柔性喷层在锚喷支护输水隧洞工程中的应用研究

李淑贤

(沈阳宝峰建筑工程有限公司，辽宁 沈阳 110000)

1 研究背景

李金水库位于辽宁省绥中县大王庙境内的王宝河支流上，是一座以防洪和灌溉为主、兼有供水和养殖等诸多功能的小(1)型水库。水库坝址以上流域面积29.30km2，设计水位122.45m，设计库容397.5万m3。水库由黏土心墙砂壳坝、溢洪道和输水洞构成。按照除险加固工程的初步设计，需要对大坝进行加高培厚，在将水库的防洪标准由原来的50年一遇提高到200年一遇的同时，设计库容也进一步提高到736万m3，可以有效提升水库的供水能力。作为配套设计，计划在大坝左岸新建一条输水洞。根据工程设计，输水洞截面为城门洞形设计，开挖截面的宽度为3.5m，高度为3.8m，采用钻爆法开挖。

根据前期工程地质调查结果，输水洞的西段存在多种不同岩性的岩石，主要包括云母绿泥石片岩、变质中细砂岩夹薄层状大理岩等，围岩的岩性较差，需要采取有效的支护措施。对于岩性较差的输水隧洞，一般采用锚喷支护模式[1]。其中，钢筋网和混凝土喷层具有承载和预防危石和风化的作用[2]。但是，钢筋网在施工过程中需要较大的劳动强度，而且自身易受腐蚀[3]。同时，混凝土喷层在高地应力环境下容易开裂破坏，存在比较严重的安全隐患[4]。聚合物柔性混凝土具有抗拉强度高、黏结性能好、延伸率较大等诸多优势，已经有取代钢筋网和喷射混凝土的支护工程应用[5]。基于此，此次研究以具体工程为背景，探索聚合物柔性薄喷衬砌在输水隧洞衬砌施工中的应用。

2 聚合物柔性喷层混凝土材料试验

2.1 试验材料和仪器

聚合物柔性喷层混凝土中，水泥采用P.O 42.5普通硅酸盐水泥，砂子采用细度模数2.45的普通河砂，粗骨料采用粒径5mm左右的人工碎石，减水剂采用聚羟酸高效减水剂，增稠剂采用HPMC增稠保水剂，可分散乳胶粉采用瓦克5044乳胶粉，有机乳液采用纯丙乳液，纤维采用长度为5mm的聚丙烯纤维。试验中需要使用的仪器为水泥砂浆搅拌机、恒温恒湿养护箱、WHC-2000万能试验机。

2.2 试验方案

试验中首先按照设计的试验配合比在搅拌机中搅拌均匀，然后制作成50mm×50mm×150mm的混凝土喷层试件，然后将试件放在标准养护室内养护至试验规定龄期。对养护至规定龄期的试件进行抗压强度、抗折强度、黏结性能以及拉伸率等力学性能试验[6]。对不同聚合物胶粉含量、聚丙烯纤维掺量以及有机乳液掺量等进行配比试验，分析上述因素对喷层材料力学性能的影响规律，通过对喷层混凝土配比优化，为工程应用提供必要的支持。

2.3 试验结果与分析

2.3.1 聚合物乳胶粉

可分散性乳胶粉可以有效改善水泥砂浆与基础岩体的黏结强度，提高喷射混凝土砂浆的各种性能。在试验过程中采用0.5的灰砂比、0.28的水灰比，对0%、1%、1.5%和2%这4种可分散乳胶粉掺量条件下的喷层材料试件在7d和28d龄期的抗压强度、抗折强度以及正拉黏结强度进行试验(见表1)。从实验结果可以看出，随着可分散乳胶粉掺量的增加，喷层材料的抗压强度值呈现出逐渐降低的变化特点，而抗折强度和黏结强度则呈现出不断降低的变化特点。综合试验结果，可分散乳胶粉的掺量应该以1.0%为宜。

表1 不同分散性乳胶粉掺量试验结果

2.3.2 聚丙烯纤维掺量

0.5的灰砂比、0.28的水灰比和1%的分散性乳胶粉掺量不变，对0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%这5种不同聚丙烯纤维掺量水平试件的抗压和抗折强度进行试验(见表2)。从实验结果可以看出，随着聚丙烯纤维掺量的增加，试件的抗压强度呈现出不断下降的变化特征，而抗折强度则呈现出先增加后减小的变化特点。综合试验结果，当聚丙烯纤维掺量为1.5%时综合性能较优，喷层材料具有较高的和易性，同时抗折强度较高而抗压强度减低并不明显，因此，在喷层材料制作过程中选择1.5%的聚丙烯纤维掺量。

表2 不同聚丙烯纤维掺量试验结果

2.3.2 有机乳液掺量试验

有机乳液具有较高的延伸率，将其加入喷层材料中，可以有效提升喷层材料的韧性和黏结性，充分满足背景工程隧洞围岩大变形的要求。试验中在保持其余材料掺量不变的情况下，设计0%、5%、10%、15%和20%这5种不同的有机乳液掺量水平进行试验，其28d龄期的延伸率、抗拉强度以及正拉黏结强度的试验结果见表3。由试验结果可知，随着有机乳液掺量的增加，喷层材料的延伸率和强度值也会不断增加，增加速率也不断加快。当有机乳液的掺加量达到10%时，其正拉黏结强度达到1.24MPa、延伸率达到6%以上，不仅与隧洞围岩具有较高的黏结强度，不容易脱落，也具有较高的拉伸率，完全可以满足围岩变形需求。因此，在工程施工中选择10%的有机乳液掺加量。

表3 不同有机乳液掺量试验结果

3 工程施工参数优化

3.1 支护时机选择

为进一步确定柔性喷层锚喷支护在背景工程中的应用价值以及最佳施工方案，以背景工程为依托进行现场试验[7]。在试验中采用锚杆+柔性喷层支护模式，其中锚杆的长度为6m，相邻锚杆的间距为1.0m，在360°范围内分布，然后施加柔性喷层支护，支护厚度为20cm。在施加支护时由两种可能的极端情况：一是开挖后立即支护；二是隧洞开挖之后待围岩发生很大变形后再进行支护[8]。上述两种方式都有其不利之处。因此，最有利的方式是把握好合适的时机，充分发挥围岩的自承能力，降低支护成本，保证隧洞施工和运行安全。研究中结合背景工程的实际情况，选择开挖后0h、4h、8h、12h、16h、20h、24h的支护时机选择方案进行现场试验，每种方案的试验段长5m，根据试验获得隧洞关键部位位移数据(见表4)。

表4 不同支护时机方案位移量试验结果 单位：mm

从表4可以看出，随着开挖与支护施工间隔的延长，隧洞各关键部位的位移量均呈现出先减小后增加的变化特点，以开挖与支护施工间隔8h时的位移量为最小，为最佳支护时机。究其原因，主要是开挖后立即支护时围岩应力未得到充分释放，造成锚杆和围岩一起变形，锚杆受力较大并导致轻微破坏，造成围岩的变形量相对较大。在开挖后间隔一段时间支护，可以使围岩应力得到一定释放，因此锚杆可以合理受力，没有损坏，能起到良好的支护作用。如果开挖后经过较长时间支护，围岩的变形会越来越大，支护前围岩已经发生较大的变形破坏，不仅变形量较大，也不利于工程施工和后期运行安全。

3.2 喷层厚度

对于8h支护时机，对喷层厚度为5cm、10cm、15cm、20cm、25cm、30cm这6种不同方案进行试验，获得不同喷层厚度位移量(见表5)。从表5可看出，随着喷层厚度的增加，隧洞各关键部位的位移量呈现出不断减小的变化特征，说明增加喷层厚度对控制位移变形具有一定的作用。但是，从具体的数值来看，喷层厚度对位移量的影响较小，其中影响最大的在拱顶部位，当喷层厚度由5cm增加到30cm时，位移量减小了约6.47%，其余各部位的位移量变化均在5%以内。由此可见，通过增加喷层厚度提高支护效果并不具有工程和经济价值。因此，工程建设推荐采用10cm的喷层厚度。

表5 不同喷层厚度方案位移量试验结果 单位：mm

4 结 论

本文以具体工程为背景，探讨分析了柔性喷层锚喷支护输水隧洞工程中的应用问题，并得出如下主要结论：根据试验研究结果，推荐在柔性喷层材料制作中掺加1%的可分散乳胶粉、1.5%的聚丙烯纤维和10%的有机乳液；隧洞各关键部位的位移量均呈现出先减小后增加的变化特点，以开挖与支护施工间隔8h时的位移量为最小，为最佳支护时机；喷层厚度对位移量的影响较小，工程建设推荐采用10cm的喷层厚度。