基于山嶺隧道高性能噴射混凝土應用研究進展

孫雅珍, 何放, 王金昌, 王龍巖, 譚長根

(1.沈陽建筑大學交通與測繪工程學院, 沈陽 110168; 2. 沈陽建筑大學土木工程學院, 沈陽 110168;3. 浙江大學交通工程研究所, 杭州 310058; 4. 浙江交工路橋建設有限公司, 杭州 310051)

近10年以來,在“一帶一路”倡議的協同推進下,中國山嶺隧道建設規模不斷擴大,不斷刷新一個又一個世界紀錄。建成了如秦嶺終南山隧道、錦屏山隧道等11座長度10 km以上的超長山嶺公路隧道[1]。通常將長度超過10 km、深度超過500 m的隧道被定義為超長和超深隧道[2-3]。

噴射混凝土是指將膠凝材料、骨料等按一定比例拌制的混凝土拌合物送入噴射設備,借助壓縮空氣或其他動力輸送,高速噴至受噴面所形成的一種混凝土[4],它不僅僅是一種材料,而是一種獨特的工藝,施工方便,無需模板和外部振動[5]。現如今已廣泛應用于市政工程、隧道工程、地下工程的施工建設之中。進入21世紀至今,國內外學者對噴射混凝土技術研究有了許多新的突破,其中具有代表性的是噴射混凝土高性能配合比優化設計研發和其在實際工程施工技術應用,此外在噴射混凝土中摻入纖維材料等,一定程度上增強和改善了噴射混凝土的力學性能和耐久性能。目前,廣泛使用濕拌噴射混凝土的是布倫納基礎隧道(Brenner base tunnel,BBT)的施工。BBT的總長度將為64 km,計劃于2032年完工后,將成為世界上最長的鐵路隧道[6-9]。

在涉及設計、施工工藝和裝備的山嶺隧道工程施工中,高性能噴射混凝土已經有了很大的研究突破,但學術界對其系統性的總結和梳理卻乏善可陳。為進一步加強山嶺隧道噴射混凝土應用技術的進展,現從提高山嶺隧道噴射混凝土力學性能、改善山嶺隧道噴射混凝土耐久性能兩大方面進行系統闡述,同時對目前應用案例所產生的相關問題提出相對應的建議及展望。

1 提高山嶺隧道噴射混凝土力學性能的研究

噴射混凝土一般不需要模板支撐,其特點為強度增長快、密實度好、施工方便、適應性強等,應用于隧道施工中可以降低成本、節約資金。據調查顯示,目前中國有56條超長和超深山嶺隧道,國外有21條,中國最長公路隧道(前10名)、最長鐵路隧道(前10名)如表1[1,10]和表2[11]所示。

表1 中國最長公路隧道(前10名)[1,10]Table 1 The longest highway tunnel in China (top 10)[1,10]

1.1 摻液體速凝劑

隨著噴射混凝土施工技術從干噴向濕噴的轉變,為了滿足實際應用的要求,速凝劑的種類從傳統的由堿金屬氧化物組成的粉末速凝劑到以鋁鹽為主要成分的液體速凝劑[12-13]。液體速凝劑包括一系列影響混凝土強度、早期水化和微觀結構特征的化學物質,堿性液體速凝劑對噴射混凝土的中后期強度存在不良影響,無堿速凝劑對噴射混凝土后期強度幾乎無影響,目前已經得到了國際社會的廣泛認可,但其摻量較大,成本較高,而且穩定性較差,使用過程中容易產生絮凝、沉淀等不穩定現象,因此系統總結摻無堿液體速凝劑噴射混凝土在山嶺隧道工程應用案例并研發較穩定且與不同水泥相適應的無堿液體速凝劑是未來的發展方向。

吉安隧道[14]使用高強型無堿速凝劑的噴射混凝土,研究結果表明,噴射混凝土1 d抗壓強度為16.5 MPa,28 d抗壓強度為43.6 MPa,與普通噴射混凝土相比,強度增加了115.0%,中臺階側墻回彈率為8%,上臺階拱頂回彈率為13.6%,摻入無堿速凝劑可以明顯提高抗壓強度,減小了回彈損失。壁板坡隧道[15]摻高性能無堿液體速凝劑結果表明,噴射混凝土1 d和28 d抗壓強度分為10.5 MPa和39.0 MPa,與普通噴射混凝土相比,強度增加了106.8%。華東地區某隧道[16]使用自配的CSL型無堿液體速凝劑的噴射混凝土,研究結果表明,速凝劑摻量為8%時,一次噴射可以達到145 mm,回彈率為8.2%,1 d抗壓強度為15.1 MPa,28 d抗壓強度為52.7 MPa。虎溪臺隧道[17]使用液體無堿速凝劑及改良劑進行噴射混凝土施工,研究結果表明,速凝劑摻量為6.5%,回彈率約為15%,大大節約了施工成本。水溶性硅酸鈉(也稱水玻璃)是挪威濕拌噴射混凝土中最常見的促進劑,挪威Nordkapp隧道[18-19]比較噴漿混凝土的使用條件,在該隧道的不同延伸段首次使用了無堿促進劑。Freifjord隧道[20]噴射混凝土中使用水玻璃促進劑水泥質量的5.2%。就同年完工的Byfjord和Mastrafjord隧道而言,摻量為水泥重量的4.7%。韓國Yulhyeon隧道[21]采用HS-CMA促進劑摻入噴射混凝土中,試驗發現3 h抗壓強度為2 MPa,24 h抗壓強度為16 MPa。Brenner base隧道[22]采用043FFG促進劑,研究結果表明噴射混凝土24 h抗壓強度達到18.6 MPa,28 d抗壓強度達到40.85 MPa。

綜上所述,無堿液體速凝劑可以加速固化時間,但應用于每個施工現場都要進行相對應的試驗分析,以校正水泥與速凝劑的反應時間和強度的發展。早期快速的凝固可能可能造成支護要求方面的缺陷,從而帶來一系列的安全問題。建議選擇綠色高性能速凝劑,通過試驗分析監測確定最佳摻量,尤其是在3～6 h之后。在實踐中,通常速凝劑的摻量為4%～8%。

山嶺隧道工程噴射混凝土采用濕法噴射工藝,摻液體無堿速凝劑對混凝土強度影響顯著,同時減小回彈損失,并在應用中取得良好的經濟效益。但在其穩定性和適應性方面研究較少,還存在較多問題。未來可以考慮在無堿液體速凝劑的機理方面進行深入研究,以便于更好地在工程應用中實踐;其次開展穩定性研究,使其更好地與膠凝材料、外加劑、礦物摻合料、環境等相適應,同時制定高性能外加劑評價標準。

1.2 優化材料組分

噴射混凝土性能不僅與膠凝材料有關,更與砂的材質密切相關,近年來,生態環境隨著河砂的過度開采逐漸惡化,同時對機制砂配制噴射混凝土的研究較少,因此,機制砂代替河砂配制高性能噴射混凝土成為現階段重點問題[23]。研究機制砂破碎方式、對機制砂級配進行合理優化,獲得良好的粒度,可以提高機制砂噴射混凝土強度、耐久性能,并使其具有良好的施工性能。但現階段,優化設計高性能噴射混凝土的配合比存在不固定的方法并且在山嶺隧道中成功應用案例較少。隨著原材料、試驗環境等不同的變化,隧道噴混凝土配合比設計存在較大差異,導致噴射混凝土施工中產生回彈率高、力學性能差、可泵性低等后果[24-25]。針對噴射混凝土在隧道施工中因材料組分及配合比設計造成的回彈率高、流動性、力學性能差等問題,目前研究者進行了大量探討,通過優化材料組分配制滿足隧道施工需要的高性能噴射混凝土要求。

巫山隧道[26]中納米摻合料摻入噴射混凝土中,現場試驗表明3 h抗壓強度為3.5 MPa,12 h抗壓強度為8.4 MPa,24 h抗壓強度為15.3 MPa。一次噴射厚度較普通噴射混凝土增加33 mm,噴射回彈率降低到11.1%。貴州梨花井隧道[27]采用機制砂代替普通砂進行噴射混凝土配合比試驗,12 h抗壓強度為11 MPa,24 h抗壓強度為23 MPa,回彈率為15%;廟灣隧道[28]采用機制砂代替天然砂制備噴射混凝土,坍落度控制在100 mm,28 d抗壓強度為33.2 MPa,施工中取得良好的效果。貴州姑兩隧道[29]采用開挖機械破碎的機制砂進行噴射混凝土配合比試驗,試驗結果表明,噴射混凝土回彈率為10.2%左右,28 d抗壓強度為34.7 MPa。重慶銅鑼山隧道[30]噴射混凝土中摻入三乙醇胺、建筑膠粉,24 h抗壓強度為17 MPa。大梁隧道[31]采用基本配合比試驗,試驗表明24 h抗壓強度最大值為6.86 MPa,48 h抗壓強度最大值為13.01 MPa。黃家臺隧道[32]采用正交試驗方法對噴射混凝土配合比設計進行優化,結果表明,優化設計后噴射混凝土1 d抗壓強度達到13.5 MPa。109高速公路隧道[33]采用針對噴射混凝土配合比設計進行優化,結果表明,優化設計后噴射混凝土1 d抗壓強度達到11.5 MPa,回彈率控制為15%。木寨嶺特長隧道工程[34]通過研究不同材料組分及環境因素影響并結合現場實際取樣測試,最終結果為噴射混凝土3 d抗壓強度達到22 MPa,28 d抗壓強度達到42 MPa,拱頂回彈率達到16%。崤山隧道工程[35]快速硬化型噴射混凝土1 d和28 d無側限抗壓強度分別為12.57 MPa和36.19 MPa。觀音坳隧道[36]采用納米低回彈摻合料摻入噴射混凝土中,結果表明,28 d抗壓強度為38.89 MPa,回彈率為13.5%,與普通混凝土相比抗壓強度提高了13.8%,回彈率降低了47.7%。

綜上所述,噴射混凝土技術在山嶺隧道施工應用越來越廣泛,因此研究其配合比設計成為特別關鍵的一個步驟,必須綜合原材料的基本組分和各基本性質如水膠比、砂率等參數進行綜合考慮。既有研究案例表明優化噴射混凝土配合比設計后,在隧道應用過程中其早期抗壓強度明顯提高,且回彈率較低,可控制在10%～15%。未來噴射混凝土技術還要通過改進與其相匹配的配套設備,通過多因素分析考慮配合比設計問題。采用室內試驗優化配合比設計和現場實際噴射相結合分析,得出噴射混凝土配合比優化設計的切實性,對未來隧道噴射混凝土施工技術發展具有一定的深遠影響。

1.3 摻纖維增強材料

現如今,噴射混凝土技術已廣泛應用于山嶺隧道工程的襯砌施工中,但受隧道周邊地質條件、環境、溫度等多因素影響,隧道運營后普遍存在結構開裂損傷、襯砌滲漏水現象。在噴射混凝土中加入纖維材料,可以明顯提高其力學性能同時減少收縮裂縫,同時還可以有效改善混凝土脆性大、易開裂等結構缺陷[37]。當前,纖維已被廣泛用作噴射混凝土的性能改善材料,應用于巖土工程、市政工程、城市地下空間開發、建筑結構的補強、加固及改造工程中,包括鋼纖維、聚丙烯纖維、玄武巖纖維、聚乙烯醇纖維、玻璃纖維等[38-40]。不同種類纖維材料摻入噴射混凝土應用于國內外山嶺隧道工程中,取得了良好的應用效果。法國一項新建隧道工程[41]使用永久性纖維增強噴射混凝土襯砌,節省了成本和時間,減少了對環境的影響。

1.3.1 鋼纖維

鋼纖維材料最早應用于山嶺隧道噴射混凝土施工中。目前,鋼纖維噴射混凝土在山嶺隧道襯砌結構中應用最為廣泛,研究最為關注的有抗壓強度、抗折強度、抗彎強度和沖擊韌性。

摩天嶺隧道[42]現場實際試驗研究鋼纖維噴射混凝土力學性能,結果表明,隨著鋼纖維摻量的增加,噴射混凝土抗壓強度、抗拉強度、抗折強度分別提高了21.7%、96.5%、84.0%,鋼纖維的摻入可以顯著提高噴射混凝土的力學性能。云山隧道[43]鋼纖維混凝土抗壓強度4 h達到6.98 MPa,12 h達到13.14 MPa,1 d達到17.83 MPa,28 d的最大值達到45.20 MPa,同時抗拉強度也明顯大于普通混凝土抗拉強度,28 d的最大值為5.24 MPa,較普通混凝土同期抗拉強度最大值增幅達115.6%。香爐山隧道[44]采用濕噴鋼纖維混凝土施工,7 d抗壓強度達到24.5 MPa,28 d 強度達到30.3 MPa,相比于普通干噴混凝土,強度明顯提高。實際量測28 d收縮率為0.4 mm/m,與普通噴射混凝土收縮量相比減小43%。回彈率較小,僅在7%～15%。川藏鐵路隧道[45]研究不同纖維種類、混雜方式對噴射混凝土抗壓抗折、彎曲韌性的影響規律,研究結果表明,體積摻量均為0.38%的情況下,3種類型鋼纖維均能提升噴射混凝土的力學性能,波紋型鋼纖維對抗壓強度的提升幅度最大,28 d抗壓強度提高了64.0%。端鉤型鋼纖維體積含量對抗折強度的改善效果最強,28 d抗折強度提高了46.7%。端鉤型鋼纖維和聚丙烯纖維復摻對噴射混凝土抗壓強度提高效果最佳,與普通混凝土相比,28 d抗壓強度高了59.8%。較普通混凝土同期抗拉強度最大值增幅達115.6%。石家莊昆侖大街隧道[46]采用濕噴鋼纖維混凝土施工,7 d抗壓強度達到33.2 MPa,28 d強度達到48.2 MPa,相比于普通混凝土,強度大幅度提高。挪威海底隧道[47]采用鋼纖維增強噴射混凝土,抗壓強度以及撓曲和拉伸強度都得到了提高,材料的延展性也得到了提高,回彈率為5%～10%。鋼纖維的摻入在較大程度上提高了噴射混凝土的承載能力和延性。斯洛文尼亞Dekani高速公路隧道[48]采用鋼纖維增強噴射混凝土,1 h抗壓強度為1 MPa,24 h抗壓強度為20 MPa。日本惠那山隧道[49]采用鋼纖維噴射混凝土進行加固,施工作業時,鋼纖維摻量為1.5%時,混凝土抗壓強度為40 MPa,抗彎強度為110 MPa,施工后效果顯著。

總之,鋼纖維噴射混凝土應用于山嶺隧道施工中的優點如下:①具有較高的力學性能和變形性能,與普通混凝土相比,抗壓強度提高50%以上;②具有更好的韌性、抗彎、抗剪和抗疲勞性能。鋼纖維加入噴射混凝土,混凝土材料的性能可以根本上從脆性材料改變為柔性材料,噴射混凝土的抗壓強度、抗拉強度、抗彎強度和抗彎韌性可以顯著提高。但是由于噴射混凝土需要鋼纖維數量較大、價格高、易產生的腐蝕問題,也影響其在工程上的應用。對如何更好地解決短切纖維生產加工面臨若干技術問題也是未來的發展方向。

1.3.2 聚丙烯纖維

聚丙烯纖維與鋼纖維相比,彈性模量較低,但其耐腐蝕性強、自重較輕、不吸水、耐久性好并且材料本身直徑較小,摻入噴射混凝土中以其三維亂向分布的特征,形成網狀結構形成拉結作用和二級加強效果,降低回彈率,提高力學性能[50],同時可以有效抑制混凝土裂縫的形成與擴展。因此應用于聚丙烯噴射混凝土應用于山嶺隧道中,可以大范圍提高噴射混凝土的綜合性能。

寶塔山隧道[51]研究不同單位體積聚丙烯纖維摻量對噴射混凝土性能的影響,結果表明聚丙烯纖維不僅滿足隧道噴射混凝土的力學性能,而且可以增加試件吸收能量的能力,提高韌性從而對裂縫的發生起到良好的控制作用。川藏鐵路隧道[45]將聚丙烯纖維的摻入噴射混凝土中可提高抗壓強度,纖維摻量為0.6 kg/m3時,混凝土28 d抗壓強度相較于普通混凝土增加了54.7%。本溪高速公路某隧道[52]采用聚丙烯噴射混凝土修復技術,現場實際施工表明,噴射聚丙烯混凝土工作性良好,28 d抗壓強度達到28.3 MPa以上,滿足修復要求。滬漢蓉通道老安隧道[53]采用聚丙烯纖維混凝土錨噴支護體系,研究表明,與相同強度的普通混凝土相比,聚丙烯纖維噴射混凝土對阻止混凝土開裂更為有效。榆和高速公路隧道[54]采用噴射聚丙烯纖維混凝土,試驗結果表明,聚丙烯纖維的加入,28 d的抗壓強度達到23.9 MPa,回彈率為11.67%,與普通混凝土相比,強度提高了8.48%,回彈率下降了45.65%。

聚丙烯纖維噴射混凝土作為一個全新的復合材料,擁有更高強度和優異的斷裂韌性。聚丙烯纖維對混凝土結構早期收縮具有較好的抑制作用,近年來應用在山嶺隧道施工和城市地下工程支護中,對隧道工程襯砌有一定防滲抗裂要求的部位應用取得良好的施工效果。

1.3.3 玄武巖纖維

玄武巖纖維是一種天然硅酸鹽纖維,其原材料為天然玄武巖,其優點是具有耐高溫、耐低溫、高斷裂強度、韌性、剪切和彈性模量,在工程應用中性能優益。

永祥隧道[55]將玄武巖纖維摻入混凝土中,研究發現玄武巖纖維對混凝土強度和韌性均有較大的提高,與普通混凝土相比,抗壓強度增長了11.4%,抗折強度增長了15%。桐梓隧道[56]采用玄武巖纖維噴射高性能混凝土施工,結合現場試驗及施工結果表明,噴射混凝土28 d抗壓強度為34.7 MPa,回彈率僅為2.2%。黑莊坪隧道[57]采用噴射混凝土中添加玄武巖纖維試驗,現場結果表明,摻入玄武巖纖維后,噴射混凝土的回彈率為13.9%,比普通混凝土減少17%;抗壓強度為26.5 MPa,滿足施工要求,同時節約施工成本,減少資源浪費。

總之,摻入玄武巖纖維有助于提高噴射混凝土的抗壓強度,提高抗裂性、氣密性、抗彎拉性及黏結性的同時也節約了施工時間。但中國目前對玄武巖纖維噴射混凝土在山嶺隧道應用研究仍處于初級階段,還存在較多的問題。玄武巖纖維噴射混凝土是一種復合材料,結構復雜,影響因素較多,因此研究玄武巖纖維增強噴射混凝土結構為今后一段時間的發展方向,將玄武巖纖維與高性能噴射混凝土相結合,充分利用玄武巖纖維的高韌性、高強度特性,研發新型高強玄武巖纖維增強混凝土材料。

1.3.4 玻璃纖維

玻璃纖維具有拉伸強度高、彈性系數好、伸長率小、絕緣等優點,摻入噴射混凝土中可以提高其抗拉強度,增強抗裂性能。

嶗山隧道工程[58-59]施工時在噴射混凝土中摻入玻璃纖維,現場試驗發現當體積摻量為1%時,混凝土凝結硬化后的抗拉性能最優。并針對嶗山隧道玻璃纖維混凝土隔墻的開裂狀態建立模型,提出了玻璃纖維混凝土抗裂計算方法。

2 改善山嶺隧道噴射混凝土耐久性能的研究

噴射混凝土作為永久性襯砌結構,近年來耐久性和長期性能問題對地下基礎設施的所有者來說變得更加重要[60]。噴射混凝土結構在隧道襯砌上廣泛應用,但因自身孔隙率大、所處鹽類環境下,會給隧道襯砌帶來很嚴重的破壞,同時隧道滲漏水現象普遍存在。因此,山嶺隧道噴射混凝土的耐久性有待改善。現階段,隧道噴射混凝土耐久性重點研究類別包括抗滲性能、抗凍性能、抗碳化性能、抗腐蝕性能等。

2.1 抗滲性能

近年來,噴射混凝土隨著礦物摻合料、纖維材料、外加劑等摻入,其抗滲性能得到明顯提高。但在隧道工程襯砌結構滲漏水方面,抗滲性是一突出問題。對于提高噴射混凝土抗滲性能的方法,國內外研究通過滲水高度、電通量、氯離子擴散系數、孔隙率等作為主要評價指標,并概括了防水及滲漏特性為主要影響因素的研究進展,最后還指出了當前科研中面臨的主要問題和進一步改善意見。

觀音坳隧道[36]工程采用納米改性噴射混凝土28 d氯離子擴散系數降低了41%,碳化深度達到22.9 mm,與普通混凝土相比降低了19.6%。貴廣某隧道[61]二次襯砌工程現場采用纖維素纖維噴射混凝土,結果表明纖維素纖維摻量0.9%時,混凝土56 d的電通量比普通混凝土下降了7.38%。白鶴隧道[62]工程采用鋼-聚丙烯纖維復合研究噴射混凝土的抗滲性能,結果表明,當鋼纖維、聚丙烯的摻量分別為0.5%和0.3%時,抗滲性能最優,為最佳摻量。云南某隧道工程[63]通過正交試驗研究噴射混凝土的組成對混凝土滲流結晶的影響,結果表明,通過配合比優化與實際施工相比,鈣離子流失量降低了約67%。官田隧道[64]在噴射混凝土中摻入粉煤灰摻合料,試驗表明,粉煤灰摻量為10%時,滲水高度為19.5 mm,與普通混凝土相比,高度下降27.2%,提高了抗滲性能。

總之,噴射混凝土的防水性能并不好,其抗滲性差是山嶺隧道襯砌結構滲漏水普遍存在的原因之一。未來可以通過摻入功能型防水材料,提高噴射混凝土整體結構防水功能,同時也要加大對噴射混凝土不良抗滲性能的產生原因探討。

2.2 抗凍性能

中國嚴寒地帶噴射混凝土構造容易遭受冰凍損傷,嚴重影響了山嶺隧道使用壽命。目前對于山嶺與隧道工程中噴射混凝土抗凍特性應用研究還較為少見。所以對于進行噴射混凝土的抗凍特性試驗研究也有著一定重要性。

姜路嶺隧道、鄂拉山隧道[65]工程襯砌采用噴射混凝土進行凍融循環試驗,研究了噴射混凝土各性能指標隨凍融循環次數的變化規律,最終根據變化規律建立數學方程。大阪山隧道[66]工程對隧道噴射混凝土結構的凍害原因和凍脹過程進行分析,結果表明,隧道混凝土襯砌結構耐久性的主要原因是圍巖凍脹壓力。壁板坡隧道[15]采用了噴射混凝土凍融試驗,共測試次數300次,測試結果顯示,相對動彈性模量為94.3%,質量損失為0.82%。

綜上所述,目前對抗凍性能研究的主要集中于凍融后噴射混凝土相對動彈性模量、質量損失、材料動力學特性分析等,而對凍融循環后與噴射混凝土本構關系的研究成果相對較少,同時也需要進一步深入研究噴射混凝土在山嶺隧道使用過程中,凍融損傷后混凝土材料力學特性與變形性能之間的劣變規律。

2.3 抗碳化性能

山嶺隧道工程噴射混凝土施工時,會因碳化導致堿度降低,并破壞其鈍化膜,從而導致鋼筋腐蝕,最終噴射混凝土開裂、剝落,嚴重影響其耐久性,同時碳化還會增加其密實性。

高樓山長大隧道[67]噴射混凝土后期服役性能受冬季低溫環境明顯影響,試驗結果表明,28 d時噴層結構的碳化深度達到4.0 mm左右,低溫干燥條件加劇了噴射混凝土的碳化損傷程度,碳化產物CaCO3以片狀堆積形式生長。

因此,雖然目前已針對噴射混凝土碳化性能展開一系列研究,但對隧道不同施工環境下噴射混凝土碳化耐久性能的研究較少,因此,未來應跟深入試驗研究分析選取碳化深度、抗壓強度和劈裂抗拉強度作為指標,探究其耐久性及力學性能的變化規律。

2.4 硫酸鹽侵蝕性能

噴射混凝土結構往往和富含硫酸鹽的地下水進行接觸,所以硫酸鹽侵蝕也是造成隧道內噴射混凝土結構損傷或斷裂的主要原因之一,而目前研究者最關心的問題就是由于硫酸鹽侵蝕所引起的隧道內支護結構力學穩定性下降問題。隧道工程施工中,噴射混凝土的抗硫酸鹽腐蝕特性與其微觀構造、傳輸特性、孔隙率及其相互組成。

孤石峪隧道[68]中分別采用了各種粒徑的礦渣、粉煤灰作為摻合料,并經過了干濕循環硫酸鹽腐蝕測試,還研究并分析了噴射混凝土在硫酸鹽侵蝕作用下的性能劣化規律,結果表明,經過180個干濕循環試驗后,S95級礦渣-Ⅱ級粉煤灰、S105級礦渣-Ⅱ級粉煤灰試件質量和相對動彈性模量較初始狀態均下降,損傷劣化嚴重,且微觀形貌變化和孔隙較多,晶體內組織結構松散并且總體緊密度不好,經腐蝕的試件內產生了大量的裂紋,裂隙較大而深,腐蝕破壞較為嚴重。六盤山隧道[69]采用復合式高抗硫酸鹽混凝土套拱為主的綜合加固改造技術,研究表明,該技術可顯著改善隧道的抗硫酸鹽侵蝕能力,提高原襯砌支護結構的強度、剛度及穩定性,確保隧道運營安全。何家寨隧道[70]噴射混凝土在巖溶水環境中抗壓強度下降顯著,但與硫酸鋁基無堿液體促進劑的結合在侵蝕試驗中表現最佳,其最大抗壓強度僅下降0.33%。就噴射混凝土襯砌而言,鈣浸出可增加地下水的pH和鈣離子濃度,導致CaCO3的形成和結晶。官田隧道[63]在噴射混凝土中摻入粉煤灰摻合料,試驗表明,粉煤灰摻量為20%時,抗壓強度耐蝕系數為83.6%,摻入粉煤灰可以提高水泥石的密實性,降低Ca(OH)2含量,提高噴射混凝土抗硫酸鹽腐蝕性能。

總之,噴射混凝土的耐久性受到與混凝土相同的變量(材料組成、抗凍性、滲透性、養護環境等)因素的影響。由于隧道內存在圍巖變形、滲水環境等不確定因素,致使襯砌結構可能發生開裂、化學腐蝕、漏水等病害,最終導致襯砌混凝土剝落,嚴重威脅到隧道襯砌結構使用壽命。目前對于噴射混凝土耐久性研究僅考慮特定環境,沒有進行系統的研究。因此,綜合研究噴射混凝土性能,改善噴射混凝土襯砌結構耐久性能具有重要意義。

3 結論與展望

通過對高性能噴射混凝土在國內外山嶺隧道工程實例中應用現狀綜述分析,重點介紹了摻液體速凝劑、優化基礎配合比設計及摻纖維增強材料3個方面提高隧道噴射混凝土力學性能;從抗滲性能、抗凍性能、抗碳化性能以及抗硫酸鹽侵蝕性能4個方面改善隧道噴射混凝土結構耐久性。雖然進行了一部分工作,但仍存在問題需要進一步解決,基于山嶺隧道高性能噴射混凝土應用研究的重要課題及未來發展方向總結如下。

(1)無堿液體速凝劑提高噴射混凝土力學性能方面,速凝劑在噴射混凝土施工中起到非常重要的作用,無堿液體速凝劑用于提高噴射混凝土早期強度,減少回彈,未來將向著新型高性能方向發展。針對提高噴射混凝土力學性能,研發與之相適應的綠色高性能速凝劑,使其結構更加密實,并合理控制結構開裂,減少膠凝材料和骨料的用量,降低粉塵污染的影響;研發出高性能噴射混凝土,切實發揮噴射混凝土的支護作用并具備結構功能。目前國內外對速凝劑檢測方法和性能評價標準與指標存在不統一,試驗的檢測結論并不能反映現場噴射混凝土的噴射效果和工藝參數的合理性。需要進一步完善速凝劑性能評價指標,并根據施工現場環境變化即使調整。同時,其他外加劑如早強劑、緩凝劑等,輕質高強骨料、礦物摻和料等材料的研發與應用的機理研究具有現實探索價值,其他系列的水泥在噴射混凝土中的應用也值得關注。

(2)優化材料組分及摻加纖維增強材料提高噴射混凝土力學性能方面,纖維噴射混凝土施工工藝簡單,與普通混凝土相比,可以大幅度提高其韌性和耐久性,還可以減少噴層厚度,降低回彈,節省了混凝土,具有良好的經濟性和廣泛的推廣應用前景。未來可以從不同纖維長徑比、施工工藝、不同溫度環境對高性能噴射混凝土配合比設計的影響,從而進一步縱向研究各纖維最優摻量,并對實際工程應用提供參考。

(3)改善噴射混凝土耐久性方面,山嶺隧道實際施工操作環境中,隧道噴射混凝土所在的條件通常受到各種腐蝕因素影響,雖然目前一些工作有涉及,但詳細工作還沒有開展。噴射混凝土作為初支結構的重要組成部分,在隧道施工及運營全過程中發揮著重要作用,完善噴射混凝土初期支護結構在復合式襯砌支護體系中的內涵和高性能化要求,是提高噴射混凝土耐久性并實現噴射混凝土工程百年耐久的必由之路。未來應根據實際施工需要研究多因素作用下的隧道噴射混凝土耐久性,為耐久性設計提供重要支撐。