湿喷聚脂纤维混凝土在客运专线隧道中的应用1

湿喷聚脂纤维混凝土在客运专线隧道中的应用【摘要】改性聚酯纤维原名为聚丙烯合成纤维网纤维，是80年代中期美军工兵罗博特工程协会专为防空工事加固而研制的专利产品。现市场上生产的改性聚酯纤维主要是以100%PP原胶为原料生产的聚丙烯纤维合成的、经特殊的表面技术处理、有强度高、分散性良好的特性，是一种高强聚丙烯束状单丝纤维。自1995年以来，该产品已在国内多数地方广泛用于工业民用建筑、地下建筑、道路、桥梁、隧道工程中的防水混凝土工程中。本文旨在通过武广客运专线XXTJIV标段仙殿岭隧道的喷射混凝土施工，向类似的工程推荐采用湿喷聚脂纤维混凝土的施工工艺，以提高喷射混凝土的施工质量和改善喷射混凝土的施工环境。【关键词】湿喷改性聚酯纤维混凝土使用1、工程简介武广客运专线XXTJIV标段仙殿岭隧道全长1710米，进出口施工里程分别为DK1878+988～DK1880+698。隧道位于岩溶发育区，地质条件复杂，先后穿越断层破碎带、岩溶地段及煤系地层等不良地质地段。施工过程中易发生突水突泥，最大涌水量10017m3/d。设计防水等级要求满足《地下工程防水技术规范》（GB50108）规定的一级防水标准，即衬砌表面无湿渍。初期支护设计采用锚喷混凝土防护，混凝土标号为C25并添加聚酯纤维。2、施工方案选择根据设计及《铁路混凝土施工技术指南》（TZ210—2005）有关喷射混凝土的回弹量及粉尘含量要求，该隧道喷射混凝土计划采用湿喷聚酯纤维混凝土施工。2.1、机具选择根据湿喷工艺要求，机具配置见表一：喷射混凝土施工现场主要机具配置表。表一：喷射混凝土施工现场主要机具配置表序号设备名称规格型号产地数量备注①工作平台长10m自制1架上部喷射混凝土工作台②工作台架长5m自制2架下部边墙喷射土工作台③上料平台1/2喷射机高度自制3架为减轻劳动强而设,高0.65m④集料斗2x1.5x1m自制3个用于集装混凝土⑤混凝土喷射机TK-500型湿喷机成都3台其生产能力为4～4.5m3／h,水平距离60m,垂直距离20m⑥空气压缩机L-22/8自贡4台风压大于0.5MPa⑦砼运输车SGW5260、6m3日本4辆⑧坍落度简、电子台称、大板试模、混凝土贯入阻力仪以及其它辅助工具各1台（套）注：混凝土由搅拌站集中生产，表中未列混凝土生产设备。2.2、胶凝材料选择根据《铁路混凝土工程施工技术指南》（TZ210-2005）及《铁路混凝土工程施工质量验收补充标准》（铁建设[2006]160号）的相关要求，对所有原材料均按相关检测方法和频率进行试验检测，对合格的原材料才能使用。具体原材料见表二：聚酯纤维喷射混凝土胶凝材料表。表二：聚酯纤维喷射混凝土胶凝材料表序号材料名称规格质量状况备注①水泥P.O42.5检测合格东江普通硅酸盐水泥②砂河砂检测合格耒阳③粗骨料5～16mm碎石检测合格石盖塘④水饮用水检测合格⑤速凝剂液态检测合格山西黄腾⑥半圆形排水管直径50～100mm检测合格⑦聚酯纤维长5～19mm检测合格陕西万达2.3、配合比的选定按设计及规范要求，结合湿喷机的技术参数，最初试配五个不同的理论配合比，然后在现场进行试喷，制作试件。对现场实体用贯入法检测一天强度；试件标准养护28天后进行抗压试验。根据检测结果选取既符合规范要求又较为经济的一组配合比作为理论配合比，见表三：C25聚酯纤维喷射混凝土理论配合比。表三：C25聚酯纤维喷射混凝土理论配合比材料名称水泥砂石水速凝剂聚酯纤维坍落度(mm)重量(Kg)440880880198221.280～130配合比1220.450.052.7%3、施工工艺3.1、岩面及渗水处理岩面处理。用断面检查仪对开挖面进行检查，清除松动危石，处理欠挖，用高压风或水清洗受喷面，将开挖面的粉尘和杂物清理干净；埋设喷层厚度检查标志。渗水处理。对于基面渗水，采用“排、堵”相结合的原则进行处理。对于大面积渗水、淌水，采取径向注浆或局部注浆的方法，将水流集中后用半圆管排放，半圆管引至两侧边墙脚位置，通过纵向盲管、侧沟等其它排水系统排出洞外。渗水处理后应及时初喷混凝土厚不小于4cm。3.2、生产混凝土混凝土由搅拌站集中生产，混凝土运输车运送到现场。每次生产混凝土前，用砝码复核搅拌机各种胶凝材料的称量系统，保证各种胶凝材料的质量误差在允许范围内。根据测定的砂石料的含水率计算施工配合比，依次投入河砂、水泥和水，搅拌均匀后投入碎石，充分搅拌后再投入聚脂纤维，最后搅拌2分钟。3.3、喷射混凝土3.3.1、调整风压按喷射机的技术参数调整风压至0.5MPa左右，并保持风压不变。3.3.2、调整速凝剂配合比喷射混凝土前，应检查速凝剂的计量装置是否准确，具体方法是：开启喷射机，将速凝剂导流管接入试验容器内，记录速凝剂装盛时间，称量速凝剂重量，计算速凝剂流量，再根据喷射混凝土的速度即可计算速凝剂掺量，然后调整速凝剂的限流阀。反复调整，直到速凝剂掺量符合要求。3.3.3、喷射混凝土喷射混凝土应分段、分部、分块，按先墙后拱、自下而上进行，喷嘴需对受喷岩面作均匀的顺时针方向的螺旋转动，一圈压半圈的横向移动，螺旋直径约为20～30cm，或采用S形往返移动前进。喷射时分段长度不应超过6m，分部为先下后上，分块大小为2mx2m。喷嘴和岩面的距离为l.2m左右，喷嘴与受喷面垂直，并稍微偏向刚喷射的部位（倾斜角约80度），岩面凹陷宜先喷和多喷，而凸出处宜后喷和少喷。一次喷射厚度，拱顶宜为6cm左右，边墙宜为8cm左右。喷射混凝土终凝1h后进行复喷时，应对喷层面用高压风或高压水清洗干净。3.3.4、养护在喷射混凝土终凝2h后进行洒水养护，保持喷射面湿润，养护时间不少于14d。4、质量检测及初步印象由于仙殿隧道目前尚未贯通，喷射混凝土尚未结束，还不能完全评价这一工序的效果，但根据现在已施工的数据进行分析，在质量和环境方面具有较好的初步印象。4.1、喷射混凝土质量较高本隧道自2006年8月底开工以来，检查所有喷砼表面没有发现裂缝、脱落、空鼓等质量通病。测定喷射混凝土一天强度共200组，见表四：仙殿岭隧道出口喷射混凝土一天强度统计表，其强度值为8.6～13.6MPa，代表值为11.1MPa，符合设计不小于5MPa的要求。表四：仙殿隧道出口C25喷纤混凝土1d抗压强度贯入检测统计表序号施工时间贯入法检测次数强度最小值(MPa)强度最大值(MPa)强度代表值(MPa)12006.8.17～8.312010.212.811.022006.9.1～9.30871113.612.332006.10.1～10.31431012.511.042006.11.1～11.30308.610.411.252006.12.1～12.31208.69.59.16合计2008.613.611.128天抗压强度见表五：仙殿隧道出口喷射混凝土28天抗压强统计表，其强度值为25.2～41.9MPa，代表值为30.0MPa，符合设计要求。表五:仙殿隧道出口C25喷纤混凝土28d抗压强度统计表序号施工时间取样次数强度最小值(MPa)强度最大值(MPa)强度代表值(MPa)12006.8.17～8.312029.241.931.622006.9.1～9.308727.835.430.032006.10.1～10.313925.234.529.442006.11.1～11.302927.436.929.952006.12.1～12.311827.830.129.26合计19325.241.930.0钻芯取样检查质量符合要求。为证实有喷射混凝土的实体质量，监理工程师、业主（武广公司）、铁道部质监站等多个上级单位多次现场钻芯取样，未发现喷射混凝土质量有问题。如图一：喷射混凝土内部密实、芯样完整、底部完整无空洞，厚度符合设计25cm要求。图一：喷射混凝土实体芯样图4.2、表面平顺、光滑如图二，湿喷聚脂纤维混凝土表面平顺、光滑，没有干喷混凝土时常出现的流淌、下坠现象；并且，当风压保持在0.5MPa时，表面的麻面、风洞也大为减少，外观形象较好。图二：喷射混凝土表面平顺、光滑4.3、施工环境良好经多次检测，在洞内空气质量良好即粉尘含量小于2mg/m3的时候，在距受喷面1.5m的范围内检测粉尘含量为为5～8mg/m3，在20米范围内以外，通过加强通风，空气质量即可达到规定标准，大大改善了洞内施工环境。4.4、原因初探4.4.1、聚酯纤维对喷射混凝土质量提高起了主导作用本工程使用的聚酯纤维是陕西万达工程科技有限公司生产的束状改性聚酯纤维，其物理性能如表六。表六：改性聚酯纤维主要物理性能密度：1.36Kg/m3长度5mm-19mm直径20µm-100µm抗拉强度≥900MPa拉伸延伸率≥25%弹性模量≥4500MPa熔点259°C抗碱强度≥95%由表六可以看出，改性聚酯纤维细小，比表面积大，每1m3的混凝土有约300万根纤维，能在混凝土内部形成三维立体乱向支撑体系，增加了混凝土的握裹能力，能极有效的控制混凝土的早期塑性收缩、干缩等非结构性裂缝的产生和发展，大大减少混凝土内部的裂缝。由于改性聚酯纤维具有非常强的抗拉强度和非常高的弹性模量，能有效阻碍骨料的离析，阻碍沉降裂缝的产生，从而提高混凝土的抗裂、抗渗、抗冻、抗冲击性能，增加混凝土的韧性和耐磨性性能，从而使建筑物的寿命大大延长。同时，由于其抗碱性较高，还能提高混凝土的的抗紫外线、抗辐射能力。所以，改性聚酯纤维用于喷射混凝土中，能形成更厚的喷射混凝土层，使施工进度加快；具有更高的粘稠性，能大幅度降低混凝土回弹，降低工程成本；能阻止收缩龟裂，避免喷射混凝土表面开裂、发生脱落、空臌现象；较喷射钢纤维混凝土相比，能减少对搅拌机、喷射机等机械设备的损伤，同时，不具有锈蚀、老化现象，能增加混凝土使用寿命。4.4.2、湿喷工艺保证了混凝土的水灰比控制众所周知，水灰比的大小是保证混凝土强度的关键因素之一。干喷工艺是在现场通过供水管道在喷射混凝土时添加用水，用水量是人工通过闸阀加以调节，一方面，人为因素改变了混凝土的水灰比；另一方面，当喷射混凝土的风压、人工上料的连续性等变化时，其水灰比变化也比较大。而采用湿喷工艺，则完全可以控制上述情况，只要塌落度控制在配合比规定的范围内，则水灰比是比较稳定的，能较好的保证混凝土强度。采用干喷工艺，水和混凝土是在喷射机的管道内进行拌和的，拌和时间少、不均匀，除了影响混凝土强度外，其回弹量也较大，而且粉尘含量严重超标；而采用湿喷工艺，能够减少回弹量、减少粉尘产生。4.4.3、湿式喷射机保证了施工工艺的实现TK500湿式喷射机较以往的喷射机，在施工过程中的劳动强度降低、性能完好可靠等方面有了大幅度提高，并且引用了先进的速凝剂添加计量泵，使速凝剂添加数量能较好掌握，从而对喷射混凝土的强度提供了一定保证。不过，在施工现场发现，在调整速凝剂的配合比时，仍然较为麻烦，并且，当混凝土的连续性发生变化时，速凝剂的掺量并不会发生变化，造成混凝土的配合比变化较大，这对喷射混凝土的强度也有较大的影响。因此，建议以后的喷射机，能采用自动智能计量装置，同时，增加吸尘系统，尽可能减少粉尘的产生。5、结束语湿喷聚脂纤维混凝土在仙殿岭隧道取得了较好的效果，对保证喷射混凝土质量、保证施工安全有着重要的意义，值得在今后的类似工程中推广。但由于目前国内一些厂家生产的速凝剂质量有波动，对喷射混凝土的回弹量控制方面，仍需进一步探索，以最大限度地降低工程成本。参考文献：[1]客运专线铁路隧道施工技术指南,铁道部经济规划研究院，2005-09-22.[2]铁路混凝土工程施工技术指南,铁道部经济规划研究院，2005-09-22.[3]武广客专乌花施图IV（隧）58寒水隧道施工设计图,武汉:铁道第四勘察设计院,2006.7.[4]王毅才,主编.隧道工程,人民交通出版社.2005.5.[5]李广才.湿式喷射混凝土技术在隧道施工中的应用.山西建筑,2005,(09).作者简介：吴智（1969—），男，汉族，贵州遵义人，1995年毕业于贵州工业大学采矿工程专业，工程师，现任中铁五局一公司武广经理部项目总工，从事土木工程施工工作。