隧洞有机仿钢纤维喷射混凝土研究与应用

房敦敏，唐国杰

（1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州，311122；2.浙江水专工程建设监理有限公司，浙江杭州，310051）

0 引言

锦屏二级水电站共有4条引水隧洞，平均长约16.67 km，大部分洞段为大理岩。引水隧洞一般埋深1 500～2 000 m，最大埋深达2 525 m。由于引水隧洞埋深大、地应力高，隧洞开挖后应力重分布造成局部洞段表层围岩形成一层密布的鱼鳞状突起；部分洞段表层围岩破裂（破碎）程度远较一般浅埋隧洞严重，导致喷射混凝土与围岩之间粘聚力相对较差，频繁发生喷层反复脱落，初喷采用常规喷射混凝土实际支护效果不明显。上述各种现象导致围岩与喷层、衬砌之间不能有效传力，围岩、支护破坏的可能性增加。因此需要选取一种能较好适应本工程地质条件的喷射混凝土。

1 新型喷射混凝土材料现场使用需求

锦屏二级水电站4条引水隧洞中2条采用钻爆法施工，另外2条从东端开始采用TBM施工。对于钻爆法施工洞段，表层岩体松弛程度较TBM掘进段严重，意味着钻爆法开挖洞段表层岩体松弛掉块、乃至小规模塌方的风险较TBM洞段高，因此对初喷混凝土的抗冲切韧性要求较高。引水隧洞中部强烈～极强岩爆等不良地质洞段或高地应力问题突出的其他洞段，可复喷纳米钢纤维或粗纤维混凝土，以降低岩爆的滞后施工风险，避免人工挂网的不利影响。对于TBM洞段，受TBM设备限制，喷射钢纤维混凝土存在很大困难，要求所选混凝土流动性较好，易长距离泵送，因此需要考虑掺加聚丙烯微纤维和有机仿钢纤维材料的可能。同时掘进段特别是L1区喷射混凝土对设备污染较大，因此要求喷射相对少的混凝土达到最大的支护效果，或同样厚度的喷射混凝土要提供更大的支护力。TBM快速掘进的要求也对所选用混凝土的性能要求较高，要求喷射混凝土一次性施喷厚度大，应在短时间内完成设计喷层厚度。

根据工程实际，为尽可能控制大理岩表层脆性破坏、限制围岩滞后破坏的发展，确保隧洞永久衬砌结构安全，需要加强喷锚支护的及时性和有效性，从而对隧洞的支护体系设计提出了更高的要求，即支护措施需施工更便捷、快速，在更短时间内达到快速支护的目的。

目前可应用于工程的喷射混凝土种类越来越多，相应的喷射设备也有了很大的改进。从改善喷射混凝土性能的角度出发，可在混凝土中掺加一些外加剂或纤维材料，主要有减水剂、速凝剂、早强剂、硅粉、无机纳米材料、钢纤维、聚丙烯微纤维、增韧型聚丙烯合成粗纤维（又称有机仿钢纤维）等，以期能更好地适应工程需要。

实践证明，喷射混凝土中掺加有机仿钢纤维材料后有如下优点：可以部分替代钢筋网、钢纤维的防裂和增强功能，施工更加经济、省时、方便；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，有抗弯增强和辅助增强功能；能够提高混凝土的支撑性能和粘结性能，产生有效的二级加强效果；提供较高的混凝土残余强度，改善混凝土的耐久性；泵送容易，不易磨损管道，减少回弹等。

2 现场配合比试验及支护力估算

根据现场试验进度安排及工程施工需要，在室内试验的基础上，确定选用素混凝土，单掺无机纳米外加剂喷射混凝土，双掺无机纳米材料、有机仿钢纤维喷射混凝土，双掺无机纳米外加剂、钢纤维喷射混凝土，双掺硅粉、有机仿钢纤维混凝土喷射混凝土，双掺硅粉、钢纤维喷射混凝土等6种喷射混凝土进行详细的现场试喷射试验论证。

试验结果表明，纳米+有机仿钢纤维的力学性能相对较好，不同厂家外加剂品种、不同厂家有机仿钢纤维品种对混凝土强度及其他性能影响较小，硅粉+有机仿钢纤维性能略差于纳米+有机仿钢纤维；掺加有机仿钢纤维或钢纤维的混凝土力学性能优于纳米混凝土、素混凝土，符合一般认识；双掺无机纳米外加剂和钢纤维喷射混凝土各项指标值均较优，但造价也最高。

试验过程中，根据试验取得的各项有效数据，按照喷层支护力的相关经验估算公式，对比计算纳米混凝土、纳米有机仿钢纤维混凝土、硅粉有机仿钢纤维混凝土、硅粉钢纤维混凝土等可用于引水隧洞工程的四类高性能喷射混凝土的支护力，详见表1。由于各个经验估算公式中支护力一般与抗压、抗拉强度等指标呈简单的线性关系，因此估算过程中仅进行相关喷射混凝土指标值的对比。

根据表1的试验结果，可得到如下初步结论：

（1）按照抗冲切作用考虑，主要对比各类型喷射混凝土抗拉强度指标，纳米钢纤维混凝土最优，纳米有机仿钢纤维混凝土次之，硅粉有机仿钢纤维混凝土相对最差。

（2）按照粘结破坏作用考虑，主要对比各类型喷射混凝土与围岩的粘结强度指标，在这方面纳米混凝土表现略好，分析主要原因可能是由于混凝土中掺加纤维，导致混凝土与围岩接触面减少，由此导致纤维混凝土与围岩的粘结强度下降。

（3）按照剪切破坏作用考虑，主要对比各类型喷射混凝土的抗剪强度指标，纳米钢纤维混凝土最优，纳米有机仿钢纤维混凝土次之，硅粉有机仿钢纤维混凝土相对差。

（4）按照支撑作用考虑，主要对比各类型喷射混凝土的抗压强度指标，纳米钢纤维混凝土最优，纳米+有机仿钢纤维混凝土次之，硅粉有机仿钢纤维混凝土相对较差。

按照上述4种经验估算方法得到了喷射混凝土的抗冲切破坏、粘结破坏、抗剪切破坏、支撑破坏支护力对比，从纯性能指标优劣来看，纳米钢纤维混凝土无疑最优，但是从技术经济角度来看，纳米+有机仿钢纤维混凝土综合性能最佳，硅粉有机仿钢纤维混凝土相对最差。

纳米+有机仿钢纤维混凝土的试验成果数据及推荐配合比列于表2、表3。

表1 喷射混凝土支护力经验估算成果表（单位：MPa）Table 1 Empirical estimation of support force of shotcrete

表2 现场喷射纳米有机仿钢纤维混凝土性能试验成果表（大板试验）Table 2 Field performance test of organic synthetic fiber reinforced shotcrete

表3 喷射纳米有机仿钢纤维混凝土推荐配合比表Table 3 Recommended mix proportion of organic synthetic fiber reinforced shotcrete

3 材料性能指标要求

根据工程需要，采购的有机仿钢纤维材料物理力学性能指标应满足表4所列各指标要求。

表4 有机仿钢纤维物理力学性能指标表Table 4 Physical and mechanical performance indicators of organic synthetic fiber

纤维材料的其他要求要满足GB/T 21120-2007《水泥混凝土和砂浆用合成纤维》的相关要求，如对材料本身的环保要求等。

CF30纳米有机仿钢纤维喷射混凝土抗裂抗冲击韧性应满足以下指标要求：（1）裂缝降低系数≥55%；（2）弯曲韧度指数I5≥3；（3）抗冲击次数比≥3.0（相对于基准混凝土）。

4 纳米有机仿钢纤维混凝土在锦屏二级水电站引水隧洞工程中的应用

锦屏二级水电站引水隧洞工程围岩特性及其潜在支护需求决定了赋存高地应力、高外水压力的引水隧洞所选用的喷射混凝土应具备早强、粘结强度高、可施喷性好、抗冲击韧性好、抗拉强度高等特点，因此高地应力洞段首先应选用掺加纤维的混凝土类型。

根据工程现场进行的喷射混凝土配合比试验成果，C25素混凝土、C30纳米混凝土及硅粉有机仿钢纤维混凝土因性能指标值较差而予以排除，纳米钢纤维混凝土各项指标值较优，但是单价最高，而且该类型混凝土在TBM洞段大范围使用存在一定的困难。考虑到纳米有机仿钢纤维混凝土在试验成果中所表现出的良好力学性能及与TBM设备的良好适用性，引水隧洞TBM开挖洞段及钻爆法开挖洞段中潜在岩爆洞段或高应力问题突出的洞段选用纳米有机仿钢纤维混凝土作为主要的喷射混凝土类型之一。

在引水隧洞开挖过程中，特别是TBM掘进洞段，大量使用纳米有机仿钢纤维混凝土作为初期喷射混凝土，加快了施工进度，确保了施工安全，技术经济性能显著。

5 结语

锦屏二级引水隧洞由于存在地应力高、地下水发育等工程地质条件，需要更具针对性的喷射混凝土与之相适应，所选用的喷射混凝土应既能实现快速支护、起强快，还需具有较强的抗冲击韧性等性能，对初喷混凝土材料的性能提出了更高的要求。

根据配合比试验成果，选用了纳米有机仿纤维混凝土作为引水隧洞工程主要喷射混凝土类型之一，主要应用于TBM掘进洞段及钻爆法潜在岩爆洞段或高应力问题突出的洞段。

从现场使用纳米有机仿钢纤维混凝土的效果来看，TBM设备不再频繁发生堵管事件，在确保支护效果有效性的前提下提高了施工效率；钻爆法洞段避免了人工挂网的潜在风险，抗冲击韧性较普通喷射混凝土有明显提高。此外，纳米有机仿钢纤维混凝土回弹相对较少，一次性喷射厚度大、起强快，短时间内可尽快提高支护力，在地下水发育洞段也较适用。

[1]华东勘测设计研究院.引水隧洞喷射混凝土设计变更报告[R].2010.

[2]锦屏水电工程东端中心试验室.锦屏二级水电站东端引水隧洞工程新材料喷射混凝土配合比及性能试验专题汇总报告[R].2010.

[3]闫莫明.岩土锚固技术手册[M].北京:人民交通出版社,2004.

[4]中国岩石力学与工程学会岩石锚固与注浆技术专业委员会.锚固与注浆技术手册[M].北京:中国电力出版社,2003.

[5]CECS 38-2004,纤维混凝土结构技术规程[S].

[6]GB/T 21120-2007,水泥混凝土和砂浆用合成纤维[S].

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