2工法内容

132、工法内容材料钢纤维喷射混凝土单层衬砌工法中铁十三局集团第一工程有限公司刘涛宋战平沙权贤1．前言长陡坡斜井二次衬砌施工难度大、危险性高、施工周期长、施工质量难以保证，受斜井施工特点限制，采用安全可行、施工方便、质量可靠的钢纤维喷射混凝土单层衬砌施工新技术尤为必要。国内对纤维喷射混凝土单层衬砌的研究尚处于起步阶段，急需结合在建工程进行系统研究、推广和总结，我单位结合以往施工经验经过科技攻关，总结提出可供工程应用的钢纤维喷射混凝土单层衬砌工法，用于指导摩天岭隧道长陡坡斜井施工，安全、经济、高质量地完成斜井的施工，同时可推广用于指导我国单层衬砌的设计及施工，推进我国隧道建设的发展和进步。该工法在质量控制上达到设计要求的标准；采取了一系列的安全措施和环境保护措施，在安全、进度、环保等方面取得了显著的效益。经科学技术部西南信息中心查新中心的查新，摩天岭隧道长距离、大陡坡斜井施工技术除本项目外，国内外未见相同文献报道。2010年10月14日，《摩天岭公路隧道长陡坡斜井施工技术》通过了吉林省科学技术厅科技成果鉴定，鉴定意见：该成果整体达到国际先进水平，环保节能效果突出，取得了显著的经济社会效益，具有广泛的推广应用前景。《摩天岭特长公路隧道成套施工技术研究》科技成果荣获2011年度吉林省科学技术进步二等奖。该工法分别应用于摩天岭隧道1#、2#斜井、昌奉高速公路A3合同段梅岭隧道工程、上武高速公路S1合同段分水关隧道斜井，推广应用成绩显著。2．工法特点2.0.1本工法采用钢纤维喷射混凝土单层衬砌替代原设计复合式衬砌，成功的解决了斜井施工安全隐患突出的施工难题。2.0.2本工法采用钢纤维喷射混凝土单层衬砌替代原设计复合式衬砌，减少了大型施工设备，节约了2/3的原材料，节能环保效果突出。2.0.3本工法采用钢纤维喷射混凝土单层衬砌替代原设计复合式衬砌，成功的解决了斜井14内二次衬砌混凝土质量难以保证的难题。2.0.4本工法使用无碱速凝剂满足回弹量小、速凝效果好、无化学灼伤危险(中性或弱碱性)的要求，且对混凝土后期强度影响较小，解决了掺加速凝剂对人员伤害及混凝土后期强度损失大等难题。2.0.5本工法技术实用性强，在大量降低施工成本的基础上大幅缩短施工工期，应用推广意义重大且经济实用。3．适用范围本工法适用于I－III级的围岩段隧道衬砌施工，也适用于现场环境恶劣的高边坡防护施工。对于III级以上围岩，可以采用加钢筋拱喷射加强肋的方式进行支护；对于有地下水的地段可以考虑引排地下水后进行钢纤维喷射混凝土施工。4．工艺原理在湿喷混凝土中加入钢纤维以及聚丙烯纤维等纤维材料，可以显著提高混凝土的抗拉强度、抗拉弯韧性以及抗裂性能，同时无碱速凝剂、高效减水剂和湿喷机具的出现和发展更是大大提高了喷射混凝土衬砌的质量，提高了喷射混凝土衬砌吸收围岩变形和抗渗能力，可以采用钢纤维喷射混凝土作为隧道的单层永久衬砌替代传统的隧道复合式衬砌。5．施工工艺流程及操作要点5.1工艺流程图工艺流程见图5.1。5.2配合比设计及试验配合比设计主要是通过室内试验、理论分析、现场试验及监测等手段，确定最优的配合比方案。5.2.1纤维混凝土力学性能室内试验研究1、研究纤维参数对纤维混凝土抗压、抗劈拉、抗折以及弯曲韧性和初裂等力学特性的影响，确定现场施工中纤维的有关参数。研究内容：1)纤维材质（钢纤维、聚丙烯纤维）对纤维混凝土强度的影响；2)纤维形状（端钩型、波浪型等）对纤维混凝土强度的影响；3)纤维掺量对纤维混凝土强度的影响；4)纤维的几何参数（长度、等效直径和长径比）对纤维混凝土强度的影响。研究目标：从确定的12（钢纤维）＋3（聚丙烯纤维）种规格中优选经济、合理的现场喷射纤维的种类和掺量。15图5.1钢纤维喷射混凝土单层衬砌工艺流程2、混凝土外加剂对纤维喷射混凝土强度影响研究及合理掺量。1）研究内容：（1)无碱速凝剂对纤维喷射混凝土强度的影响；综合速凝效果和长期强度两方面因素，确定速凝剂的合理掺量；（2)减水剂对纤维喷射混凝土强度影响，确定减水剂的合理掺量；（3)硅粉和聚丙烯微纤维掺量对纤维混凝土强度的影响，确定经济合理的掺量。2）研究目标：确定经济、合理的现场喷射纤维中无碱速凝剂、减水剂和硅粉的掺量。3、纤维混凝土抗渗试验研究，确定纤维喷射混凝土结构抗渗等级，为隧道防水喷层厚度提供基本数据。施工准备干搅拌2min湿搅拌运输、上料振动过筛湿喷机给料器湿喷机混凝土输送泵湿喷机输料管喷嘴受喷面机具清洗移位处理受喷面安设检测桩水泥、硅粉钢纤维计量砂、石水减水剂等湿喷机具就位、机电检查湿喷机管道润滑高压风自动计量掺入器速凝剂储存箱复喷初喷养护161）研究内容：（1)混凝土外加剂对纤维混凝土抗渗性能的影响；（2)混凝土掺合料(硅粉等)对纤维混凝土抗渗性的影响；（3)纤维掺量(钢纤维、聚丙烯纤维)对纤维混凝土抗渗性的影响。2）研究目标：确定纤维喷射混凝土单层结构的抗渗特性，为隧道结构自防水提供合理的配合比和结构厚度。5.2.2单层衬砌技术应用相关问题的理论分析1、斜井纤维混凝土单层衬砌厚度研究。1）研究内容：参考国外已有工程，结合挪威法和根据现场揭示地质条件进行的施工动态数值模拟，确定喷射纤维混凝土单层衬砌的设计参数。2）研究目标：确定不同地段纤维喷射混凝土单层衬砌厚度。2、纤维混凝土单层衬砌防排水措施及相关技术研究。1）研究内容：结合已有工程经验，在纤维喷射混凝土抗渗试验基础上，提出斜井单层衬砌的防排水措施。2）研究目标：斜井纤维喷射混凝土单层衬砌防排水措施。3、研究纤维喷射混凝土壁面粗糙程度对隧道通风的影响1）研究内容：纤维喷射混凝土单层衬砌壁面粗糙度测试，在此基础上分析计算壁面粗糙度对隧道运营通风的影响。2）研究目标：确定影响程度及相关措施。4、纤维喷射混凝土单层衬砌工作机理及设计方法研究。1）研究内容：分析纤维喷射混凝土单层衬砌工作机理，研究纤维喷射混凝土单层衬砌设计参数确定及设计方法，探讨能量法、断裂力学等方法在纤维喷射混凝土隧道衬砌设计中的应用。2）研究目标：纤维喷射混凝土单层衬砌的工作机理和设计方法。5.2.3现场试验与监测部分1、现场纤维喷射混凝土喷射性能试验1）研究内容：（1)纤维的种类和掺量、混凝土骨料级配等对纤维混凝土喷射性能的影响；（2)水灰比、外加剂和掺合料的掺量对喷射性能的影响；（3)喷射风压、距离，喷射路线以及喷头与受喷面夹角等对喷射效果的影响；（4)纤维喷射混凝土单层衬砌的防排水技术(纤维喷射混凝土自防水、防水砂浆、防水涂层等)。172）研究目标：由室内试验确定的纤维喷射混凝土配合比参数进行试喷试验，确定现场大规模试喷试验方案（5种方案），纤维喷射混凝土单层衬砌施工要点。2、纤维喷射混凝土单层衬砌构件试验1）研究内容：（1)纤维混凝土喷板质量密度试验；（2)喷板切块力学性能试验；（3)喷板抗渗性能试验；（4)喷板板压韧性试验；（5)纤维混凝土与岩壁粘结强度试验。2）研究目标：纤维喷射混凝土单层衬砌受力机制和破坏特征，为斜井纤维喷射混凝土单层衬砌理论分析提供参数。3、现场规模试验及推广1）研究内容：选120m的试验段进行现场规模试验，试验分七段进行，其中五段每段20m，两段每段10m。试验段按室内外试验优选5种配合比进行。对各个试验段进行：（1)纤维喷射混凝土强度检测(取芯试验、声波试验)；(2)纤维喷射混凝土衬砌稳定性评价(通过不同试验段现场位移、应力监测，应力主要包括喷层应力等)；(3)纤维喷射混凝土单层衬砌原位抗渗性能试验。通过对试验段的施工来检验和调整施工工艺。2)研究目标：总结提升纤维喷射混凝土单层衬砌施工安全、可行的操作规程和工艺流程控制的要点、方法，促进该项技术的进一步推广和应用。5.2.4现场试验段施工在前期研究工作的基础上，试验段分7段，其中五段每段20m，两段每段10m共120m，按下表5.2.4的五种配合比方案实施。表5.2.4试验段钢纤维喷射混凝土配合比方案方案编号钢纤维类型水(kg）水泥(kg)石子(kg)减水剂掺量(kg)速凝剂掺量(%)河砂(kg)机制砂(kg)硅粉(kg)型号长径比掺量(kg/m3)1冷拉端钩6040225.6441.6598.84.327444.8667.238.4182剪切端钩6045225.6441.6597.14.327443.5665.338.43剪切波浪6045225.6441.6598.84.327444.8667.238.44剪切波浪6040225.6441.6514.64.327480.3720.438.45剪切波浪6045225.6441.6597.14.327443.5665.338.4试验段工作内容：在各试验段喷射过程中：一方面取样制作喷射混凝土大板，进行钢纤维喷射混凝土的力学性能试验；另一方面对各段的喷射效果及时比较、分析、总结，不断完善施工工艺。5.2.5钢纤维喷射混凝土抗渗能力试验抗渗性是综合反映混凝土抗渗和耐久性能的重要指标。对于隧道支护结构，为了防止地下水对混凝土和钢纤维的侵蚀，要求钢纤维喷射混凝土具有较高的抗渗性能。钢纤维喷射混凝土的抗渗性能试验分两方面进行：一方面，是在试模内喷射抗渗试件并标准养护28d，再进行抗渗性试验。另一方面，在试验段喷射混凝土内预埋抗渗水管，标养28d后，按照抗渗规范要求，向抗渗管中注水加压进行抗渗试验，考察现场喷射混凝土的极限抗渗性能。5.2.6单层衬砌试验段监测对试验段典型衬砌断面进行了变形和应力的动态过程监测，对典型断面进行的监测工作主要包含以下几个方面：1、在各试验段（7段）边墙1.5m高度处、拱腰和顶拱各布设一组混凝土应变计，进行支护结构变形监测（7（段）×5（监测断面组）＝35组）。2、在各试验段（7段）边墙底处和拱顶各布设一组收敛监测测点，进行围岩和支护结构收敛监测（7（段）×3（监测断面组）＝21组）。根据监测结果，混凝土应力有如下特点：1)围岩与衬砌的接触应力，除个别测点外，大部分是处于压应力状态；2)混凝土的压应力大都小于0.5MPa，远小于混凝土的抗压强度；3)从混凝土应力变化趋势来看，测试初期混凝土应力有一个快速增长阶段，而后趋于平稳，支护结构受力经过短暂的增长后，便趋于稳定。5.2.7斜井单层永久衬砌厚度确定对围岩稳定性评价主要采用Q系统分类法。得到Q值以后，还需要一个参数De来确定支护方案，De的表达式为：19ESRmDe开挖支护比）度（开挖的跨度、直径或高(5.2.7-1)其中开挖的跨度、直径或高度取三者之中的最大值，开挖支护比ESR与开挖的用途及安全等级有关，具体取值见下表5.2.7-1。表5.2.7-1开挖支护比ESR的取值开挖类别ESRA临时矿井开口3－5B永久矿井开口，水电站水洞，大尺寸隧道的导洞，小平巷或导坑1.6C储藏室，水处理厂，公路或铁路的次要隧道，泄水洞以及连接通道1.3D水电站，公路或铁路的主要隧道，人防工程，十字交叉口1.0E地下核电站，火车站，体育和公共设施，工厂0.8通过计算并结合现场监控数据，综合考虑混凝土强度差异以及围岩变化等因素，单层衬砌建议支护参数如下：1、对Ⅱ级围岩段推荐采用15cm厚钢纤维喷射混凝土单层永久衬砌支护，钢纤维掺量50kg/m3～80kg/m3；2、III级围岩段推荐采用20cm厚纤维喷射混凝土单层永久衬砌支护，钢纤维掺量50kg/m3～80kg/m3。3、对已进行钢筋网喷混凝土初期支护段推荐采用10cm厚钢纤维喷射混凝土。对需要考虑防水问题的隧道，可以加入聚丙烯微纤维提高钢纤维喷射混凝土的抗裂和抗渗性能，以达到防水效果，必要时可在两层喷混凝土中间施作防水层。钢纤维喷射混凝土的配合比是决定单层衬砌性能的重要因素，配合比的选取决定了支护结构的最终性能。喷射钢纤维混凝土中钢纤维参量宜采用60kg/m3；现场施工采用下表5.2.7-2所示配合比：表5.2.7-2配合比参数表钢纤维类型水(kg)水泥(kg)石子(kg)减水剂掺量(kg)速凝剂掺量(%)河砂(kg)机制砂(kg)硅粉(kg)型号长径比掺量(kg/m3)剪切波浪6060225.6441.6514.64.32