地下水封石洞油库喷射混凝土与围岩粘结强度试验方法

(1.长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010；2.中国石化管道储运有限公司，江苏 徐州 221008； 3.中国长江三峡集团有限公司，成都 610041)

1 研究背景

地下水封石洞油库技术于20世纪30年代始于瑞典，国内地下水封石洞油库的建设可追溯到1977年的黄岛地下水封石洞原油库[1]。水封石洞油库是目前公认最好的油品存储形式，在安全性、经济性和环保性等方面都有突出优势，已成为国内外油气储存的一个重要手段和技术发展方向[2]。在地下水封石洞油库的设计和施工中，为充分利用围岩的自稳能力、承载能力和抗渗能力，减少投资，目前国内外建设水封石洞油库的成功经验是采用不衬砌只锚喷的洞室支护形式[3]。与其它大部分地下工程的临时支护结构不同，喷射混凝土在地下水封石洞油库中是作为与原油直接接触的洞库最内层结构，成为一个永久结构层使用。对需发挥结构作用的喷射混凝土支护，喷射混凝土与围岩间紧密粘结，通过粘结强度传递一定的拉应力和剪应力，使得喷层与围岩结合为一体，共同工作，充分发挥围岩的自承作用[4]。喷射混凝土与围岩的粘结强度是分析评价地下水封石洞油库洞室结构稳定性及施工质量的重要指标。

粘结强度是喷射混凝土最重要的性能指标之一，诸多学者开展了相关试验研究工作。张可诚等[5]采用喷大板切割劈裂试验测试了秦岭隧道喷射钢纤维混凝土与围岩的粘结强度；马兴明等[6]采用钻芯安装膨胀螺栓拉拔法和喷大板切割劈裂法开展了三峡右岸地下电站喷射钢纤维混凝土与围岩粘结强度测试，并建议采用劈裂抗拉强度替代粘结强度；黄国兴等[7-8]采用立钢模喷射预留试件，通过千斤顶进行轴向拉伸加荷测试粘结强度；宿辉等[9]、唐阳等[10]采用喷大板钻芯植筋拉拔试验研究了不同温度对喷射混凝土与围岩粘结强度的影响；汪在芹等[11]、石妍等[12]采用喷大板切割试件的轴拉试验测试了喷射混凝土与围岩粘结强度；王钧[13]采用喷大板劈裂试验研究了某水封原油洞库喷射混凝土材料配比对粘结强度的影响；杨红艳[14]对热害隧道喷射混凝土开展了喷大板劈裂试验和喷大板钻芯植筋拉拔试验的对比研究，结果表明劈裂法测定的粘结强度普遍大于钻芯拉拔法测定强度，两者相差15%～25%。此外祝云华[15]、周仁战[16]、石广银[17]采用喷大板劈裂试验方法开展了钢纤维喷射混凝土与围岩的粘结强度试验。喷大板切割试件开展室内劈裂试验操作相对简单，是目前国内开展喷射混凝土与围岩粘结强度试验的最主要方法。现场预留试件拉拔法和现场钻芯拉拔法的应用开展较少。

国家标准《锚杆喷射混凝土支护技术规范》(GB 50086—2001)[18]和电力行业标准《水电水利工程锚喷支护施工规范》(DL/T 5181—2003)[19]推荐的粘结强度测试方法包括预留试件拉拔法、 钻芯拉拔法和喷大板切割劈裂法， 是开展粘结强度试验的主要依据。 但在具体应用研究过程中发现， 由于加工劈拉试件的混凝土与岩块的粘结面难以保证在同一垂直面上[7,13]， 粘结强度试验值会高于实际值； 而随着喷射混凝土技术的发展，喷射后混凝土强度发展很快， 预留试件的环形槽开挖难度较大， 预留试件拉拔法无论是先喷混凝土后埋钢拉杆，还是先预埋钢拉杆后喷混凝土， 均很难保证钢拉杆加荷不偏心[7]。 新修订的国家标准《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》(GB 50086—2015)[4]删除了预留试件拉拔法和喷大板切割劈裂法， 而提出了喷射混凝土与围岩粘结强度的2种试验方法： 对钻芯隔离的混凝土试件进行拉拔试验和对钻取的芯样进行拉力试验。 新修订的《水电水利工程锚喷支护施工规范》(DL/T 5181—2017)[20]仍保留了预留试件拉拔法、 钻芯拉拔法和喷大板切割劈裂法3种方法作为粘结强度试验方法，粘结强度试验方法尚不统一。 而当采用钻芯隔离试件进行拉拔试验时，钻芯扰动过大或遇到现场随机钻芯的围岩完整性较差时， 易发生钻芯试件断裂， 导致试验成功率不高[8]。 本文针对某地下水封石洞油库工程主洞室， 采用多种试验方法开展喷射混凝土与围岩粘结强度的研究， 并探讨各试验方法的适用性， 提出适用于地下水封石洞油库喷射混凝土与围岩粘结强度的试验方法。

2 喷射混凝土与围岩粘结强度现场拉拔试验

2.1 试验方法

根据《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》(GB 50086—2015)[4]的规定，采用对钻芯隔离的混凝土试件进行拉拔试验进行粘结强度试验，试件直径尺寸取50～60 mm，加荷速率为1.3～3.0 MPa/min，加荷时应确保试件轴向受拉。

根据地下水封石洞油库现场试验条件，对钻芯隔离的混凝土试件进行拉拔试验的步骤如下：

(1)在预定试验部位，利用打磨机将喷射混凝土表面打磨平整。

(2)采用固定于主洞室洞壁上的混凝土钻孔机垂直于喷射混凝土表面钻进，钻进深度应穿透喷射混凝土层并深入围岩数厘米，形成隔离试件。

(3)利用粘结剂将支架接头粘结于隔离试件表面中心，粘结剂的粘结强度应大于喷射混凝土与围岩粘结强度。

(4)对隔离试样施加拉拔荷载至试样拉断，记录试样断裂时的拉拔荷载，加载设备与支架连接段采用万向接头避免加载偏心。

(5)描述隔离试件的破坏面和破坏模式，测量断面尺寸，计算粘结强度。

对钻芯隔离的混凝土试件进行拉拔试验如图1所示。

图1 钻芯隔离的混凝土试件拉拔试验Fig.1 Pull test for concrete specimen divided by coring

2.2 直径50mm隔离试件的拉拔试验

根据《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》(GB 50086—2015)[4]，隔离混凝土试件直径可取50～60 mm，采用钻头直径为57 mm的混凝土钻孔机，隔离芯样直径约为50～55 mm。现场共实施钻芯隔离试件24个，围岩质量级别为II级，喷射混凝土标号为C25，厚度100 mm。其中20个混凝土芯样在钻进过程中发生与围岩接触面的断裂，如图2所示。钻芯隔离试件的成功率极低，仅为16.7%。钻芯隔离试件拉拔试验原理简单，但极低的钻芯隔离成功率使得采用直径50～60 mm 隔离试件并不适合于地下水封石洞油库喷射混凝土与围岩的粘结强度测试，这也是现场钻芯隔离试件法未在其它地下工程粘结强度测试中广泛应用的主要原因。

图2 直径50 mm钻芯混凝土与围岩断裂试件Fig.2 Fractured specimen with a diameter of 50 mm

利用钻芯隔离成功的4个混凝土试件进行拉拔试验，粘结强度试验值列于表1，断裂面主要为喷射混凝土与围岩的接触面，局部断裂面含围岩结构面，喷射混凝土与围岩粘结强度的试验值为0.19～0.49 MPa，平均值为0.32 MPa。

表1 直径50 mm混凝土与围岩拉拔试验粘结强度结果
Table 1 Test results of bond strength between shotcreteand surrounding rock when the diameter ofspecimen is 50 mm

试件编号拉拔试验粘结强度/MPa破坏模式50-10.20断裂面为喷射混凝土与围岩接触面50-20.38断裂面为喷射混凝土与围岩接触面50-30.19断裂面主要为喷射混凝土与围岩接触面,局部为围岩结构面50-40.49断裂面为喷射混凝土与围岩接触面

2.3 直径100mm隔离试件的拉拔试验

由于直径50 mm隔离试件在钻进过程中极易发生芯样断裂，试件隔离成功率极低,现场改用直径110 mm钻头实施钻进，隔离芯样直径约100～105 mm，如图3所示。现场共实施钻芯隔离试件13个，围岩质量级别为II级，其中11个芯样隔离成功，钻芯隔离试件的成功率为84.6%，2个未隔离成功的试件在钻进过程中分别沿浅层围岩裂隙结构面和喷层围岩接触面断裂脱落。

图3 直径100 mm隔离试件的现场钻芯Fig.3 Photograph of on-site coring for specimen witha diameter of 100 mm

对钻芯隔离的混凝土试件进行拉拔试件试验，粘结强度试验值列于表2。其中6个试件拉拔断裂破坏面为围岩内裂隙结构面，如图4(a)所示；5个试件拉拔断裂破坏面主要为喷射混凝土与围岩接触面，如图4(b)所示。围岩结构面断裂的拉拔试验强度值较低，均<0.10 MPa，部分甚至<0.05 MPa，为围岩裂隙结构面的抗拉强度。喷射混凝土与围岩接触面断裂破坏的试件粘结强度试验值为0.20～0.68 MPa，平均值为0.40 MPa。

表2 直径100 mm混凝土与围岩拉拔试验粘结强度试验结果Table 2 Test results of bond strength between shotcreteand surrounding rock when the diameter ofspecimen is 100 mm

图4 隔离试件拉拔试验破坏照片Fig.4 Photograph of fractured specimen by pull test

3 喷射混凝土与围岩粘结强度室内试验

3.1 钻芯隔离试件的室内拉力试验

喷射混凝土芯样的抗拉强度及其与围岩粘结强度的室内拉力试验采用轴拉法，如图5所示。

图5 喷射混凝土与围岩的拉力试验Fig.5 Tensile strength test of shotcrete andsurrounding rock

喷射混凝土芯样的抗拉强度试验采用直径为50 mm钻芯隔离发生断裂的混凝土芯样，轴拉法试验测得喷射混凝土抗拉强度平均值为2.39 MPa，试件的破坏断面位于芯样中部，断面较平整，如图6所示。

图6 喷射混凝土芯样抗拉试验破坏照片Fig.6 Photograph of destroyed shotcrete specimen bytensile strength test

隔离试件直径为100 mm时，试件隔离成功率较高，现场拉拔试验断裂面除喷射混凝土与围岩接触面外，部分试件拉拔断裂面为浅部围岩内的裂隙结构面，沿围岩内部裂隙结构面破坏的试件，芯样混凝土与围岩接触面未发生破坏。但由于试样留存的围岩长度较短，断裂面不平整，切割平整后岩体部分的长度将更短，试件高径比及岩体部分长度难以满足室内拉力试验要求。现场拉拔试验中6块沿围岩结构面破坏的试件仅有1块可用于室内轴向拉力试验，轴拉试验断裂面为喷射混凝土与围岩的接触面，如图7所示，测算粘结强度为0.56 MPa，粘结强度值处于现场隔离试件拉拔试验强度值范围内，且远大于该试件在进行现场拉拔试验发生断裂破坏时的岩体裂隙结构面抗拉强度0.01 MPa。

图7 喷射混凝土与围岩粘结强度抗拉试验破坏照片Fig.7 Photograph of destroyed specimen along thecemented surface by tensile strength test

3.2 喷大板切割试件的拉力试验

喷大板切割试件为在预定进行粘结强度试验的区段选择厚约50 mm、长宽尺寸略小于模板尺寸(长、宽、高分别为450，350，120 mm)的岩块，在与实际结构相同的条件下喷上混凝土，相同的条件下养护至7 d龄期，用切割法加工成边长为100 mm的立方体试块(其中岩石和混凝土的厚度各为50 mm左右)，标准养护至28 d龄期。

由于在岩块与混凝土结合面处采用劈裂法测试会因接触面难以保证在同一垂直面上而存在剪切，试验成果偏高，本次试验对切割试件采用轴向拉力试验方法。对喷大板切割试件完成6次有效拉力试验，轴向拉力试验破坏如图8所示，测算的喷射混凝土与围岩粘结强度列于表3。喷大板切割试件在轴向拉力荷载作用下的破坏面为喷射混凝土与岩块的接触面，且拉断面较平整。喷射混凝土与围岩粘结强度试验值为0.51～1.18 MPa，平均值为0.75 MPa。

图8 喷大板切割试件及轴向拉力试验破坏照片Fig.8 Specimen divided from shotcrete plate anddestroyed specimen by tensile strength test

试件编号拉力试验粘结强度/MPa破坏模式D-11.18断裂面为喷射混凝土与围岩接触面D-21.10断裂面为喷射混凝土与围岩接触面,局部有岩块断裂D-30.56断裂面为喷射混凝土与围岩接触面D-40.51断裂面为喷射混凝土与围岩接触面D-50.63断裂面为喷射混凝土与围岩接触面D-60.51断裂面为喷射混凝土与围岩接触面

4 粘结强度试验方法选择

4.1 钻芯隔离试件现场拉拔试验分析

当采用钻芯隔离试件拉拔法开展喷射混凝土与围岩粘结强度试验时，试验原理简单。根据《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》(GB 50086—2015)[4]，隔离试件直径为50～60 mm，但在现场试验过程中，试件隔离成功率极低，钻芯隔离试件现场拉拔试验在地下工程中的成功应用案例较少。

钻芯隔离试件直径调整为100～110 mm可极大提高试件隔离成功率；另一方面，地下水封石洞油库喷射混凝土厚约80～120 mm，隔离试件的钻进深度会深入围岩数厘米，喷射混凝土与围岩的结合面位于试件中部，直径100 mm试件高径比约1.5∶1～2∶1，更能保证试验成果的合理性。

根据现场试验成果，直径100 mm隔离试件的现场拉拔试验断裂面有围岩内裂隙结构面和喷层围岩接触面2类。隔离试件拉拔试验断裂破坏面为混凝土与围岩的接触面时，拉拔试验强度即为喷射混凝土与围岩的粘结强度。当喷射混凝土养护时间不够且受临近的洞室爆破施工影响时会使其与围岩的粘结强度发生弱化，同时钻芯会对混凝土与围岩粘结造成一定的扰动影响，因此现场钻芯隔离试件现场拉拔试验获得的强度值为粘结强度的下限值。

4.2 钻芯隔离试件的室内拉力试验分析

喷射混凝土芯样的抗拉强度远大于试验测得的喷射混凝土与围岩的粘结强度及围岩浅表层裂隙结构面的抗拉强度。

隔离试件的钻进和拉拔试验，试件破坏断裂都主要发生在混凝土与围岩接触面和围岩浅表部裂隙结构面，受试件芯样岩体部分的长度及围岩断裂面平整程度等因素影响，试件芯样较难以满足室内拉力试验条件，本次试验仅获得1块可用于室内拉力测试的试件。现场取芯样进行室内拉拔的试验条件比现场拉拔试验条件应能更好地保证试验成果的准确性，但现场取芯很难获得满足室内拉拔试验条件的试件。

4.3 喷大板切割试件拉力试验分析

相比于现场钻芯隔离试件，喷大板切割试件可避免现场钻机的转动和钻进扰动影响，也可避免试件在钻芯隔离时沿围岩浅表层裂隙结构面断裂。相比于劈拉法，轴向拉力试验可避免接触面剪切对试验成果的影响。试验成果表明，试件拉断破坏面基本都是喷射混凝土与岩块的接触面，试验破坏过程更为直观可见。

但另一方面，喷射混凝土与围岩的粘结强度与围岩质量级别有关。喷大板所选用的岩块虽取自洞室预定试验区段，但难以客观全面反映围岩完整程度、岩体结构面、地下水环境等地质条件对粘结强度的影响。试验成果也表明，采用喷大板切割试件拉力试验测试的粘结强度平均值大于钻芯隔离试件拉力试验的粘结强度测试值。喷大板切割试件拉力试验强度值应为粘结强度的上限值。

4.4 粘结强度试验方法选择

当钻芯隔离试件直径为100 mm时，试件隔离成功率可得到有效提高。现场拉拔试验沿喷层与围岩接触面破坏的抗拉强度即为粘结强度试验值，试验强度值应为粘结强度的下限值。当试件能满足室内试验条件时，可进行室内拉力试验测试喷射混凝土与围岩的粘结强度值，但该方法获得满足试验条件的芯样较为困难，测试效率较低，不适宜用于地下水封石洞油库的喷射混凝土粘结强度测试。喷大板切割试件制作方便，试验条件容易控制，喷射混凝土与岩块受扰动影响较小，轴拉试验成果主要反映的是喷射混凝土与岩石的粘结强度，试验强度值应为粘结强度的上限值。

因此，对于地下水封石洞油库喷射混凝土与围岩粘结强度可采用直径100 mm隔离试件进行现场拉拔试验和喷大板切割试件拉力试验进行测试，2种试验强度值分别作为下限值和上限值，喷射混凝土与围岩的实际粘结强度位于上、下限之间。由于喷射混凝土与围岩粘结强度试验的影响因素较多，利用上、下限值评价粘结强度更为合理。

5 结 论

本文通过采用多种粘结强度测试方法进行试验测试，总结归纳了适用于地下水封石洞油库喷射混凝土与围岩粘结强度的测试及评价方法，具有较强的工程应用价值，主要结论如下：

(1)直径50 mm隔离试件在钻芯过程中试件极易沿接触面断裂，试件隔离成功率低，不适用于地下水封石洞油库喷射混凝土与围岩粘结强度试验；采用直径100 mm的隔离试件，可提高粘结强度试验试件隔离成功率。

(2)钻芯隔离试件拉拔试验能体现喷射混凝土与围岩的实际工作性状，受钻芯芯样扰动影响，粘结强度可能发生弱化，该方法测试强度值可作为粘结强度的下限值。

(3)喷大板切割试块能反映喷射混凝土与岩块的粘结强度，由于岩块未反映地质条件的影响，拉力试验成果偏高，可作为粘结强度的上限值。

(4)现阶段采用单一测试难以准确评价喷射混凝土与围岩的粘结强度，对于地下水封石洞油库喷射混凝土与围岩粘结强度，建议采用直径100 mm钻芯隔离试件现场拉拔试验和喷大板切割试件拉力试验相结合的方法，分别测试获得的粘结强度的上限值和下限值，真实粘结强度值应位于上限值和下限值之间。因此，建议实际工程中采用粘结强度试验的上限值和下限值区间进行评价。