铁钢砂混凝土在水工隧洞衬砌加固中的应用

祝甲阳 杨超群 白宗宝

(陕西冶金设计研究院有限公司，陕西 西安 710000)

1 工程概况

陕西某尾矿库2016年建成并投入使用，由于矿市场低迷，现选矿处于停产状态。在汛期安全检查期间，发现排洪主隧洞出现严重冲刷破坏：衬砌底板破损，钢筋弯起，侧壁底部被掏刷，钢筋外露，对排洪系统造成安全隐患。经现场踏勘和与企业管理人员沟通，认为导致隧洞衬砌出现破坏的主要因素有如下两个方面：

1)尾矿库隧洞坡度陡，汇水面积较大，沟道内常年流水，对隧洞衬砌施工时并未采取合理有效的导流措施，导致衬砌结构浇筑后没有得到充分养护，混凝土强度等级未达到设计要求便开始过水，导致衬砌结构出现冲刷、气蚀破坏。

2)结合该尾矿库具体情况，拦洪坝上游沟道内的块石较多，上游其他企业开采的废石随意倾倒在沟道内，拦渣坝上游库容淤满后，洪水携带沟道上游的块石进入隧洞，大量块石在较高的水流流速作用下，与衬砌的底板及侧墙底部接触摩擦，导致衬砌结构破坏。

针对主隧洞出现破坏的特征，需对隧洞进行除险治理。

2 加固设计方案

本次设计主隧洞破坏部分采用C35铁钢砂混凝土等技术措施进行结构补强和防渗加固处理，并且重视施工工序和导流方案的组织设计，提高施工质量，确保新增混凝土结构得到充分养护，强度等级达到设计要求后过洪，见图1。

2.1 铁钢砂混凝土的技术性能

铁钢砂混凝土是由高标号普通硅酸盐水泥、铁钢砂骨料、清水、VNF-2减水剂按一定比例拌合而成的高强混凝土，是一种性能优良的建筑磨料。其中，构成高强抗冲磨性能作用的是铁钢砂，由天然矿物机械破碎而成，其物理化学成分为：Fe2O3：69.5%，SiO2：24.5%，Al2O3：4.3%，还有其他含量很低的如TiO2，CaO，MgO等成分。

本工程采用的铁钢砂混凝土配合比为：0.3∶1∶3(水∶水泥∶铁钢砂)；水泥选用C42.5或52.5级以上普通水泥；铁钢砂料级比为：0.5 mm～3 mm：15%，3 mm～5 mm：25%，6 mm～10 mm：25%，10 mm～40 mm：35%；抹面部位需要的铁钢砂粒径为0.5 mm～5 mm；每方混凝土铁钢砂用量为2 t～2.2 t。经专业人员指导现场拌制。在试验配合比中，混凝土抗压强度达到960 kg/cm3，增加铁钢砂粒径，则强度增大，凝固性也随之增强，要加强保湿养护。混凝土浇筑厚度为100 mm～500 mm。

2.2 施工工艺

2.2.1基本步骤

施工工艺的基本步骤：施工导流→施工准备→标记破坏位置→基面清理→模板安装→止水带安装→铁钢砂混凝土浇筑→检查养护→表面防护。

2.2.2工艺要点及注意事项

1)所有杂质和松散半破碎或质地不良碎片，用高压水枪冲洗并辅以人工清理。确保浇筑混凝土前，基础表面没有积水、淤泥、松动岩块、油渍等，并均铺10 cm厚素混凝土找平后方可在其上浇筑混凝土。对于易风化的岩石基础，其上预留20 cm～30 cm厚已浇混凝土面，应将老混凝土面进行人工毛或高压水枪冲毛，使其满足“无乳皮、成毛面”这一施工规范要求。

2)模板安装要有足够的强度、刚度和稳定性，以保证混凝土浇筑后结构物的形状和相互位置等符合设计要求。在模板安装过程中，设置足够的临时固定设施，以防模板变形和倾覆。模板安装前要清理其表面的杂物，对已变形的模板进行校正。模板表面涂脱模剂以保证其光洁平整。

3)对破损衬砌结构进行加固修复时，每隔10 m在地质及结构形式变化处设置伸缩缝，伸缩缝分布位置与原位置应一致。对止水带冲刷破坏处，按设计要求补设止水带。本工程的止水带为橡胶止水带。止水带的搭接长度不小于200 mm，安装好的止水带，应注意加强保护。

4)加固采用的C35铁钢砂混凝土最小厚度为100 mm，对冲刷破坏面厚度较小的部位，应适当破除，保证混凝土的最小浇筑厚度。混凝土浇筑完成后，为避免混凝土凝结时收缩导致侧墙新旧混凝土相接处出现裂缝， 造成二次冲刷破坏，在侧墙的新旧混凝土相交处，采用聚氨酯涂层对接缝处进行涂抹，涂抹厚度为1.5mm，分2次～3次均匀涂抹。

5)混凝土冬季施工除应按一般规定制作标准混凝土试件外，尚应根据养护、拆模和承受荷载的需要，增加与结构同条件的施工试件不少于2组，此种试件应在解冻后方可试压。

6)加固的隧洞衬砌底板比原设计厚50 mm时，不设置角部倒角。侧墙的混凝土向上凿除50 mm，然后浇筑混凝土，侧墙加固的最小高度不应小于800 mm，新浇筑混凝土厚度不小于100 mm。主隧洞加固的混凝土养护期不应少于28 d。

3 结语

排洪隧洞作为水利工程和尾矿库工程的排洪系统，对工程的安全起到至关重要的作用，对排洪隧洞出现结构破损时应及时采取加固补强措施。铁钢砂混凝土相比普通混凝土结构，工程造价相对较高，但其便于施工，结构稳定，耐冲刷性和耐磨蚀性好，除了应用于加固除险工程，也可应用于大流量、陡坡及洞内过石的隧洞及边坡防渗加固工程，具有广阔的应用前景。