聚丙烯腈纤维在水工隧洞喷射混凝土施工中的应用

钟卫杰 李镇云

（1.湖南柏帆建设有限公司 湖南长沙市 410000 2.湖南省江华县水利局 湖南江华县 425500）

1 工程概况

东流溪二级水电站座落在湖北省长阳县东流溪中段，电站引水隧洞进口高程808m，出口高程716m，隧洞全长11888m，隧洞洞内承压水头113m；隧洞洞径2.2m，洞形为马蹄形。电站水头522.0m，装机3×6300kW。东流溪二级水电站于2004年10月开工，2007年6月完成水工建筑物施工，2007年9月建成发电。

工程区域内主要为构造溶蚀侵蚀低中山、中低山地形。该地貌单元出露地层主要为早古生界的白云岩、灰岩、页岩。本区出露地层主要为寒武系下统（∈t1+sl）和中统（∈2qn）、寒武系上统三游洞群（∈3sn）中厚层状灰岩、白云质灰岩和奥陶系下统（O1）奥陶系中统（O2）奥陶系上统（O3）及志留系下统龙马溪组（S1L）的泥质页岩、砂质页岩夹粉砂岩、碳质页岩。隧洞上覆山体最薄厚度82m，最大厚达700m。经施工地勘，隧洞f、K0值如下：进出口段，f=2.0～2.5；K0=15～20MPa·cm-1；洞身段，f=2.5～3.5；K0=20～60MPa·cm-1。

2 喷射纤维混凝土设计方案

根据优化后的设计方案，主要针对于Ⅱ、Ⅲ围岩中存在的不良地质段，采用喷射纤维混凝土和挂网喷射纤维混凝土支护方案。其中：喷射10cm厚C25纤维混凝土支护1820m，挂网喷射10cm厚C25纤维混凝土支护1310m。不良地质情况主要表现为：

（1）层面分化，层间夹泥或层间夹炭质泥岩、方解石，泥质膜、铁质膜吸附；或层面中见渗水、流水、涌水现象；或岩石面见微量渗水现象。

（2）节理裂隙发育，节理中见方解石脉充填，方解石局部或全部见溶蚀；节理中夹泥；节理贯穿（或不完全贯穿）洞室；或节理中见渗水、流水、涌水现象；或岩石面见微量渗水现象。

（3）岩层产状紊乱，无规律，多种岩性混杂，节理严重发育、洞室见渗水、滴水、流水或涌水现象。或洞中局部溶蚀成小洞穴情况严重。

例如：喷射10cm厚C25纤维混凝土的4号支洞下游0+05～0+90桩号段，地质素描记录是：岩性为寒武系上统三游洞群（∈3sn）厚层白云质灰岩、中厚层白云岩，夹炭质页岩、泥岩薄层，中硬岩为主，较完整，大部分岩体呈微风化，局部风化强部位呈强风化-弱风化。岩层产状为195°∠40°，与洞轴线交角小于30°。表现为局部节理裂隙较发育、沿炭质泥岩夹层风化及溶蚀现象。Y1、Y2为层间炭质泥岩夹层，厚2～3cm，强风化，局部有粘土充填，Y3、Y4、Y5为层间炭质泥岩夹层，厚0.8～2.0cm，强风化，局部粘土充填。

3 纤维材料选择

为了确保隧洞喷混凝土支护的工程质量，通过对多种纤维材料进行比选，并通过咨询清江水布垭电站的实际应用效果，最终选择了“路威系列聚丙烯腈纤维”作为隧洞喷射混凝土纤维材料，其技术参数如表1。

表1 路威2002-II纤维技术参数

4 喷射混凝土施工技术要求

4.1 主要原材料

（1）水泥：采用的是普通硅酸盐水泥，强度等级为PO32.5。

（2）砂石料：根据现场情况在各支洞口设置料场现场生产制备；经检测，砂的细度模数为2.5～3.0，含水率有效控制在5～7%之间；粗骨料大于15mm。

（3）掺速凝剂的喷射混凝土初凝时间不大于5min，终凝时间不大于10min。

4.2 主要施工机具

（1）干式喷射机的性能要求：密封性能良好输料连续均匀；输送混凝土料的距离水平不小于100m，垂直不小于30m。

（2）搅拌干混料的搅拌机采用JZ350型强制式搅拌机。

（3）选用的空压机满足喷射机工作风压和耗风量的要求，喷射机前，先进行吹风5～10min，保证油水分离，避免风中的油污进入喷射混凝土，影响混凝土质量；工程选用的空压机为开山牌螺杆式空压机，其排风量不小于9.0m3/min。

（4）因混合料喷头时的压力约为0.1MPa，施工时自建生产水池确保的水压力均达到了0.15～0.20MPa，供水量也能满足要求。

4.3 混合料配合比及拌制生产要求

（1）喷射混凝土的设计强度等级为C25；喷射混凝土混合料的配合比要求如下：

表2

速凝剂的掺量按产品说明书、并通过试验确定为水泥量的5.0%；原材料的称量进行现场确定，砂石料称量偏差控制在±3%；水泥和速凝剂的称量偏差控制在±2%。

（2）原材料进入强制式搅拌机的搅拌时间大于60s，纤维加入后，搅拌时间比普通砂浆、混凝土延长了15～30s。采用先干拌后再湿拌的搅拌方式时，干拌时间大于15s。在掺有纤维和速凝剂且是采用混合料搅拌时，控制搅拌干料时间在4min以上。

（3）混合料随拌随用，不掺速凝剂的混合料，存放时间都不超过2h；掺速凝剂的混合料，存放时间不超过20min。

4.4 喷射前的准备工作

（1）拆除作业面障碍物，清除开挖面的浮石和墙角的石碴、堆积物等，着重对底板喷射混凝土与底板混凝土接头处进行凿毛和清洗；防止边墙喷层出现“失脚”和后期渗水现象。

（2）为便于过程施工质量控制和施工厚度控制，在喷射前根据实际情况埋设小钢筋桩，控制喷射混凝土厚度的标志。

（3）若受喷面漏水或渗水严重，喷射前进行渗水排除或采取局部挂网的设计形式喷射混凝土，合同甲乙双方代表进行现场确认。

（4）喷射作业前，对机械设备、风、水管路、输料管路和电气线路进行全面检查，确保正常喷射作业。

4.5 喷射作业

（1）严格执行喷射机的操作规程；保证连续均匀向喷射机供料；保持风压稳定；完成喷射作业或因故中断时则将喷射机和输料管内的积料清除干净。

（2）保持喷头处水压稳定；喷头与受喷面距离控制在0.6～1.2m且与受喷面保持垂直，干喷时严格控制好水灰比（一般在0.4～0.45之间），及时调整供水量，保持混凝土表面平整，表面湿润光泽，无干斑或滑移流淌现象。

（3）喷射作业分段分片依次进行，喷射顺序自下而上；各段间的结合部位和结构的接缝处（如底板混凝土接缝处）进行妥善处理，尽量避免漏喷部位；现浇底板混凝土与喷射混凝土保证有10cm的搭接长度，其接合部位进行凿毛和清洗处理。

（4）喷射混凝土的厚度按设计要求执行。分层喷射时，后一层喷射在前一层喷射混凝土终凝后进行。若终凝1h后再进行喷射时，则采用风水清洗喷层表面。喷射混凝土表面起伏差控制在±15cm以内。

（5）喷射混凝土终凝后2h开始喷水养护，养护时间按10～14d控制，气温低于5℃时不需喷水养护。

5 喷射混凝土质量检查

5.1 质量检验要求

质量检验严格按照《水电水利工程锚喷支护施工规范》（DL/T5181-2003）有关条款执行，着重注意以下几点：

（1）喷射混凝土的原材料出厂合格证及品质试验报告应齐全；同强度等级水泥每200T进行取样试验；速凝剂按5T为一批进行取样试验；砂和小石按每300～500m3为一批进行取样试验。

（2）混合料的实际配合比，每个班次应进行及时检查，根据情况进行及时调整。工地现场应配备0～40不同型号的方孔筛网。

（3）喷射混凝土做好抗压强度检查，检测喷射28d龄期抗压强度；试验采用喷大板切割法制备试件（大板尺寸为45×30×25cm）。每喷100m3混合料取两组试件，每组3块。

（4）喷射混凝土厚度采用无损检查法进行检查。按10～20m间距布置检查断面，在断面上以拱顶中心为基准，向两侧每隔1～2m布置测点，测点采用预埋小钢筋桩的形式布置，每个断面的测点不宜少于3个。喷射过程中在混凝土未凝固前采用针探法随机检查。

5.2 质量检验及效果检查

通过监理、设计、业主等参建单位联合对喷射混凝土进行质量检验，检验结果如下：

（1）质量检验：喷射混凝土表观质量合格，混凝土表面光泽度较好、浆液分布痕迹平顺。喷射混凝土厚度抽检结果显示，侧墙喷射厚度平均达至设计值的92.2%，顶拱厚度平均达至83.6%，满足质量检验要求。通过对大板切割的64组试件进行28d龄期抗压强度检测；数理统计结果如下：强度保证率P=96.8%、离差系数Cv=0.057、抗渗等级达到S7。

（2）运行效果检查：电站自2007年9月建成发电，十多年以来，业主技术部门每年都进入隧洞对喷射纤维混凝土的运行效果进行检查，未发现有大面积的脱落或坍塌，喷射混凝土的整体运行效果良好。

6 结语

从东流溪二级水电站有压隧洞喷射纤维混凝土的应用效果来看，路威系列聚丙烯腈纤维可以有选择性地应用于内水压力110m以内的水工隧洞Ⅱ、Ⅲ围岩地段的喷射混凝土基础处理；从质量检测结果和多年以来的运行效果分析，喷射混凝土所掺用的路威2002-II系列聚丙烯腈纤维是一种可用于水泥混凝土材料的增强纤维，作为混凝土的次加筋材料，该材料明显地提高混凝土的韧性及抗冲击性能，进而提高了混凝土的抗裂性、抗冻性、抗渗性等耐久性能，其他类似的水工隧洞喷射混凝土工程可参考使用。