钢纤维喷射混凝土在山西中部引黄水源工程泵站地下厂房施工中的应用

王文祥

（山西中部引黄水务开发有限公司山西太原030000）

1 工程概况

山西省中部引黄工程是山西省“十二五规划”大水网建设中一项重要的工程，工程包括水源工程和输水工程。水源工程取水口位于保德县天桥水电站左坝头上游380 m 处，泵站位于水源工程的末端，泵站厂房为地下厂房，布置7 台水泵（五工两备），总装机容量9.9 万kW，设计扬程200 m，设计取水流量23.55 m3/s。

泵站地下厂房由安装间、主厂房、副厂房组成。开挖断面长120.8 m，宽21.3～25.84 m，高41.6 m。底板开挖高程800.4 m，顶拱开挖高程842.0 m。泥灰岩分布高程范围为829.5～861.8 m，泥灰岩层主要分布于厂房顶拱部位，厚度5.5～18.7 m。开挖揭露出来之后，在地下水的作用下泥灰岩极易软化，导致洞室稳定性极差，安全风险大。为了保证开挖过程中的人员和设备安全，采取了一系列的工程措施进行初期支护，除了锚杆、锚索等措施外，钢纤维喷射混凝土也是其中一项重要的措施。

2 钢纤维喷射混凝土的技术要求

应用于本工程的钢纤维喷射混凝土设计指标为C30W10，喷护厚度20 cm，钢纤维喷射混凝土28 d 龄期力学性能指标要求：单位容重大于2.3 t/m3、弯拉强度大于3.8 MPa、钢纤维喷射混凝土与岩面之间的粘结强度不小于0.5 MPa。

2.1 钢纤维喷射混凝土材料和配合比

钢纤维混凝土材料由水泥、细骨料、砂料、水、钢纤维、硅粉和外加剂组成。

1）水泥

水泥采用普通硅酸盐水泥，不得低于42.5，出库前对质量作出鉴定，符合质量标准者方可使用。

2）硅粉

硅粉掺量建议采用每立方米混凝土中30 kg。

3）细骨料和砂料

细骨料粒径为0.5～1.0 cm；砂的粒径为0～0.5 cm。砂石料级配经试验获得。

4）水

本工程混凝土拌和用水为地表水，依照规范检验合格后使用。

5）钢纤维

（1）钢纤维应具有较大的抗拉强度，宜用冷拔钢丝切断型钢纤维，其抗拉强度应大于1 000 N/mm2。

（2）为了减少或降低钢纤维对喷射软管的磨损，应选择韧性较好的钢纤维，其端头断面应为规则、光滑的圆形，杜绝出现斜角、尖角等形状。

（3）钢纤维的长度宜为25～35 mm，直径为0.5～0.8 mm，长径比40～80，在满足混凝土结构力学性能要求的前提下，其钢纤维的掺量应合理，体积率为0.4%～1.0%，钢纤维推荐掺量为30～50 kg/m3，具体掺量可根据围岩情况、钢纤维品质，通过现场试验确定。

（4）钢纤维外观质量满足要求，无污渍、锈蚀等。

6）外加剂

除掺入硅粉外，还需加入适量的速凝剂（常用掺量为3%～8%水泥用量）和减水稠度稳定剂（常用掺量为每立方米混凝土5kg）。

7）钢纤维喷射混凝土配合比

设计配合比参考值见表1。

表1 钢纤维喷射混凝土配合比 单位：kg/m3

2.2 钢纤维喷射混凝土的施工要求

2.2.1 拌合

1）根据喷射作业情况，分层进行喷射，每层喷射厚度可为5～10 cm，每次拌合方量根据喷射厚度、喷射范围、喷射设备以及一次喷射能力情况来确定拌合方量。拌合方量确定后，再根据选定的配合比计算各种材料用量。

所有材料都加入搅拌机后，采用先干拌后加水的搅拌方式，然后加水和稠度稳定剂进行充分拌合，并使钢纤维均匀地分解开来。钢纤维在混合料中应分布均匀，不得出现局部钢纤维聚集或者钢纤维结团、堵管、钢纤维弯曲、折断现象。搅拌时间随搅拌设备而定，一般搅拌时间不少于3 min。

2）拌合过程中严禁通过过量加水来改变其稠度。钢纤维喷射混凝土比普通喷射混凝土更为刚硬。如果过量加水改变其稠度，则会影响钢纤维喷射混凝土强度。可通过增加砂率、胶凝材料和外加剂实现其工作性能，推荐作业面混凝土的塌落度为14±2 cm。

2.2.2 速凝剂掺入

速凝剂在喷射施工过程中加入，当混凝土料开始喷射时，速凝剂通过速凝剂管在喷嘴处在高压风的作用下渗入混凝土中，起到速凝作用。

2.2.3 喷枪距离及喷射角度

1）喷枪到工作面的距离在0.8～1.2 m 之间，喷枪与基面的夹角大于45°。

2）喷射时沿基面最底部从下往上进行，喷枪连续平稳地按固定形状旋转喷射，这样可以使喷射钢纤维混凝土分布均匀，并使由于不规范操作而造成的影响降到最低。

2.2.4 喷射操作

1）开挖完成以后，在基底表面清理满足喷射要求时，按开挖支护步序要求，进行锚喷支护施工。待上述工作完成以后，再进行下一循环开挖，开挖和支护施工必须交替进行。

2）对于分层喷射的钢纤维混凝土，为保证各层之间有较强的粘附力，在后一层喷射前对爆破和挖掘时在混凝土表面产生的灰尘等废弃物进行彻底的清理，以便保证达到设计要求。

3）喷射顺序自下而上进行，喷射开始时，先送风、后开机、再给料。喷射结束时，待料喷完后，再关风，同时将湿喷机及输料管清洗干净。喷混凝土施工前埋设控制喷层厚度的标志。在前一层混凝土终凝后再进行后一层喷射作业。若后一层混凝土终凝1 h 后再进行喷射的，需将前一层喷射面进冲洗干净。从前一喷混凝土区段结束到下一循环的掘进爆破时间间隔不小于4 h。

2.2.5 粘结

为保证基底与钢纤维混凝土之间的粘结作用，喷射时尽量贴近基底。基底尽量避免扰动以保证其完整性和强度。

2.2.6 回弹

喷射时控制好喷射速度及距离以保证喷层密实，回弹合理，不发生塌落现象。严禁重复使用回弹下来的材料。

2.2.7 钢纤维喷射混凝土表面处理

喷射施工完成后可能会有一些钢纤维暴露或突出于喷层表面，应在喷层表面再喷射一层20 mm 厚强度等级不低于钢纤维喷射混凝土强度等级的水泥砂浆覆盖层，以防止钢纤维发生腐蚀。

2.3 质量控制和验收

所有材料需经检查合格后方可使用。

施工单位应提供钢纤维喷射混凝土实际采用的配合比及施工工艺记录。

施工过程中进行抽样检查，检查内容包括：坍落度、初凝时间、终凝时间、喷层厚度、抗压强度、抗剪强度、抗弯强度、粘结强度等指标，检查结果应满足设计要求。

钢纤维的质量检验：钢纤维长度偏差不应超过长度公称值的±5%。每5 t 产品随机取样100 根；钢纤维的抗拉强度不低于1 000 MPa；钢纤维外观质量满足要求，无污渍、锈蚀等。

喷层厚度的检查可采用凿孔法或其它方法检查，厚度检查断面的数量按GB50086 和SL377 确定。合格条件为：每个断面上，全部检查孔处的喷层厚度60%以上不应小于设计厚度；最小值不应小于设计厚度的50%；同时，检查孔处厚度的平均值不应小于设计厚度。

钢纤维喷混凝土粘结强度检查：应在有代表性部位进行该项检查，每组不少于3 个试件。

喷层外观上不得有漏喷、离鼓现象和影响安全的裂缝，系统锚杆尾端不得外露。

3 结论

事实证明，钢纤维喷射混凝土在中部引黄水源工程泵站地下厂房开挖施工过程中的应用是成功的，保证工程经济合理安全地按照预定时间完成了施工任务，也为今后在类似复杂地质条件下的地下厂房开挖积累了宝贵的经验。