聚丙烯腈纖維在水工隧洞噴射混凝土施工中的應用

鐘衛杰 李鎮云

（1.湖南柏帆建設有限公司 湖南長沙市 410000 2.湖南省江華縣水利局 湖南江華縣 425500）

1 工程概況

東流溪二級水電站座落在湖北省長陽縣東流溪中段，電站引水隧洞進口高程808m，出口高程716m，隧洞全長11888m，隧洞洞內承壓水頭113m；隧洞洞徑2.2m，洞形為馬蹄形。電站水頭522.0m，裝機3×6300kW。東流溪二級水電站于2004年10月開工，2007年6月完成水工建筑物施工，2007年9月建成發電。

工程區域內主要為構造溶蝕侵蝕低中山、中低山地形。該地貌單元出露地層主要為早古生界的白云巖、灰巖、頁巖。本區出露地層主要為寒武系下統（∈t1+sl）和中統（∈2qn）、寒武系上統三游洞群（∈3sn）中厚層狀灰巖、白云質灰巖和奧陶系下統（O1）奧陶系中統（O2）奧陶系上統（O3）及志留系下統龍馬溪組（S1L）的泥質頁巖、砂質頁巖夾粉砂巖、碳質頁巖。隧洞上覆山體最薄厚度82m，最大厚達700m。經施工地勘，隧洞f、K0值如下：進出口段，f=2.0～2.5；K0=15～20MPa·cm-1；洞身段，f=2.5～3.5；K0=20～60MPa·cm-1。

2 噴射纖維混凝土設計方案

根據優化后的設計方案，主要針對于Ⅱ、Ⅲ圍巖中存在的不良地質段，采用噴射纖維混凝土和掛網噴射纖維混凝土支護方案。其中：噴射10cm厚C25纖維混凝土支護1820m，掛網噴射10cm厚C25纖維混凝土支護1310m。不良地質情況主要表現為：

（1）層面分化，層間夾泥或層間夾炭質泥巖、方解石，泥質膜、鐵質膜吸附；或層面中見滲水、流水、涌水現象；或巖石面見微量滲水現象。

（2）節理裂隙發育，節理中見方解石脈充填，方解石局部或全部見溶蝕；節理中夾泥；節理貫穿（或不完全貫穿）洞室；或節理中見滲水、流水、涌水現象；或巖石面見微量滲水現象。

（3）巖層產狀紊亂，無規律，多種巖性混雜，節理嚴重發育、洞室見滲水、滴水、流水或涌水現象。或洞中局部溶蝕成小洞穴情況嚴重。

例如：噴射10cm厚C25纖維混凝土的4號支洞下游0+05～0+90樁號段，地質素描記錄是：巖性為寒武系上統三游洞群（∈3sn）厚層白云質灰巖、中厚層白云巖，夾炭質頁巖、泥巖薄層，中硬巖為主，較完整，大部分巖體呈微風化，局部風化強部位呈強風化-弱風化。巖層產狀為195°∠40°，與洞軸線交角小于30°。表現為局部節理裂隙較發育、沿炭質泥巖夾層風化及溶蝕現象。Y1、Y2為層間炭質泥巖夾層，厚2～3cm，強風化，局部有粘土充填，Y3、Y4、Y5為層間炭質泥巖夾層，厚0.8～2.0cm，強風化，局部粘土充填。

3 纖維材料選擇

為了確保隧洞噴混凝土支護的工程質量，通過對多種纖維材料進行比選，并通過咨詢清江水布埡電站的實際應用效果，最終選擇了“路威系列聚丙烯腈纖維”作為隧洞噴射混凝土纖維材料，其技術參數如表1。

表1 路威2002-II纖維技術參數

4 噴射混凝土施工技術要求

4.1 主要原材料

（1）水泥：采用的是普通硅酸鹽水泥，強度等級為PO32.5。

（2）砂石料：根據現場情況在各支洞口設置料場現場生產制備；經檢測，砂的細度模數為2.5～3.0，含水率有效控制在5～7%之間；粗骨料大于15mm。

（3）摻速凝劑的噴射混凝土初凝時間不大于5min，終凝時間不大于10min。

4.2 主要施工機具

（1）干式噴射機的性能要求：密封性能良好輸料連續均勻；輸送混凝土料的距離水平不小于100m，垂直不小于30m。

（2）攪拌干混料的攪拌機采用JZ350型強制式攪拌機。

（3）選用的空壓機滿足噴射機工作風壓和耗風量的要求，噴射機前，先進行吹風5～10min，保證油水分離，避免風中的油污進入噴射混凝土，影響混凝土質量；工程選用的空壓機為開山牌螺桿式空壓機，其排風量不小于9.0m3/min。

（4）因混合料噴頭時的壓力約為0.1MPa，施工時自建生產水池確保的水壓力均達到了0.15～0.20MPa，供水量也能滿足要求。

4.3 混合料配合比及拌制生產要求

（1）噴射混凝土的設計強度等級為C25；噴射混凝土混合料的配合比要求如下：

表2

速凝劑的摻量按產品說明書、并通過試驗確定為水泥量的5.0%；原材料的稱量進行現場確定，砂石料稱量偏差控制在±3%；水泥和速凝劑的稱量偏差控制在±2%。

（2）原材料進入強制式攪拌機的攪拌時間大于60s，纖維加入后，攪拌時間比普通砂漿、混凝土延長了15～30s。采用先干拌后再濕拌的攪拌方式時，干拌時間大于15s。在摻有纖維和速凝劑且是采用混合料攪拌時，控制攪拌干料時間在4min以上。

（3）混合料隨拌隨用，不摻速凝劑的混合料，存放時間都不超過2h；摻速凝劑的混合料，存放時間不超過20min。

4.4 噴射前的準備工作

（1）拆除作業面障礙物，清除開挖面的浮石和墻角的石碴、堆積物等，著重對底板噴射混凝土與底板混凝土接頭處進行鑿毛和清洗；防止邊墻噴層出現“失腳”和后期滲水現象。

（2）為便于過程施工質量控制和施工厚度控制，在噴射前根據實際情況埋設小鋼筋樁，控制噴射混凝土厚度的標志。

（3）若受噴面漏水或滲水嚴重，噴射前進行滲水排除或采取局部掛網的設計形式噴射混凝土，合同甲乙雙方代表進行現場確認。

（4）噴射作業前，對機械設備、風、水管路、輸料管路和電氣線路進行全面檢查，確保正常噴射作業。

4.5 噴射作業

（1）嚴格執行噴射機的操作規程；保證連續均勻向噴射機供料；保持風壓穩定；完成噴射作業或因故中斷時則將噴射機和輸料管內的積料清除干凈。

（2）保持噴頭處水壓穩定；噴頭與受噴面距離控制在0.6～1.2m且與受噴面保持垂直，干噴時嚴格控制好水灰比（一般在0.4～0.45之間），及時調整供水量，保持混凝土表面平整，表面濕潤光澤，無干斑或滑移流淌現象。

（3）噴射作業分段分片依次進行，噴射順序自下而上；各段間的結合部位和結構的接縫處（如底板混凝土接縫處）進行妥善處理，盡量避免漏噴部位；現澆底板混凝土與噴射混凝土保證有10cm的搭接長度，其接合部位進行鑿毛和清洗處理。

（4）噴射混凝土的厚度按設計要求執行。分層噴射時，后一層噴射在前一層噴射混凝土終凝后進行。若終凝1h后再進行噴射時，則采用風水清洗噴層表面。噴射混凝土表面起伏差控制在±15cm以內。

（5）噴射混凝土終凝后2h開始噴水養護，養護時間按10～14d控制，氣溫低于5℃時不需噴水養護。

5 噴射混凝土質量檢查

5.1 質量檢驗要求

質量檢驗嚴格按照《水電水利工程錨噴支護施工規范》（DL/T5181-2003）有關條款執行，著重注意以下幾點：

（1）噴射混凝土的原材料出廠合格證及品質試驗報告應齊全；同強度等級水泥每200T進行取樣試驗；速凝劑按5T為一批進行取樣試驗；砂和小石按每300～500m3為一批進行取樣試驗。

（2）混合料的實際配合比，每個班次應進行及時檢查，根據情況進行及時調整。工地現場應配備0～40不同型號的方孔篩網。

（3）噴射混凝土做好抗壓強度檢查，檢測噴射28d齡期抗壓強度；試驗采用噴大板切割法制備試件（大板尺寸為45×30×25cm）。每噴100m3混合料取兩組試件，每組3塊。

（4）噴射混凝土厚度采用無損檢查法進行檢查。按10～20m間距布置檢查斷面，在斷面上以拱頂中心為基準，向兩側每隔1～2m布置測點，測點采用預埋小鋼筋樁的形式布置，每個斷面的測點不宜少于3個。噴射過程中在混凝土未凝固前采用針探法隨機檢查。

5.2 質量檢驗及效果檢查

通過監理、設計、業主等參建單位聯合對噴射混凝土進行質量檢驗，檢驗結果如下：

（1）質量檢驗：噴射混凝土表觀質量合格，混凝土表面光澤度較好、漿液分布痕跡平順。噴射混凝土厚度抽檢結果顯示，側墻噴射厚度平均達至設計值的92.2%，頂拱厚度平均達至83.6%，滿足質量檢驗要求。通過對大板切割的64組試件進行28d齡期抗壓強度檢測；數理統計結果如下：強度保證率P=96.8%、離差系數Cv=0.057、抗滲等級達到S7。

（2）運行效果檢查：電站自2007年9月建成發電，十多年以來，業主技術部門每年都進入隧洞對噴射纖維混凝土的運行效果進行檢查，未發現有大面積的脫落或坍塌，噴射混凝土的整體運行效果良好。

6 結語

從東流溪二級水電站有壓隧洞噴射纖維混凝土的應用效果來看，路威系列聚丙烯腈纖維可以有選擇性地應用于內水壓力110m以內的水工隧洞Ⅱ、Ⅲ圍巖地段的噴射混凝土基礎處理；從質量檢測結果和多年以來的運行效果分析，噴射混凝土所摻用的路威2002-II系列聚丙烯腈纖維是一種可用于水泥混凝土材料的增強纖維，作為混凝土的次加筋材料，該材料明顯地提高混凝土的韌性及抗沖擊性能，進而提高了混凝土的抗裂性、抗凍性、抗滲性等耐久性能，其他類似的水工隧洞噴射混凝土工程可參考使用。