喷射纳米仿钢纤维混凝土施工工法

王秋波，范志军

（中国水利水电第六工程局有限公司，辽宁 丹东118000）

0 引 言

喷射纳米仿钢纤维混凝土主要是由于纳米外加剂的化学活性比水泥高1～3 倍，其掺入水泥后，加快了水泥的诱导期和加速其的水化反映，使汽-液-固三相通过饱和度达到相应的浓度梯度，改善了水泥凝固的三维结构，增加混凝土的粘结力；同时由于其比重和颗粒均比水泥少，改善了混凝土的堆积密度，既减表面水又减间隙水，使胶团产生反复聚合作用。且仿钢纤维在混凝土中具有很好的分散性，与水泥基材料有很高的界面粘结力，从而使喷射混凝土性能大大提高。喷射纳米仿钢纤维混凝土还未被水电工程中广泛应用，通过查阅纳米喷射混凝土资料，也仅在锦屏二级水电站引水隧洞中采用过，下文依托溧阳抽水蓄能电站喷射纳米仿钢纤维混凝土的施工实例，介绍塌方段及富水段喷射纳米仿钢纤维混凝土施工一套成熟的工法。

1 方法简介

喷射纳米仿钢纤维混凝土施工方法的特点：保证了地质围岩差的洞室开挖及支护的正常施工，保证施工进度及其质量；成功解决了复杂地质条件及围岩差易塌方及渗水段难施工的施工难题；为进一步的施工提供安全环境；施工质量好，喷射后作业面光滑，且渗水迅速被封闭。其适用于水利水电工程中地质条件差、地下水丰富，常发生塌方现象的地段施工。

喷射纳米仿钢纤维混凝土主要是掌握当地地质情况，保证不影响施工进度，还要掌握喷射混凝土的基本特性，观察喷射后效果及回弹料的收集。前期准备工作，是保障地质条件差及地下水丰富的施工地段顺利施工的关键，要掌握当地地质条件，了解普通钢纤维喷射混凝土能否满足工程要求；做好原材料检测，掌握各种材料的各项性能，避免由于材料自身原因而影响喷射混凝土的性能；通过现场试验及时掌握喷射纳米仿钢纤维混凝土能否达到对塌方段及富水段及时封闭，掌握其凝结时间、回弹量、一次喷射厚度及喷射纳米仿钢纤维混凝土强度的检验。

2 施工工艺

施工原材料为水泥、砂、石、水、速凝剂、仿钢纤维及纳米。设备有：混凝土搅拌车2 辆、混凝土拌合站1 座及混凝土喷射机1 台。

2.1 流 程

流程：确定围岩类别→准备原材料及检测→确定喷射纳米仿钢纤维混凝土配合比→混凝土的拌合、运输→采用麦斯特联合混凝土喷射机机械手进行喷射施工→收集回弹料及做相关试验。

2.2 操作要点

2.2.1 现场围岩类别及地质条件

江苏溧阳抽水蓄能电站地质条件非常复杂且地下水丰富，普遍为线状滴水。基岩为志留系茅山组上段第①层、第②层和第③层，以厚层、中厚层岩屑石英砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩及薄层泥岩为主，节理裂隙发育，岩体以较破碎～完成性差为主，围岩类别为：Ⅲ类围岩占8%，Ⅳ类围岩占67%，Ⅴ类围岩占25%。

2.2.2 原材准备及检测

1）水泥

试验选用金峰P.O42.5 水泥，试验依据GB175-2007《通用硅酸盐水泥》进行检验，所检验的各项物理性能均满足规范要求。检测结果见表1。

2）细骨料

试验采用L8 标砂石加工系统生产的人工砂进行，试验依据DL/T5151-2001《水工混凝土砂石试验规程》进行检验，检验结果见表2，细骨料颗粒级配颗粒级配试验结果见表3。

表1 水泥检验结果

表2 细骨料检验结果

表3 人工砂颗粒级配试验结果

3）粗骨料

试验采用L8 标砂石加工系统生产的人工碎石进行，试验依据DL/T5151-2001 规程进行检验，所检验的各项物理性能均满足DL/T5144-2001《水工混凝土施工规范》标准要求，检验结果见表4。

表4 粗骨料检验结果

4）纳米外加剂

纳米外加剂采用河南省巩义市宏超建材有限公司生产的跨越2000 型，其试验结果均满足QB/HCNM01-2002的相关要求，其检验结果见表5。

表5 纳米外加剂检验结果

5）液态速凝剂

液态速凝剂采用安徽润安生产的无碱液态速凝剂RCMG-10C 型，其试验结果均满足JC477-2005《喷射混凝土用速凝剂》的相关要求。试验采用金峰牌P.042.5 水泥，检测结果见表6。

表6 液态速凝剂检验结果

6）仿钢纤维

仿钢纤维采用深圳海川科技工程有限公司生产的concretepower3000。检测结果符合YB/T151-1999《混凝土钢纤维》的技术要求，检测结果见表7。

表7 仿钢纤维检验结果

2.3 确定喷射纳米仿钢纤维混凝土配合比

纳米材料是一种新型材料，具有增强、减水、坍落度损失较大的特点，减水率高达31.5%，且无泌水，1 d 抗压强度高，后期强度无损失，抗压强度比均高于高效减水剂的电力标准。该工程现场采用原钢纤维喷射混凝土CF25 配合比进行调整，调整后配合比见表8。

表8 CF25 纳米仿钢纤维喷射混凝土配合比kg/m3

2.4 混凝土的拌合及其运输

混凝土采用生产厂区的拌合站进行拌制，纳米及仿钢纤维材料按照配合比人工添加至提升料斗内。投料次序及搅拌时间为：在加纤维前按正常时间（90 s）搅拌混凝土，混凝土搅拌完毕后，在搅拌机中投入纤维材料，再搅拌30 s。混凝土拌制后，采用混凝土搅拌运输车运至施工现场。

2.5 喷射混凝土施工

喷射混凝土采用麦斯特联合混凝土喷射机机械手施工进行喷射。喷射施工时喷嘴距喷射部位保持在1.0～1.5 m，当喷嘴处于正常距离范围且向减小控制时，应及时降低混凝土输出量并加快喷嘴移动速度，且尽量与喷射部位保持垂直，但不允许与基面夹角小于45°。喷射时连续平稳地按圆形或椭圆形状旋转喷射，对预喷射的部位从一边向另一边喷射，每次喷射的厚度在20 cm 左右，从一侧向另一侧间隙3～5 min 循环喷射。另外，在试喷约0.5 m3料后，开始喷射大板试件进行取样。

2.6 收集回弹料及相关试验

2.6.1 收集回弹料

为检测纳米仿钢纤维喷射混凝土的回弹量，在喷射施工前将施工作业面整平后，铺上彩条布进行回弹料的收集。喷射结束后，及时对回弹量进行计量。通过对收集回弹料的统计，顶拱的回弹率小于7%，边墙的回弹率小于3.5%。

1）一次喷射厚度检测。在喷射纳米仿钢纤维混凝土前将准备好的钢筋预埋件提前固定在粗喷层上，喷射混凝土施工完成时，量取预埋件，计算一次喷射厚度，厚度为40 cm。

2）强度检测。在试喷约0.5 m3料后，开始喷射大板试件进行取样。并进行试件的1，3，7，28 d 抗压及抗折强度检验，检验结果见表9。

表9 喷纳米钢纤维混凝土抗压及抗折强度结果统计

3 质量控制

1）建立施工质量保证体系，确立管理人员名单，负责各工序的组织管理工作；

2）施工机械设备组织到位；

3）施工前，技术人员组织召开专题会议，对试验人员、施工作业队各个工序有关人员进行技术及工法交底；

4）质检员进行全过程质量检查控制与技术指导、监督，填写质量检查控制表；

5）项目总工程师、质检部部长、技术部部长、施工队队长要对每一循环施工质量进行检查、总结。

4 安全环保措施及效益分析

4.1 安全措施

1）为保证照明安全，必须在各作业面、道路、生活区等设置足够的照明系统，地下工程照明用电遵守SDJ212-83第10.3.3 条的规定，在潮湿和易触电的场所照明供电电压不大于36 V。施工用电线路按规定架设，满足安全用电要求。

2）因是塌方段及富水段，人员要等围岩不在继续掉落石头时再进入施工现场。

3）每道工序施工完成，经过安全检查合格后，才能进入下一道工序的施工。

4）及时观察围岩情况，如发现异常情况及时报告有关人员，并立即组织施工人员和机具撤离。

5）项目部成立安全管理小组，针对该工程安全重点由技术部编制安全技术措施指导现场生产，加强施工现场安全管理工作，科学组织施工，确保施工安全。

6）对参加喷射纳米仿钢纤维混凝土施工的所有人员，在喷射前由项目部安全部、工程部、物资部组织进行安全教育和安全技术交底。

4.2 环保措施

1）爆破粉尘及烟气得到了及时有效的排放；

2）锚喷时所产生的粉尘及废弃料及时有效的排除。

4.3 效益分析

对于塌方段及富水段施工，确保工程进度及工程质量是喷锚工程重点。通过喷射纳米仿钢纤维混凝土，能够迅速封闭塌方段及富水段围岩，从而提高施工并保证了施工质量。

5 应用实例

江苏溧阳抽水蓄能电站总装机容量1 500 MW，正常蓄水位291.00 m，死水位254.00 m，调节库容1 195.9 万m3。

1）1，2号尾水主洞

1 号尾水主洞开挖断面为圆形，全长1 139.956 m，设计纵坡为4.85%，洞径为12 m，衬砌后断面为10.0 m。2 号主洞长1 226.203 m，设计纵坡为4.74%。1，2 号尾水主洞地质条件非常复杂且地下水丰富，基岩为志留系茅山组上段第①层、第②层和第③层，以厚层、中厚层岩屑石英砂岩为主，节理裂隙发育，岩体以较破碎～完成性差为主。围岩类别为：Ⅲ2 类占10%～15%，Ⅳ类围岩占60%～65%，Ⅴ类围岩占25%左右。为了能够对塌方段及富水段及时支护，该工程采用喷射纳米仿钢纤维混凝土，从而能对施工部位的围岩进行了迅速封闭，混凝土喷射后，喷射作业面的渗水能被及时止住且一次喷射厚度较常规喷混凝土明显增大。

2）1 号施工支洞

隧洞埋深170～300 m，围岩属统茅山组上段第1 层～第2 层，围岩属弱风化，岩层产状变化较大，节理、裂隙发育，岩体完整性较差，围岩类别主要为Ⅲ～Ⅳ类。该段有F32，F57，F46，F61，F53 等断层通过，其中F32 规模最大，断层走向于洞轴线交角较小，为20°～40°，充填宽度为15～40 m 强烈蚀变的安山岩脉。F57，F46，F61，F53 断层破碎带宽度为0.2～1.0 m，主要由碎块岩、碎裂岩组成，3 条断层与洞轴线交角大于50°，断层带部位围岩稳定性差，属Ⅴ类。预测涌水量为300 m3/d。为了能够对塌方段及富水段及时支护，工程采用喷射纳米仿钢纤维混凝土，从而能对施工部位的围岩进行了迅速封闭，混凝土喷射后，喷射作业面的渗水能被及时止住且一次喷射厚度较常规喷混凝土明显增大。

溧阳项目部利用此法对塌方段及富水段围岩进行施工，不仅能够对塌方段及富水段围岩迅速封闭且喷射混凝土外观质量好，有效地保证了混凝土的施工质量和施工进度。