～10mm、5～20mm、20～40mm卵石，將其作為該工程的噴射混凝土及襯砌混凝土的骨料。

經(jīng)檢測，天然河砂各項試驗成果見表2。5～10mm卵石作為噴射混凝土骨料，試驗成果見下頁表3。

表2　河砂各項試驗成果

表3　5～10mm卵石各項試驗成果

3.3摻和料的研究

由于該工程使用的細(xì)骨料細(xì)度模數(shù)偏大，為了提高噴射混凝土的耐久性、抗?jié)B性等工作性能，通過摻和粉煤灰、微硅粉來提高混凝土的質(zhì)量。經(jīng)檢驗，粉煤灰和微硅粉各項指標(biāo)均滿足規(guī)范指標(biāo)及設(shè)計要求。

3.4外加劑

3.4.1減水劑

RB型多功能高效粉狀減水劑摻量為水泥用量的1.1%，減水率為18%左右，經(jīng)檢測，各項指標(biāo)均滿足規(guī)范及施工要求。試驗成果見表4。

表4　RB型多功能高效減水劑各項試驗成果

3.4.2速凝劑

跨越2000型無堿液態(tài)速凝劑具有早期強(qiáng)度高、后期強(qiáng)度保證率高的功效，降低了由于堿性物質(zhì)的引入對混凝土造成的破壞作用，降低了鋼筋銹蝕的可能性。在噴射過程中無堿液態(tài)速凝劑能有效控制混凝土的回彈量，減少浪費，同時減輕了污染，保護(hù)了施工人員的身體健康，還降低了混凝土強(qiáng)度的損失，提高了抗?jié)B效果；另外無堿液態(tài)速凝劑可防止混凝土堿骨料反應(yīng)，提高混凝土的耐久性；經(jīng)試驗，該速凝劑摻量為水泥的6%時，效果很好，各項性能指標(biāo)均滿足規(guī)范及施工要求。

3.5拌和水

拌和水為飲用的井水，水的pH值、不溶物、可溶物、氯化物、磷酸鹽、硫化物的含量均符合規(guī)范要求。

4配合比設(shè)計

通過計算得出:C∶S∶G∶F粉∶F微∶W∶M速∶J=412∶967∶700∶50∶20∶216∶24.72∶4.53=1∶2.35∶1.70∶0.12∶0.05∶0.52∶0.06∶0.011

在試驗室試配中坍落度達(dá)不到設(shè)計、施工要求，通過增加用水量，再進(jìn)行試配調(diào)整，每一立方混凝土需增加用水量6kg，這樣完全滿足設(shè)計、施工要求；實際用水量W=216+6=222 kg/m3。

通過上述設(shè)計、計算、試配、調(diào)整后得出試驗室基準(zhǔn)理論配合比為：C∶S∶G∶F粉∶F微∶W∶M速∶J=412∶967∶700∶50∶20∶222∶24.72∶4.53=1∶2.35∶1.70∶0.12∶0.05∶0.54∶0.06∶0.011，見下圖。

每1m 3混凝土材料用量圖

5確定理論配合比及試驗結(jié)果

根據(jù)配合比設(shè)計規(guī)范在基準(zhǔn)配合比上水灰比分別±0.05，對三個試配配合比進(jìn)行試配調(diào)整，得出基準(zhǔn)配合比，完全滿足規(guī)范及該工程設(shè)計、施工要求。因此，確定基準(zhǔn)配合比為施工理論配合比，試驗成果見下頁表5。

隨著TBM的快速掘進(jìn)，混凝土運輸距離越來越遠(yuǎn)，同時混凝土運輸罐不具備攪拌功能，加上施工中不

表5　基準(zhǔn)配合比試驗成果

確定因素，因此在上述確定配比中如何保證坍落度損失減小，是面臨的一個重要問題。試驗中發(fā)現(xiàn)：減水劑采用后摻法保坍性能非常好。進(jìn)一步進(jìn)行了減水劑先摻法、同摻法、后摻法的對比試驗，試驗成果見表6。因此，確定減水劑采用后摻法人工添加。

表6　先摻法、 同摻法、后摻法坍落度損失結(jié)果

注： 先摻法：減水劑+水→骨料+微硅粉+水泥、粉煤灰→拌和2min

同摻法：骨料+微硅粉+水泥、粉煤灰+減水劑+水→拌和2min

后摻法：骨料+微硅粉+水泥、粉煤灰+水→拌和30s+減水劑→拌和2min

6配合比對配料、拌和的要求及工藝

根據(jù)現(xiàn)有拌和設(shè)備的性能，骨料及微硅粉先添加在配料斗里，然后提升至攪拌機(jī)同水泥 、粉煤灰、水一起拌和。根據(jù)對比試驗，減水劑采用后摻法的性能明顯優(yōu)于先摻法、同摻法，所以在混凝土拌和時也采用后摻法加入高效減水劑。因為運輸罐車不具備攪拌功能，所以排除了在噴射現(xiàn)場摻加減水劑的可能性，采用在攪拌站混凝土拌和時摻入的方式，即：骨料+微硅粉+水泥、粉煤灰+水→拌和30s+減水劑→拌和2min。減水劑是由人工在攪拌機(jī)口添加，通過后來現(xiàn)場施工及試驗，證明采用減水劑后摻法的運用是成功的。

7配比在工程運用中的試驗成果統(tǒng)計及分析

噴射混凝土強(qiáng)度檢測按水工混凝土試驗規(guī)范進(jìn)行。在噴射現(xiàn)場進(jìn)行噴射混凝土大板取樣試驗,養(yǎng)護(hù)至28d按規(guī)范切割、打磨,然后進(jìn)行抗壓、抗?jié)B試驗；取樣頻率按設(shè)計要求每200m3做一次抗壓試驗、抗?jié)B按每500m3混凝土做一次。

對施工后的噴射混凝土進(jìn)行質(zhì)量檢測，發(fā)現(xiàn)檢測結(jié)果完全滿足設(shè)計、規(guī)范、施工等要求，具體見表7。

表7　質(zhì) 量 評 定

8小結(jié)

該噴射混凝土配比通過設(shè)計、選定研究及施工試驗應(yīng)用，在TBM掘進(jìn)隧道初支噴射混凝土系統(tǒng)中成功運用，并總結(jié)出了無堿液態(tài)速凝劑+濕噴新工藝+TBM掘進(jìn)機(jī)自帶噴射系統(tǒng)的施工成套經(jīng)驗，原材料的選擇與控制、配合比的設(shè)計、配合比用于施工等，每一個環(huán)節(jié)都非常重要；在施工中須加強(qiáng)質(zhì)量管理、責(zé)任落實到人，合理安排工序、科學(xué)組織施工；加強(qiáng)現(xiàn)場試驗質(zhì)量檢測和現(xiàn)場施工監(jiān)控等系列措施。只有這樣，才能確保噴射混凝土配合比成功地在施工中應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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