基于山岭隧道高性能喷射混凝土应用研究进展

孙雅珍, 何放, 王金昌, 王龙岩, 谭长根

(1.沈阳建筑大学交通与测绘工程学院, 沈阳 110168; 2. 沈阳建筑大学土木工程学院, 沈阳 110168;3. 浙江大学交通工程研究所, 杭州 310058; 4. 浙江交工路桥建设有限公司, 杭州 310051)

近10年以来,在“一带一路”倡议的协同推进下,中国山岭隧道建设规模不断扩大,不断刷新一个又一个世界纪录。建成了如秦岭终南山隧道、锦屏山隧道等11座长度10 km以上的超长山岭公路隧道[1]。通常将长度超过10 km、深度超过500 m的隧道被定义为超长和超深隧道[2-3]。

喷射混凝土是指将胶凝材料、骨料等按一定比例拌制的混凝土拌合物送入喷射设备,借助压缩空气或其他动力输送,高速喷至受喷面所形成的一种混凝土[4],它不仅仅是一种材料,而是一种独特的工艺,施工方便,无需模板和外部振动[5]。现如今已广泛应用于市政工程、隧道工程、地下工程的施工建设之中。进入21世纪至今,国内外学者对喷射混凝土技术研究有了许多新的突破,其中具有代表性的是喷射混凝土高性能配合比优化设计研发和其在实际工程施工技术应用,此外在喷射混凝土中掺入纤维材料等,一定程度上增强和改善了喷射混凝土的力学性能和耐久性能。目前,广泛使用湿拌喷射混凝土的是布伦纳基础隧道(Brenner base tunnel,BBT)的施工。BBT的总长度将为64 km,计划于2032年完工后,将成为世界上最长的铁路隧道[6-9]。

在涉及设计、施工工艺和装备的山岭隧道工程施工中,高性能喷射混凝土已经有了很大的研究突破,但学术界对其系统性的总结和梳理却乏善可陈。为进一步加强山岭隧道喷射混凝土应用技术的进展,现从提高山岭隧道喷射混凝土力学性能、改善山岭隧道喷射混凝土耐久性能两大方面进行系统阐述,同时对目前应用案例所产生的相关问题提出相对应的建议及展望。

1 提高山岭隧道喷射混凝土力学性能的研究

喷射混凝土一般不需要模板支撑,其特点为强度增长快、密实度好、施工方便、适应性强等,应用于隧道施工中可以降低成本、节约资金。据调查显示,目前中国有56条超长和超深山岭隧道,国外有21条,中国最长公路隧道(前10名)、最长铁路隧道(前10名)如表1[1,10]和表2[11]所示。

表1 中国最长公路隧道(前10名)[1,10]Table 1 The longest highway tunnel in China (top 10)[1,10]

1.1 掺液体速凝剂

随着喷射混凝土施工技术从干喷向湿喷的转变,为了满足实际应用的要求,速凝剂的种类从传统的由碱金属氧化物组成的粉末速凝剂到以铝盐为主要成分的液体速凝剂[12-13]。液体速凝剂包括一系列影响混凝土强度、早期水化和微观结构特征的化学物质,碱性液体速凝剂对喷射混凝土的中后期强度存在不良影响,无碱速凝剂对喷射混凝土后期强度几乎无影响,目前已经得到了国际社会的广泛认可,但其掺量较大,成本较高,而且稳定性较差,使用过程中容易产生絮凝、沉淀等不稳定现象,因此系统总结掺无碱液体速凝剂喷射混凝土在山岭隧道工程应用案例并研发较稳定且与不同水泥相适应的无碱液体速凝剂是未来的发展方向。

吉安隧道[14]使用高强型无碱速凝剂的喷射混凝土,研究结果表明,喷射混凝土1 d抗压强度为16.5 MPa,28 d抗压强度为43.6 MPa,与普通喷射混凝土相比,强度增加了115.0%,中台阶侧墙回弹率为8%,上台阶拱顶回弹率为13.6%,掺入无碱速凝剂可以明显提高抗压强度,减小了回弹损失。壁板坡隧道[15]掺高性能无碱液体速凝剂结果表明,喷射混凝土1 d和28 d抗压强度分为10.5 MPa和39.0 MPa,与普通喷射混凝土相比,强度增加了106.8%。华东地区某隧道[16]使用自配的CSL型无碱液体速凝剂的喷射混凝土,研究结果表明,速凝剂掺量为8%时,一次喷射可以达到145 mm,回弹率为8.2%,1 d抗压强度为15.1 MPa,28 d抗压强度为52.7 MPa。虎溪台隧道[17]使用液体无碱速凝剂及改良剂进行喷射混凝土施工,研究结果表明,速凝剂掺量为6.5%,回弹率约为15%,大大节约了施工成本。水溶性硅酸钠(也称水玻璃)是挪威湿拌喷射混凝土中最常见的促进剂,挪威Nordkapp隧道[18-19]比较喷浆混凝土的使用条件,在该隧道的不同延伸段首次使用了无碱促进剂。Freifjord隧道[20]喷射混凝土中使用水玻璃促进剂水泥质量的5.2%。就同年完工的Byfjord和Mastrafjord隧道而言,掺量为水泥重量的4.7%。韩国Yulhyeon隧道[21]采用HS-CMA促进剂掺入喷射混凝土中,试验发现3 h抗压强度为2 MPa,24 h抗压强度为16 MPa。Brenner base隧道[22]采用043FFG促进剂,研究结果表明喷射混凝土24 h抗压强度达到18.6 MPa,28 d抗压强度达到40.85 MPa。

综上所述,无碱液体速凝剂可以加速固化时间,但应用于每个施工现场都要进行相对应的试验分析,以校正水泥与速凝剂的反应时间和强度的发展。早期快速的凝固可能可能造成支护要求方面的缺陷,从而带来一系列的安全问题。建议选择绿色高性能速凝剂,通过试验分析监测确定最佳掺量,尤其是在3～6 h之后。在实践中,通常速凝剂的掺量为4%～8%。

山岭隧道工程喷射混凝土采用湿法喷射工艺,掺液体无碱速凝剂对混凝土强度影响显著,同时减小回弹损失,并在应用中取得良好的经济效益。但在其稳定性和适应性方面研究较少,还存在较多问题。未来可以考虑在无碱液体速凝剂的机理方面进行深入研究,以便于更好地在工程应用中实践;其次开展稳定性研究,使其更好地与胶凝材料、外加剂、矿物掺合料、环境等相适应,同时制定高性能外加剂评价标准。

1.2 优化材料组分

喷射混凝土性能不仅与胶凝材料有关,更与砂的材质密切相关,近年来,生态环境随着河砂的过度开采逐渐恶化,同时对机制砂配制喷射混凝土的研究较少,因此,机制砂代替河砂配制高性能喷射混凝土成为现阶段重点问题[23]。研究机制砂破碎方式、对机制砂级配进行合理优化,获得良好的粒度,可以提高机制砂喷射混凝土强度、耐久性能,并使其具有良好的施工性能。但现阶段,优化设计高性能喷射混凝土的配合比存在不固定的方法并且在山岭隧道中成功应用案例较少。随着原材料、试验环境等不同的变化,隧道喷混凝土配合比设计存在较大差异,导致喷射混凝土施工中产生回弹率高、力学性能差、可泵性低等后果[24-25]。针对喷射混凝土在隧道施工中因材料组分及配合比设计造成的回弹率高、流动性、力学性能差等问题,目前研究者进行了大量探讨,通过优化材料组分配制满足隧道施工需要的高性能喷射混凝土要求。

巫山隧道[26]中纳米掺合料掺入喷射混凝土中,现场试验表明3 h抗压强度为3.5 MPa,12 h抗压强度为8.4 MPa,24 h抗压强度为15.3 MPa。一次喷射厚度较普通喷射混凝土增加33 mm,喷射回弹率降低到11.1%。贵州梨花井隧道[27]采用机制砂代替普通砂进行喷射混凝土配合比试验,12 h抗压强度为11 MPa,24 h抗压强度为23 MPa,回弹率为15%;庙湾隧道[28]采用机制砂代替天然砂制备喷射混凝土,坍落度控制在100 mm,28 d抗压强度为33.2 MPa,施工中取得良好的效果。贵州姑两隧道[29]采用开挖机械破碎的机制砂进行喷射混凝土配合比试验,试验结果表明,喷射混凝土回弹率为10.2%左右,28 d抗压强度为34.7 MPa。重庆铜锣山隧道[30]喷射混凝土中掺入三乙醇胺、建筑胶粉,24 h抗压强度为17 MPa。大梁隧道[31]采用基本配合比试验,试验表明24 h抗压强度最大值为6.86 MPa,48 h抗压强度最大值为13.01 MPa。黄家台隧道[32]采用正交试验方法对喷射混凝土配合比设计进行优化,结果表明,优化设计后喷射混凝土1 d抗压强度达到13.5 MPa。109高速公路隧道[33]采用针对喷射混凝土配合比设计进行优化,结果表明,优化设计后喷射混凝土1 d抗压强度达到11.5 MPa,回弹率控制为15%。木寨岭特长隧道工程[34]通过研究不同材料组分及环境因素影响并结合现场实际取样测试,最终结果为喷射混凝土3 d抗压强度达到22 MPa,28 d抗压强度达到42 MPa,拱顶回弹率达到16%。崤山隧道工程[35]快速硬化型喷射混凝土1 d和28 d无侧限抗压强度分别为12.57 MPa和36.19 MPa。观音坳隧道[36]采用纳米低回弹掺合料掺入喷射混凝土中,结果表明,28 d抗压强度为38.89 MPa,回弹率为13.5%,与普通混凝土相比抗压强度提高了13.8%,回弹率降低了47.7%。

综上所述,喷射混凝土技术在山岭隧道施工应用越来越广泛,因此研究其配合比设计成为特别关键的一个步骤,必须综合原材料的基本组分和各基本性质如水胶比、砂率等参数进行综合考虑。既有研究案例表明优化喷射混凝土配合比设计后,在隧道应用过程中其早期抗压强度明显提高,且回弹率较低,可控制在10%～15%。未来喷射混凝土技术还要通过改进与其相匹配的配套设备,通过多因素分析考虑配合比设计问题。采用室内试验优化配合比设计和现场实际喷射相结合分析,得出喷射混凝土配合比优化设计的切实性,对未来隧道喷射混凝土施工技术发展具有一定的深远影响。

1.3 掺纤维增强材料

现如今,喷射混凝土技术已广泛应用于山岭隧道工程的衬砌施工中,但受隧道周边地质条件、环境、温度等多因素影响,隧道运营后普遍存在结构开裂损伤、衬砌渗漏水现象。在喷射混凝土中加入纤维材料,可以明显提高其力学性能同时减少收缩裂缝,同时还可以有效改善混凝土脆性大、易开裂等结构缺陷[37]。当前,纤维已被广泛用作喷射混凝土的性能改善材料,应用于岩土工程、市政工程、城市地下空间开发、建筑结构的补强、加固及改造工程中,包括钢纤维、聚丙烯纤维、玄武岩纤维、聚乙烯醇纤维、玻璃纤维等[38-40]。不同种类纤维材料掺入喷射混凝土应用于国内外山岭隧道工程中,取得了良好的应用效果。法国一项新建隧道工程[41]使用永久性纤维增强喷射混凝土衬砌,节省了成本和时间,减少了对环境的影响。

1.3.1 钢纤维

钢纤维材料最早应用于山岭隧道喷射混凝土施工中。目前,钢纤维喷射混凝土在山岭隧道衬砌结构中应用最为广泛,研究最为关注的有抗压强度、抗折强度、抗弯强度和冲击韧性。

摩天岭隧道[42]现场实际试验研究钢纤维喷射混凝土力学性能,结果表明,随着钢纤维掺量的增加,喷射混凝土抗压强度、抗拉强度、抗折强度分别提高了21.7%、96.5%、84.0%,钢纤维的掺入可以显著提高喷射混凝土的力学性能。云山隧道[43]钢纤维混凝土抗压强度4 h达到6.98 MPa,12 h达到13.14 MPa,1 d达到17.83 MPa,28 d的最大值达到45.20 MPa,同时抗拉强度也明显大于普通混凝土抗拉强度,28 d的最大值为5.24 MPa,较普通混凝土同期抗拉强度最大值增幅达115.6%。香炉山隧道[44]采用湿喷钢纤维混凝土施工,7 d抗压强度达到24.5 MPa,28 d 强度达到30.3 MPa,相比于普通干喷混凝土,强度明显提高。实际量测28 d收缩率为0.4 mm/m,与普通喷射混凝土收缩量相比减小43%。回弹率较小,仅在7%～15%。川藏铁路隧道[45]研究不同纤维种类、混杂方式对喷射混凝土抗压抗折、弯曲韧性的影响规律,研究结果表明,体积掺量均为0.38%的情况下,3种类型钢纤维均能提升喷射混凝土的力学性能,波纹型钢纤维对抗压强度的提升幅度最大,28 d抗压强度提高了64.0%。端钩型钢纤维体积含量对抗折强度的改善效果最强,28 d抗折强度提高了46.7%。端钩型钢纤维和聚丙烯纤维复掺对喷射混凝土抗压强度提高效果最佳,与普通混凝土相比,28 d抗压强度高了59.8%。较普通混凝土同期抗拉强度最大值增幅达115.6%。石家庄昆仑大街隧道[46]采用湿喷钢纤维混凝土施工,7 d抗压强度达到33.2 MPa,28 d强度达到48.2 MPa,相比于普通混凝土,强度大幅度提高。挪威海底隧道[47]采用钢纤维增强喷射混凝土,抗压强度以及挠曲和拉伸强度都得到了提高,材料的延展性也得到了提高,回弹率为5%～10%。钢纤维的掺入在较大程度上提高了喷射混凝土的承载能力和延性。斯洛文尼亚Dekani高速公路隧道[48]采用钢纤维增强喷射混凝土,1 h抗压强度为1 MPa,24 h抗压强度为20 MPa。日本惠那山隧道[49]采用钢纤维喷射混凝土进行加固,施工作业时,钢纤维掺量为1.5%时,混凝土抗压强度为40 MPa,抗弯强度为110 MPa,施工后效果显著。

总之,钢纤维喷射混凝土应用于山岭隧道施工中的优点如下:①具有较高的力学性能和变形性能,与普通混凝土相比,抗压强度提高50%以上;②具有更好的韧性、抗弯、抗剪和抗疲劳性能。钢纤维加入喷射混凝土,混凝土材料的性能可以根本上从脆性材料改变为柔性材料,喷射混凝土的抗压强度、抗拉强度、抗弯强度和抗弯韧性可以显著提高。但是由于喷射混凝土需要钢纤维数量较大、价格高、易产生的腐蚀问题,也影响其在工程上的应用。对如何更好地解决短切纤维生产加工面临若干技术问题也是未来的发展方向。

1.3.2 聚丙烯纤维

聚丙烯纤维与钢纤维相比,弹性模量较低,但其耐腐蚀性强、自重较轻、不吸水、耐久性好并且材料本身直径较小,掺入喷射混凝土中以其三维乱向分布的特征,形成网状结构形成拉结作用和二级加强效果,降低回弹率,提高力学性能[50],同时可以有效抑制混凝土裂缝的形成与扩展。因此应用于聚丙烯喷射混凝土应用于山岭隧道中,可以大范围提高喷射混凝土的综合性能。

宝塔山隧道[51]研究不同单位体积聚丙烯纤维掺量对喷射混凝土性能的影响,结果表明聚丙烯纤维不仅满足隧道喷射混凝土的力学性能,而且可以增加试件吸收能量的能力,提高韧性从而对裂缝的发生起到良好的控制作用。川藏铁路隧道[45]将聚丙烯纤维的掺入喷射混凝土中可提高抗压强度,纤维掺量为0.6 kg/m3时,混凝土28 d抗压强度相较于普通混凝土增加了54.7%。本溪高速公路某隧道[52]采用聚丙烯喷射混凝土修复技术,现场实际施工表明,喷射聚丙烯混凝土工作性良好,28 d抗压强度达到28.3 MPa以上,满足修复要求。沪汉蓉通道老安隧道[53]采用聚丙烯纤维混凝土锚喷支护体系,研究表明,与相同强度的普通混凝土相比,聚丙烯纤维喷射混凝土对阻止混凝土开裂更为有效。榆和高速公路隧道[54]采用喷射聚丙烯纤维混凝土,试验结果表明,聚丙烯纤维的加入,28 d的抗压强度达到23.9 MPa,回弹率为11.67%,与普通混凝土相比,强度提高了8.48%,回弹率下降了45.65%。

聚丙烯纤维喷射混凝土作为一个全新的复合材料,拥有更高强度和优异的断裂韧性。聚丙烯纤维对混凝土结构早期收缩具有较好的抑制作用,近年来应用在山岭隧道施工和城市地下工程支护中,对隧道工程衬砌有一定防渗抗裂要求的部位应用取得良好的施工效果。

1.3.3 玄武岩纤维

玄武岩纤维是一种天然硅酸盐纤维,其原材料为天然玄武岩,其优点是具有耐高温、耐低温、高断裂强度、韧性、剪切和弹性模量,在工程应用中性能优益。

永祥隧道[55]将玄武岩纤维掺入混凝土中,研究发现玄武岩纤维对混凝土强度和韧性均有较大的提高,与普通混凝土相比,抗压强度增长了11.4%,抗折强度增长了15%。桐梓隧道[56]采用玄武岩纤维喷射高性能混凝土施工,结合现场试验及施工结果表明,喷射混凝土28 d抗压强度为34.7 MPa,回弹率仅为2.2%。黑庄坪隧道[57]采用喷射混凝土中添加玄武岩纤维试验,现场结果表明,掺入玄武岩纤维后,喷射混凝土的回弹率为13.9%,比普通混凝土减少17%;抗压强度为26.5 MPa,满足施工要求,同时节约施工成本,减少资源浪费。

总之,掺入玄武岩纤维有助于提高喷射混凝土的抗压强度,提高抗裂性、气密性、抗弯拉性及黏结性的同时也节约了施工时间。但中国目前对玄武岩纤维喷射混凝土在山岭隧道应用研究仍处于初级阶段,还存在较多的问题。玄武岩纤维喷射混凝土是一种复合材料,结构复杂,影响因素较多,因此研究玄武岩纤维增强喷射混凝土结构为今后一段时间的发展方向,将玄武岩纤维与高性能喷射混凝土相结合,充分利用玄武岩纤维的高韧性、高强度特性,研发新型高强玄武岩纤维增强混凝土材料。

1.3.4 玻璃纤维

玻璃纤维具有拉伸强度高、弹性系数好、伸长率小、绝缘等优点,掺入喷射混凝土中可以提高其抗拉强度,增强抗裂性能。

崂山隧道工程[58-59]施工时在喷射混凝土中掺入玻璃纤维,现场试验发现当体积掺量为1%时,混凝土凝结硬化后的抗拉性能最优。并针对崂山隧道玻璃纤维混凝土隔墙的开裂状态建立模型,提出了玻璃纤维混凝土抗裂计算方法。

2 改善山岭隧道喷射混凝土耐久性能的研究

喷射混凝土作为永久性衬砌结构,近年来耐久性和长期性能问题对地下基础设施的所有者来说变得更加重要[60]。喷射混凝土结构在隧道衬砌上广泛应用,但因自身孔隙率大、所处盐类环境下,会给隧道衬砌带来很严重的破坏,同时隧道渗漏水现象普遍存在。因此,山岭隧道喷射混凝土的耐久性有待改善。现阶段,隧道喷射混凝土耐久性重点研究类别包括抗渗性能、抗冻性能、抗碳化性能、抗腐蚀性能等。

2.1 抗渗性能

近年来,喷射混凝土随着矿物掺合料、纤维材料、外加剂等掺入,其抗渗性能得到明显提高。但在隧道工程衬砌结构渗漏水方面,抗渗性是一突出问题。对于提高喷射混凝土抗渗性能的方法,国内外研究通过渗水高度、电通量、氯离子扩散系数、孔隙率等作为主要评价指标,并概括了防水及渗漏特性为主要影响因素的研究进展,最后还指出了当前科研中面临的主要问题和进一步改善意见。

观音坳隧道[36]工程采用纳米改性喷射混凝土28 d氯离子扩散系数降低了41%,碳化深度达到22.9 mm,与普通混凝土相比降低了19.6%。贵广某隧道[61]二次衬砌工程现场采用纤维素纤维喷射混凝土,结果表明纤维素纤维掺量0.9%时,混凝土56 d的电通量比普通混凝土下降了7.38%。白鹤隧道[62]工程采用钢-聚丙烯纤维复合研究喷射混凝土的抗渗性能,结果表明,当钢纤维、聚丙烯的掺量分别为0.5%和0.3%时,抗渗性能最优,为最佳掺量。云南某隧道工程[63]通过正交试验研究喷射混凝土的组成对混凝土渗流结晶的影响,结果表明,通过配合比优化与实际施工相比,钙离子流失量降低了约67%。官田隧道[64]在喷射混凝土中掺入粉煤灰掺合料,试验表明,粉煤灰掺量为10%时,渗水高度为19.5 mm,与普通混凝土相比,高度下降27.2%,提高了抗渗性能。

总之,喷射混凝土的防水性能并不好,其抗渗性差是山岭隧道衬砌结构渗漏水普遍存在的原因之一。未来可以通过掺入功能型防水材料,提高喷射混凝土整体结构防水功能,同时也要加大对喷射混凝土不良抗渗性能的产生原因探讨。

2.2 抗冻性能

中国严寒地带喷射混凝土构造容易遭受冰冻损伤,严重影响了山岭隧道使用寿命。目前对于山岭与隧道工程中喷射混凝土抗冻特性应用研究还较为少见。所以对于进行喷射混凝土的抗冻特性试验研究也有着一定重要性。

姜路岭隧道、鄂拉山隧道[65]工程衬砌采用喷射混凝土进行冻融循环试验,研究了喷射混凝土各性能指标随冻融循环次数的变化规律,最终根据变化规律建立数学方程。大阪山隧道[66]工程对隧道喷射混凝土结构的冻害原因和冻胀过程进行分析,结果表明,隧道混凝土衬砌结构耐久性的主要原因是围岩冻胀压力。壁板坡隧道[15]采用了喷射混凝土冻融试验,共测试次数300次,测试结果显示,相对动弹性模量为94.3%,质量损失为0.82%。

综上所述,目前对抗冻性能研究的主要集中于冻融后喷射混凝土相对动弹性模量、质量损失、材料动力学特性分析等,而对冻融循环后与喷射混凝土本构关系的研究成果相对较少,同时也需要进一步深入研究喷射混凝土在山岭隧道使用过程中,冻融损伤后混凝土材料力学特性与变形性能之间的劣变规律。

2.3 抗碳化性能

山岭隧道工程喷射混凝土施工时,会因碳化导致碱度降低,并破坏其钝化膜,从而导致钢筋腐蚀,最终喷射混凝土开裂、剥落,严重影响其耐久性,同时碳化还会增加其密实性。

高楼山长大隧道[67]喷射混凝土后期服役性能受冬季低温环境明显影响,试验结果表明,28 d时喷层结构的碳化深度达到4.0 mm左右,低温干燥条件加剧了喷射混凝土的碳化损伤程度,碳化产物CaCO3以片状堆积形式生长。

因此,虽然目前已针对喷射混凝土碳化性能展开一系列研究,但对隧道不同施工环境下喷射混凝土碳化耐久性能的研究较少,因此,未来应跟深入试验研究分析选取碳化深度、抗压强度和劈裂抗拉强度作为指标,探究其耐久性及力学性能的变化规律。

2.4 硫酸盐侵蚀性能

喷射混凝土结构往往和富含硫酸盐的地下水进行接触,所以硫酸盐侵蚀也是造成隧道内喷射混凝土结构损伤或断裂的主要原因之一,而目前研究者最关心的问题就是由于硫酸盐侵蚀所引起的隧道内支护结构力学稳定性下降问题。隧道工程施工中,喷射混凝土的抗硫酸盐腐蚀特性与其微观构造、传输特性、孔隙率及其相互组成。

孤石峪隧道[68]中分别采用了各种粒径的矿渣、粉煤灰作为掺合料,并经过了干湿循环硫酸盐腐蚀测试,还研究并分析了喷射混凝土在硫酸盐侵蚀作用下的性能劣化规律,结果表明,经过180个干湿循环试验后,S95级矿渣-Ⅱ级粉煤灰、S105级矿渣-Ⅱ级粉煤灰试件质量和相对动弹性模量较初始状态均下降,损伤劣化严重,且微观形貌变化和孔隙较多,晶体内组织结构松散并且总体紧密度不好,经腐蚀的试件内产生了大量的裂纹,裂隙较大而深,腐蚀破坏较为严重。六盘山隧道[69]采用复合式高抗硫酸盐混凝土套拱为主的综合加固改造技术,研究表明,该技术可显著改善隧道的抗硫酸盐侵蚀能力,提高原衬砌支护结构的强度、刚度及稳定性,确保隧道运营安全。何家寨隧道[70]喷射混凝土在岩溶水环境中抗压强度下降显著,但与硫酸铝基无碱液体促进剂的结合在侵蚀试验中表现最佳,其最大抗压强度仅下降0.33%。就喷射混凝土衬砌而言,钙浸出可增加地下水的pH和钙离子浓度,导致CaCO3的形成和结晶。官田隧道[63]在喷射混凝土中掺入粉煤灰掺合料,试验表明,粉煤灰掺量为20%时,抗压强度耐蚀系数为83.6%,掺入粉煤灰可以提高水泥石的密实性,降低Ca(OH)2含量,提高喷射混凝土抗硫酸盐腐蚀性能。

总之,喷射混凝土的耐久性受到与混凝土相同的变量(材料组成、抗冻性、渗透性、养护环境等)因素的影响。由于隧道内存在围岩变形、渗水环境等不确定因素,致使衬砌结构可能发生开裂、化学腐蚀、漏水等病害,最终导致衬砌混凝土剥落,严重威胁到隧道衬砌结构使用寿命。目前对于喷射混凝土耐久性研究仅考虑特定环境,没有进行系统的研究。因此,综合研究喷射混凝土性能,改善喷射混凝土衬砌结构耐久性能具有重要意义。

3 结论与展望

通过对高性能喷射混凝土在国内外山岭隧道工程实例中应用现状综述分析,重点介绍了掺液体速凝剂、优化基础配合比设计及掺纤维增强材料3个方面提高隧道喷射混凝土力学性能;从抗渗性能、抗冻性能、抗碳化性能以及抗硫酸盐侵蚀性能4个方面改善隧道喷射混凝土结构耐久性。虽然进行了一部分工作,但仍存在问题需要进一步解决,基于山岭隧道高性能喷射混凝土应用研究的重要课题及未来发展方向总结如下。

(1)无碱液体速凝剂提高喷射混凝土力学性能方面,速凝剂在喷射混凝土施工中起到非常重要的作用,无碱液体速凝剂用于提高喷射混凝土早期强度,减少回弹,未来将向着新型高性能方向发展。针对提高喷射混凝土力学性能,研发与之相适应的绿色高性能速凝剂,使其结构更加密实,并合理控制结构开裂,减少胶凝材料和骨料的用量,降低粉尘污染的影响;研发出高性能喷射混凝土,切实发挥喷射混凝土的支护作用并具备结构功能。目前国内外对速凝剂检测方法和性能评价标准与指标存在不统一,试验的检测结论并不能反映现场喷射混凝土的喷射效果和工艺参数的合理性。需要进一步完善速凝剂性能评价指标,并根据施工现场环境变化即使调整。同时,其他外加剂如早强剂、缓凝剂等,轻质高强骨料、矿物掺和料等材料的研发与应用的机理研究具有现实探索价值,其他系列的水泥在喷射混凝土中的应用也值得关注。

(2)优化材料组分及掺加纤维增强材料提高喷射混凝土力学性能方面,纤维喷射混凝土施工工艺简单,与普通混凝土相比,可以大幅度提高其韧性和耐久性,还可以减少喷层厚度,降低回弹,节省了混凝土,具有良好的经济性和广泛的推广应用前景。未来可以从不同纤维长径比、施工工艺、不同温度环境对高性能喷射混凝土配合比设计的影响,从而进一步纵向研究各纤维最优掺量,并对实际工程应用提供参考。

(3)改善喷射混凝土耐久性方面,山岭隧道实际施工操作环境中,隧道喷射混凝土所在的条件通常受到各种腐蚀因素影响,虽然目前一些工作有涉及,但详细工作还没有开展。喷射混凝土作为初支结构的重要组成部分,在隧道施工及运营全过程中发挥着重要作用,完善喷射混凝土初期支护结构在复合式衬砌支护体系中的内涵和高性能化要求,是提高喷射混凝土耐久性并实现喷射混凝土工程百年耐久的必由之路。未来应根据实际施工需要研究多因素作用下的隧道喷射混凝土耐久性,为耐久性设计提供重要支撑。