大伙房输水工程TBM2标喷射混凝土配比设计研究与应用

大伙房输水工程TBM2标喷射混凝土配比设计研究与应用

刘亮

(辽宁润中供水有限责任公司， 沈阳110003)

【摘要】通过大伙房输水工程TBM(隧道掘进机)2标喷射混凝土配比设计、选定研究及施工应用，总结出了“无碱液态速凝剂+湿喷新工艺+TBM掘进机自带喷射”的喷射系统的施工经验，可为类似工程TBM施工喷射混凝土配比研究参考。

【关键词】隧洞； 隧道掘进机； 喷射混凝土； 配合比设计

中图分类号：TU528.53文献标志码： B

Research and Application of Dahuofang Water Conveyance Project

TBM2 Standard Shotcrete Mixing Ratio Design

LIU Liang

(LiaoningRunzhongWaterSupplyCo.,Ltd.,Shenyang110003,China)

Abstract：In the paper, spraying system construction whole-set experience of “alkali-free liquid accelerator + wet spraying new technology + TBM heading machine with spraying function” is summarized through Dahuofang water diversion project TBM2 standard shotcrete mixing ratio design, selection research and construction test application. Reference is provided for studying TBM construction shotcrete mixing ratio in similar projects.

Keywords：tunnel; TBM; shotcrete; mixing ratio design

1工程概况

辽宁省大伙房输水工程位于辽宁省东部山区的桓仁县和新宾县，是辽宁省十五期间的重点建设项目，建成后将为抚顺、沈阳、本溪、辽阳、鞍山、营口等六座城市提供工业和生活用水。工程的主体为自流输水隧洞，全长85.32km，是国内目前最长的山岭隧道，其工程规模、施工难度、进度指标、技术含量在当今山岭隧道施工中都是空前的。隧洞施工采用以TBM法为主、钻爆法为辅的联合施工方法，中间设14条辅助施工支洞，隧洞底坡1/2380。大伙房输水工程TBM施工分三个标段，其中TBM2标段为疙疤寨(12号支洞)～台宝段(15号支洞)输水隧洞合同段，采用TB803E敞开式TBM施工，开挖直径为8.0m，隧洞埋深130～420m，起讫桩号为44+288～66+846.42，全长22558.42m。TBM2标段施工中设3条辅助施工支洞,3个支洞总长为4455.289m。15号支洞为TBM进洞支洞，TBM大件通过该洞运至洞内进行设备组装；为解决隧洞长距离的出碴、通风等问题，在59+400、50+820.773处分别设置了14号、13号两个施工支洞。

2工程质量及技术控制要点

2.1工程质量要求标准

设计要求喷射混凝土设计强度等级为C25，抗渗等级为0.8MPa。工程要求采用湿喷工艺，使用无碱液态速凝剂，喷射时坍落度要求控制在80～120mm，水温、骨料温度要求大于5℃，施工环境温度要求5～28℃，混凝土含气量为4%～6%；混凝土容重大于2250kg/m3。

2.2配合比对喷射施工的要求及应用

TBM掘进段利用TBM自身配备的混凝土喷射系统进行喷射混凝土的施工作业，喷射机喷射能力为6m3/h，纵向移动距离为8m，喷射范围为300°，该设备具有便于操作的机械控制系统及可靠的机械设备性能，为保证喷射混凝土的质量及快速高效性提供了条件，但该配合比混凝土设计时是按湿喷工艺设计的，所以对混凝土的施工应用提出了更高的要求。为了保证喷射混凝土顺利进行，作业前须对受喷面用高压水进行冲洗，喷射混凝土作业时分段分片依次进行，喷射顺序自下而上，一次喷射厚度5～10cm；分层喷射时，后一层应在前一层混凝土终凝1h后进行复喷；结合施工工艺、速凝剂的合理使用、喷射技术等多种因素，充分利用施工经验；回弹率均控制在10%以内。

2.3设计控制要点

根据该工程的质量要求，且结合现场施工环境及施工条件，决定采用有轨运输。由于运输罐不具备搅拌功能，随着TBM掘进机的快速掘进，运输距离越来越长，考虑其他施工不确定因素影响，确定混凝土拌制坍落度控制在140～180mm，喷射时坍落度控制在80～120mm。

所以，控制坍落度损失、保证混凝土的工作性能是关键。为了保证喷射混凝土的工作性能，需掺加适量的粉煤灰，同时合理应用无碱液态速凝剂，最终有效控制和减少混凝土的回弹量、降低污染、提高混凝土的耐久性。考虑速凝剂会导致强度的损失，但微硅粉能提高混凝土强度和耐久性，高效减水剂能减小水灰比、减少水泥用量等因素，可以发现：掺用适量的微硅粉及高效减水剂是整个配合比设计的技术核心。

3原材料选定

3.1水泥

选用散装P.O42.5水泥，根据施工条件，控制初凝在2～3.5h、终凝在3～5h。根据该工程施工情况，确定水泥标准稠度用水量一般在25.0%左右较理想；水泥过细，则水泥水化速度快、需水量大、坍落度损失快，所以该工程水泥细度控制2%左右较宜。该工程水泥控制重点是水泥强度、凝结时间、标准稠度用水量、细度等，水泥质量检测成果见表1。

表1　水泥物理力学性能试验成果

3.2骨料

根据施工现场环境条件，砂石料由附近的料场提供，均为天然河道堆积物。进行筛分后分为天然河砂及5～10mm、5～20mm、20～40mm卵石，将其作为该工程的喷射混凝土及衬砌混凝土的骨料。

经检测，天然河砂各项试验成果见表2。5～10mm卵石作为喷射混凝土骨料，试验成果见下页表3。

表2　河砂各项试验成果

表3　5～10mm卵石各项试验成果

3.3掺和料的研究

由于该工程使用的细骨料细度模数偏大，为了提高喷射混凝土的耐久性、抗渗性等工作性能，通过掺和粉煤灰、微硅粉来提高混凝土的质量。经检验，粉煤灰和微硅粉各项指标均满足规范指标及设计要求。

3.4外加剂

3.4.1减水剂

RB型多功能高效粉状减水剂掺量为水泥用量的1.1%，减水率为18%左右，经检测，各项指标均满足规范及施工要求。试验成果见表4。

表4　RB型多功能高效减水剂各项试验成果

3.4.2速凝剂

跨越2000型无碱液态速凝剂具有早期强度高、后期强度保证率高的功效，降低了由于碱性物质的引入对混凝土造成的破坏作用，降低了钢筋锈蚀的可能性。在喷射过程中无碱液态速凝剂能有效控制混凝土的回弹量，减少浪费，同时减轻了污染，保护了施工人员的身体健康，还降低了混凝土强度的损失，提高了抗渗效果；另外无碱液态速凝剂可防止混凝土碱骨料反应，提高混凝土的耐久性；经试验，该速凝剂掺量为水泥的6%时，效果很好，各项性能指标均满足规范及施工要求。

3.5拌和水

拌和水为饮用的井水，水的pH值、不溶物、可溶物、氯化物、磷酸盐、硫化物的含量均符合规范要求。

4配合比设计

通过计算得出:C∶S∶G∶F粉∶F微∶W∶M速∶J=412∶967∶700∶50∶20∶216∶24.72∶4.53=1∶2.35∶1.70∶0.12∶0.05∶0.52∶0.06∶0.011

在试验室试配中坍落度达不到设计、施工要求，通过增加用水量，再进行试配调整，每一立方混凝土需增加用水量6kg，这样完全满足设计、施工要求；实际用水量W=216+6=222 kg/m3。

通过上述设计、计算、试配、调整后得出试验室基准理论配合比为：C∶S∶G∶F粉∶F微∶W∶M速∶J=412∶967∶700∶50∶20∶222∶24.72∶4.53=1∶2.35∶1.70∶0.12∶0.05∶0.54∶0.06∶0.011，见下图。

每1m 3混凝土材料用量图

5确定理论配合比及试验结果

根据配合比设计规范在基准配合比上水灰比分别±0.05，对三个试配配合比进行试配调整，得出基准配合比，完全满足规范及该工程设计、施工要求。因此，确定基准配合比为施工理论配合比，试验成果见下页表5。

随着TBM的快速掘进，混凝土运输距离越来越远，同时混凝土运输罐不具备搅拌功能，加上施工中不

表5　基准配合比试验成果

确定因素，因此在上述确定配比中如何保证坍落度损失减小，是面临的一个重要问题。试验中发现：减水剂采用后掺法保坍性能非常好。进一步进行了减水剂先掺法、同掺法、后掺法的对比试验，试验成果见表6。因此，确定减水剂采用后掺法人工添加。

表6　先掺法、 同掺法、后掺法坍落度损失结果

注： 先掺法：减水剂+水→骨料+微硅粉+水泥、粉煤灰→拌和2min

同掺法：骨料+微硅粉+水泥、粉煤灰+减水剂+水→拌和2min

后掺法：骨料+微硅粉+水泥、粉煤灰+水→拌和30s+减水剂→拌和2min

6配合比对配料、拌和的要求及工艺

根据现有拌和设备的性能，骨料及微硅粉先添加在配料斗里，然后提升至搅拌机同水泥 、粉煤灰、水一起拌和。根据对比试验，减水剂采用后掺法的性能明显优于先掺法、同掺法，所以在混凝土拌和时也采用后掺法加入高效减水剂。因为运输罐车不具备搅拌功能，所以排除了在喷射现场掺加减水剂的可能性，采用在搅拌站混凝土拌和时掺入的方式，即：骨料+微硅粉+水泥、粉煤灰+水→拌和30s+减水剂→拌和2min。减水剂是由人工在搅拌机口添加，通过后来现场施工及试验，证明采用减水剂后掺法的运用是成功的。

7配比在工程运用中的试验成果统计及分析

喷射混凝土强度检测按水工混凝土试验规范进行。在喷射现场进行喷射混凝土大板取样试验,养护至28d按规范切割、打磨,然后进行抗压、抗渗试验；取样频率按设计要求每200m3做一次抗压试验、抗渗按每500m3混凝土做一次。

对施工后的喷射混凝土进行质量检测，发现检测结果完全满足设计、规范、施工等要求，具体见表7。

表7　质 量 评 定

8小结

该喷射混凝土配比通过设计、选定研究及施工试验应用，在TBM掘进隧道初支喷射混凝土系统中成功运用，并总结出了无碱液态速凝剂+湿喷新工艺+TBM掘进机自带喷射系统的施工成套经验，原材料的选择与控制、配合比的设计、配合比用于施工等，每一个环节都非常重要；在施工中须加强质量管理、责任落实到人，合理安排工序、科学组织施工；加强现场试验质量检测和现场施工监控等系列措施。只有这样，才能确保喷射混凝土配合比成功地在施工中应用。

参考文献

[1]孟祥礼，黄晓辉，颜秉仁. 大伙房水库输水工程喷射混凝土施工工艺研究[J].黄河水利职业技术学院学报,2006(4):1-4.

[2]刘永林，陈永彰，李晓明.特长输水隧洞工程设计研究[M].北京：中国水利水电出版社，2012.

[3]马鹏辉，田涛.辽宁省大伙房水库输水工程(二期)TBM2标二次衬砌施工优化方案[J].水利建设与管理，2008(5):35-39.