纳米·增韧型粗纤维湿喷混凝土在锦屏二级水电站引水隧洞中的试验与应用

韩 旭 东， 葛 军

(中国水利水电第七工程局有限公司，四川 成都 610081)

1 概 述

锦屏二级水电站引水隧洞穿越的地层为三迭系浅海～滨海﹑海陆交替相地层，构成了引水隧洞的主要围岩，自西向东分别为T2Z杂谷脑组大理岩﹑T1绿片岩﹑T3砂板岩﹑T2b白山组大理岩﹑T2y盐塘组大理岩，其中碳酸盐岩石占90%，其余为碎屑岩。在开挖施工过程中，主要存在地下突涌水、高地应力岩爆以及断层破碎带等主要工程地质问题。

(1)由于掌子面附近经常发生岩爆，采用普通混凝土喷射时，混凝土与围岩粘结强度不高，一次喷层厚度较薄，强度增长较慢；同时，由于施工进度需要，掌子面在前一循环喷射混凝土后10～16 h放炮，经常发生混凝土被震塌的现象，严重影响开挖进度和人员、设备的安全。

(2)对于开挖中遇到的富水地段，经常发生喷射后立即掉落的现象，混凝土与围岩无法粘结。

(3)对于断层和破碎带，开挖后需对围岩及时喷射混凝土进行封闭，才能在相对安全的条件下进行锚杆和网片等的施工。而普通的喷射混凝土很难达到设计要求，从而无形中增加了支护的时间，影响施工进度。

(4)受TBM设备限制，喷射钢纤维混凝土存在一定困难，容易堵管。

鉴于上述存在的问题，急需寻找一种材料以满足施工要求。超细粉磨无机纳米材料是一种经充分研磨、材料颗粒直径达到纳米级的混凝土外加剂，它集减水、增强、促凝为一体，主要成份为二氧化硅，是一种无毒、无害、无味、无污染的无机材料。在喷混凝土中掺入该材料后，可以增加一次喷射厚度且回弹率大大降低、粉尘小，具有初期起强快、后期强度高、抗渗性能好、粘结强度高、耐久性强等优点。超细粉磨无机纳米材料作为喷射混凝土外加剂，能够适应诸多恶劣地质条件，如强岩爆、稳定性极差的洞段。对于强岩爆洞段，采用外掺无机纳米材料喷射混凝土，可以提高混凝土的一次喷射厚度，从而为系统锚杆支护提供施工时间和施工安全保障，且喷混凝土强度增长迅速，效果显著。对于一般富水区，采取对出水点进行封堵，然后使用掺入纳米湿喷混凝土全断面喷射30～40 cm厚的方式；对围岩破碎带及塌方抢险地段改普通喷射混凝土为纳米喷射混凝土。对于TBM洞段，采用纳米材料和增韧型聚丙烯合成粗纤维材料组合使用，可以替代钢筋网、钢纤维的防裂和增强功能，从而使施工更加经济、省时、方便，还能够抑制混凝土塑性收缩及干缩裂缝，提高混凝土的抗冻融能力、抗疲劳性、抗渗透性、抗磨、抗碎裂、抗冲击性能、抗弯增强和辅助增强功能；能够提高混凝土的支撑性能和黏结性能，产生有效的二级加强效果；其能够提供混凝土较高的残余强度，改善混凝土的耐久性，而且具有泵送容易，不会损坏机械设备，减少回弹、降低成本等特点。

2 材料特性

本工程选用成都宏达公司生产的宏达纳米材料和河南巩义生产的跨越2000型纳米材料，其材料性能见表1，检验项目见表2。

增韧型聚丙烯合成粗纤维(有机仿钢纤维)：增韧型聚丙烯合成粗纤维是一种新型增强、增韧材料，具有质轻、耐腐蚀、易于均匀分散、握裹力强，能提高混凝土的韧性、抗震防爆性能以及混凝土的早期抗裂性能，在喷混凝土中具有显著优势，是一种具有广泛应用前景的混凝土增强、增韧材料，其性能见表3。

表1 无机纳米材料性能表

表2 纳米外加剂品质检验项目表

本工程选用深圳维克有限公司生产的有机仿钢纤维，其各项品质检验指标见表4。

表3 有机仿材料性能表

表4 深圳维克有机仿钢纤维品质检验项目表

3 湿喷混凝土试验与应用

(1)湿喷混凝土配合比。

采用“乃托”普通硅酸盐P.042.5R水泥、水电七局模砂沟砂石厂生产的砂石和以下外掺物,进行了湿喷混凝土拌和物性能、硬化性能检验，其配合比见表5。

表5 湿喷混凝土配合比参数表

①C30纳米：在C30纳米湿喷混凝土的基础上添加8 kg/m3的深圳维克有机仿钢纤维，做纳米+有机仿钢纤维湿喷混凝土试验。

②C30纳米：C30纳米湿喷混凝土分别使用河南巩义生产的纳米外加剂和成都宏达生产的纳米外加剂，纳米外加剂掺量分别为水泥用量的6%、7%、8%、10%，进行纳米湿喷混凝土对比试验。

(2)不同配比方案室内试验成果对比情况。

室内试验采用乃托普通硅酸盐P.042.5R水泥及河南巩义纳米外加剂和成都宏达纳米外加剂，掺量分别为水泥用量的6%、7%、8%、10%，由深圳维克有限公司生产的维克有机仿钢纤维掺量为8 kg/m3进行湿喷混凝土拌和物性能检验、硬化混凝土性能检验。混凝土各材料用量、试验成果见表6。

表6 不同配比方案湿喷混凝土室内试验成果对比表

试验结果表明：不同厂家生产的纳米外加剂品种对混凝土强度及其它性能影响较小，均可进行互换；通过掺量为6%、7%、8%、10%的纳米外加剂进行的混凝土强度试验可知，混凝土强度随着纳米外加剂掺量的增加而增加。

(3)现场湿喷混凝土试验。

现场试验选用“乃托”普通硅酸盐P.0 42.5R水泥及河南巩义生产的纳米外加剂和成都宏达生产的纳米外加剂，掺量分别为10%。对于采用深圳维克有限公司生产的维克仿钢纤维掺量为8 kg/m3进行了现场湿喷混凝土拌和物性能检验。

试验位置的选择和施工工艺。

①试验位置选择在1#、2#、3#、4#洞进行，施工工艺采用湿喷技术，利用C4、C5标段正在使用的大型湿喷机进行试验；试验时喷头宜与受喷面垂直，喷射距离为1.2～1.8 m, 喷射角度应尽量与喷射面垂直，喷射时应自下而上，喷嘴应做小圆周运动，喷混凝土风压要比普通喷混凝土高0.2～0.5 kg/cm2，一般为1.5～2 kg/cm2;喷射拱部时应稍大;喷射作业应分段分片进行，喷射顺序应自下而上。为保证喷射层与岩壁的粘结强度，在实施喷混凝土前，应保持岩壁和喷混凝土表面湿润，以保证新老喷混凝土结合良好。在施喷(包括填平补齐)前，应用高压风(4～5 kg/cm2)加水认真冲洗干净并排除积水。

②现场喷射试验，在14 d龄期时用喷大板切割法制备试件，在标准养护室中养护至28 d龄期后进行试验。其中喷射混凝土与围岩黏结强度采用劈裂法；韧度指标试验采用100 mm×100 mm×400 mm的梁式试件。有机仿钢纤维喷射混凝土弯曲韧度指数试验委托大连理工大学进行。

室内喷射混凝土性能试验成果列于表7，现场喷射混凝土性能试验成果列于表8，现场喷射混凝土测试成果见表9。

表7 喷射混凝土现场大板试验及室内成型试验成果表

表8 现场试验喷射混凝土性能试验成果汇总表(大板试验)

表9 喷射混凝土现场测试成果表

上述试验结果表明：单掺纳米湿喷混凝土、纳米+有机仿钢钎维湿喷混凝土的各项力学性能指标均满足设计要求，不同厂家外加剂品种、不同厂家纳米外加剂品种、不同厂家有机仿钢纤维品种对混凝土强度及其它性能影响较小，均可进行互换。单掺纳米湿喷混凝土、纳米+有机仿钢钎维湿喷混凝土配合比均满足锦屏二级水电站引水隧洞施工要求。

4 结 语

(1)纳米+有机仿钢钎维湿喷混凝土与围岩黏结强度(采用劈裂法)为1.6 MPa；弯曲韧度指数I5为3.84，满足≥3的设计要求；28 d抗压强度为43.4 MPa，抗拉强度为3.25 MPa，抗折强度为10 MPa，抗渗等级≥W8，弹性模量为3.41×104MPa，对混凝土的韧性改善较大，可提高混凝土的抗弯韧性。

(2)纳米+有机仿钢钎维湿喷混凝土施工方便，与混凝土有良好的和易性，搅拌无结团；泵送容易，不易摩损管道，能够减少回弹、降低成本。

(3)增加一次性喷射厚度且回弹率小、粉尘小，具有初期起强快，后期强度高，抗渗性能好，粘结强度高、耐久性强等优点。

(4)能够抑制混凝土塑性收缩及干缩裂缝，提高混凝土抗冻融能力、抗疲劳性、抗渗透性、抗磨、抗碎裂、抗冲击性能，具有抗弯增强和辅助增强功能。

该配比通过在锦屏二级水电站引水隧洞中的应用，能够适应诸多恶劣地质条件，如强岩爆、稳定性极差的洞段。对于强岩爆洞段，采用外掺无机纳米材料喷射混凝土，可以提高混凝土的一次喷射厚度，为系统锚杆支护提供施工时间和施工安全保障，且喷混凝土强度增长迅速，效果显著。截止到2012年10月25日,C30纳米湿喷混凝土在1～4#引水洞和施工排水洞中共使用102 778 m3, CF30纳米仿钢湿喷混凝土在1～4#引水洞、1～4#调压室顶拱和施工排水洞中共使用58 741 m3,工程质量满足设计要求,得到业主、设计及多家施工单位的好评。纳米材料、增韧型聚丙烯合成粗纤维等喷射混凝土在锦屏二级水电工程中的首次运用，保证了锦屏二级水电站引水隧洞的施工质量，为工程进度赢得了时间。

随着湿喷混凝土技术的快速发展，特种湿喷混凝土作为大洞室锚喷支护施工中的重要组成部分，在快速支护和应对复杂地质条件等方面发挥出巨大的作用。

作者简介:

韩旭东(1967-)，男，山东潍坊人，锦屏二级水电站东端项目部试验室主任，工程师，从事水电工程施工技术与管理工作；葛 军 (1960-)，男，贵州黎平人，锦屏二级水电站东端项目部副经理，工程师，从事水电工程施工技术与管理工作.