摘 要:将湿喷钢纤维混凝土这一新工艺在太行山隧道施工中应用的全过程进行全面系统的总结和阐述。从湿喷钢纤维混凝土的工艺原理、隧道施工中湿喷钢纤维混凝土配合比选配、劳力和机具配备、施工工艺流程、技术质量控制等方面,充分说明湿喷钢纤维混凝土在太行山隧道施工中的优越性,以及良好的社会经济效益。
关键词:铁路隧道; 湿喷; 钢纤维混凝土; 应用
中图分类号:U455.48 + . 文献标识码:A
文章编号: .004 - 2954 (2007) 04 - 0033 - 05
1 概述
湿喷钢纤维混凝土( SFRS)施工技术近年来在国外发展很快,它将是今后喷射混凝土的发展方向,有完全取代传统的挂钢筋网干喷混凝土的趋势。我国在湿喷钢纤维混凝土的应用也逐渐增多,并作了一些使用湿喷钢纤维混凝土作为永久衬砌(挪威法)的尝试,取得了良好的效果和初步的经验。太行山特长隧道位于石太客运专线小寨车站和盂县车站之间,通过太行山山脉的主峰越宵山,隧道最大埋深445 m,设计为双洞单线隧道,两线线间距35 m,隧道全长27 839 m,是目前我国设计的最长山岭隧道。该隧道进口段围岩岩体破碎,裂隙发育,条件较差,设计采用湿喷钢纤维混凝土进行初期支护。在采用该技术进行施工过程中涉及到机械、混凝土材料、施工组织管理、支护理论、综合成本核算、人员培训、环保观念等众多方面,因此,湿喷钢纤维混凝土技术的推广应用是一项系统工程,同时需要正确理解工期、成本、质量、安全间的辩证关系。
2 工艺原理及特点
湿喷钢纤维混凝土适用于隧道及地下工程,高边坡、深基坑施工的临时支护,初期支护,永久支护或永久衬砌,亦可应用于有抗冲刷、抗腐蚀或抗震防爆等特殊要求的混凝土结构部位,以及既有混凝土设施的修补加强和表面防护。笔者以隧道工程湿喷钢纤维混凝土为例介绍如下。
2．1 工艺原理
湿喷钢纤维混凝土技术是在湿喷混凝土拌和料中掺入一定量的钢纤维及相应外加剂,采用泵送(稠流式)或风送(稀流式)作为湿拌混凝土料的压送喷射动力,在喷嘴处加入液态速凝剂和压缩空气喷射至岩面,钢纤维在喷射混凝土中呈二维随机方向均匀离散分布,通过混凝土与钢纤维的全长粘结和端头锚固作用,形成一种近乎均质,抗弯、抗拉、抗剪强度及抗冲击力性,抗渗性、抗收缩性、耐久性较好的混凝土- 钢纤维新型复合材料。这种混凝土- 钢纤维新型复合材料,在发生较大变形后仍能承担荷载,具有良好的韧性和裂后强度。
2.2 工艺特点
(1)湿喷钢纤维混凝土施工工艺具有粉尘少、回弹率低、水灰比准确、喷射混凝土质量稳定、外观平整等优点。
(2)湿喷钢纤维混凝土施工工艺改善了施工环境,省去了费时而危险的挂网作业,简化施工工序,机械化程度高,施工生产能力大,减少循环作业时间,使支护更加快捷、及时,提高了施工和结构的安全性,施工更加快速、安全、高效。
(3)湿喷钢纤维混凝土工艺改善了喷射混凝土的物理力学性能,湿喷钢纤维混凝土抗压、抗拉、抗弯强度较普通喷混凝土提高较大,同时具有很好的柔性和抗裂效应,允许变形量和残余强度较素喷混凝土大许多,能吸收较大的变形能,有利于充分发挥围岩的自承能力,并可降低喷层厚度(从既有经验看,可减少25%～30% ) 。
(4)湿喷钢纤维混凝土能很好地适应不规则岩面,使喷混凝土与岩面更加紧帖,避免了喷层后的空洞和钢筋网的腐蚀,同时大大地减少了喷混凝土填充量。
(5)湿喷钢纤维混凝土抗裂性、抗冲击性、抗渗性、抗冻融性和耐久性好,适合于作为永久衬砌,它也是应用挪威法的基本工艺之一。
3 配合比选配
3.. 原材料选用
原材料应符合国家标准《混凝土结构工程施工质量验收规范》(GB50204—2002)中的有关规定。
(1)砂子 可使用天然河砂或机制砂,含泥量小于5% ,片状云母含量小于2%。以平均粒径0.35 ～0．5 mm的中砂或中粗砂为宜(Mk = 2．5～3.3) ,体积质量密度大于1550 kg/m3 ,含水率5% ～7%,施工现场应堆放于防雨棚中。
(2)碎石 可使用天然河卵石或机制碎石,碎石中黏土和粉状物含量小于2%,大于设计最大骨料粒径1.5倍的针状物含量小于15% ,不得使用页岩。骨料最大粒径宜在10～16 mm,且小于喷头直径的1 /3和钢纤维长度的1 /2,并小于一次喷层厚度的1 /3。
(3)混合骨料 根据经验,回弹料中大部分为大于8mm的骨料,所以喷混凝土料中砂率应适当增大。
混合骨料按照美国规范(美国混凝土协会)推荐的级配,应符合表.中3种级配之一,其中级配一适用于细骨料湿喷钢纤维混凝土。
(4)水泥 一般使用符合国标《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》(GB175—1999)的普通硅酸盐水泥,水泥根据湿喷钢纤维混凝土设计强度等级和水泥凝结硬化情况选用,一般使用42．5级,最低不小于32.5级。应注意各种性能波动幅度大的水泥不得用于湿喷纤维混凝土生产,同时水泥中C3S和C2S含量不得低于40%和20%。水泥用量取决于混凝土设计强度和良好的和易性, 一般常用的水泥与混合骨料比为1∶3～1∶4.5。
(5)钢纤维 一般多选用长度25 ～40 mm,直径0.3～0.5mm,长径比60～80,本身强度大于1200MPa两端带弯钩的异型圆钢纤维。长径比和体积率越大,湿喷钢纤维混凝土力学性能越好,但超过一定限度会发生裹团和堵管,造成施工困难。钢纤维的掺量根据设计强度等级、钢纤维形状和长径比、基体(指砂、石、水泥)配合比、以及喷射工艺水平来选定,并且施工前做预施工试验,确定最优配合比。
(6)外加剂和掺加物 各种外加剂与水泥之间必须相互兼容,性能应符合现行国标《混凝土外加剂应用技术规范》(GB50119—2003)要求。
速凝剂:使用液态速凝剂,选用初凝时间适中、后期强度损失小、混凝土料和钢纤维回弹少、纤维定向好、粘结力强、一次喷层厚度大、含碱量低、性能稳定的速凝剂。速凝剂的掺量取决于速凝剂种类、受喷面的情况、环境温度、水泥类型和施工工艺要求(凝结时间、早期强度)等,由现场试验确定。
减水剂:湿喷钢纤维混凝土施工水灰比较大而又对喷混凝土坍落度要求高。施工中使用液态减水剂,以减少水泥和水用量,增加混凝土和易性、粘结性和可泵性,生产出流塑化的混凝土料,并保持坍落度,降低回弹率,提高湿喷钢纤维混凝土强度、耐久性,减少干缩裂缝,提高抗渗性。但是,大多数减水剂有缓凝作用,一般应根据实际情况与速凝剂混用。
硅粉:硅粉比表面积达20 m2 /kg以上,为普通水泥的50～60倍,可以用其取代部分水泥并适当增加水用量,以提高喷混凝土密实度,提高粘附力,降低回弹率,有利于泵送和喷射施工,并增加湿喷钢纤维混凝土的强度、抗渗性和抗冻性。
其他外加剂和掺加物:如超增塑剂、泵送剂、缓凝剂、稳定剂、防渗剂、粉煤灰等, 根据实际需要情况选用。
3.2 配合比设计
湿喷钢纤维混凝土的配合比设计采用计算试验法进行,应满足结构设计要求的抗压/抗拉强度或抗压/抗弯强度要求,可参照普通喷混凝土进行。配合比设计时,应严格控制水灰比,同时考虑混凝土的坍落度和施工性。为降低水灰比,一般应掺入减水剂。由于湿喷钢纤维混凝土的实际配合比不等同于设计配合比,故在正式施工前,根据工程实际情况和施工工艺水平,选取3～4种配合比(改变砂率、胶骨比和水灰比)进行现场施工预试验,实测湿喷钢纤维混凝土早后期力学性能、实际配合比和回弹率,分析比较后,从中选择满足工程要求和造价最低的最优配合比。一般来说,配合比参数变动范围如表2所示,需注意,选择适当的砂率是配比设计的非常重要的一环。
注: CW ———水泥用量,掺量与速凝剂类型有关。
4 工艺流程
4.1 工艺流程(图. )
4.2 施工准备
(1)受喷面处理 喷射作业前,进行受喷面危石处理(但不能过度,只需撬掉最松的石块) ,用高压水清洗岩面,埋设厚度检测桩。对于特别干燥的岩面,喷
射前应喷水至饱和状态。喷混凝土前,先喷一层厚5～10 mm、不低于湿喷钢纤维混凝土强度等级的水泥砂浆垫层,以减少回弹。
(2)机电检查 喷射作业前,进行电气和机械设备的检查或试运转,并做好工作面照明和通风工作。
(3)喷射平台 不使用机械手时,设置具有可以垂直升降和水平移动的喷射平台,并作好安全防护。
4.3 湿拌料投料搅拌和运输
湿拌料搅拌时投料顺序和方法应正确,使用强制式搅拌机搅拌充分,保证钢纤维分散均匀,一次搅拌量不大于额定搅拌量的80%。投料时按石、砂、水泥+钢纤维的顺序分3批投入,或者使用钢纤维加入机分散加入。为发挥外加剂的效果,外加剂应随后与20%～50%的拌和水一起加入拌和料中,不要加入干料中。
砂、石、水泥、钢纤维、硅粉干搅拌2 min以后,加入水和减水剂等搅拌3 min,拌制好的混凝土应和易性好,经试验,坍落度满足要求才可使用。
湿拌料制好后,应尽快运至工作面进行施喷,在运输过程中要不停地搅动以防止离析、泌水和坍落度降低过多,甚至凝固。湿拌料存放时间不超过2 h,采用罐车自动上料,但当湿喷机受料口较罐车出料口高时,应采用螺旋输送机上料;采用人工上料时,要配足人员,保持连续均匀上料。
4.4 喷射施工
(1)喷头工艺 喷头的工艺直接关系到湿喷钢纤维混凝土质量,应由经验足、技术熟的喷手操作,最好使用自动化机械手。喷头与受喷面的距离在1.0 ～2.0 m,角度控制在75°～90°,以90°为宜。喷射时,喷头作顺时针方向旋转(转动半径15～20 cm) ,一圈压半圈,纵向蛇行进行。
(2)喷射顺序 先补平坑洼低凹处,喷射时分段、分部、分块、分层进行,并按初喷、复喷(间隔4～6 h)分2次进行,初喷时先拱后墙,复喷时先墙后拱。
(3)喷射工作风压和喷射压力 喷射工作风压大容量湿喷机为0.4～0.7MPa,中小容量湿喷机在0.3～0.7MPa,工作风压的大小与喷射部位、管路长度等有关系。须注意,当使用TK - 96.湿喷机时,系统风压应≥0.5 MPa才能进行开机操作,否则容易堵管。
供风量使用大容量喷湿机≥12 m3 /min (0.7MPa时) ,中小容量湿喷机≥10 m3 /min (0.7MPa时) ,喷射压力为0.3～0.5MPa。
(4)速凝剂掺入 液态速凝剂由自动计量掺入设备在喷嘴处掺入,但TK - 96.湿喷机须人工预先调动计量泵调节表盘,设定设计流量。
(5)一次喷层厚度 边墙一次喷层厚度7 ～15cm,拱部5 ～8 cm,应在前一层终凝后才进行后一层施喷。
(6)湿喷钢纤维混凝土养护 湿喷钢纤维混凝土终凝后2 h开始养护,保持表面为湿润状态,可选用喷雾湿润或盖薄膜法养护,时间为10～14 d。当相对湿度> 85%时,可采用自然养护,而当气温低于+ 5 ℃时,不得洒水养护。
4．5 回弹料的处理
回弹料不能重新作为湿喷钢纤维混凝土原材料,喷射后及时清运。
5 机具配备
湿喷钢纤维混凝土机具配备应合理,形成综合机械化施工作业线。根据实际需要,选用中小容量(实际生产能力4～10 m3 /h)或大容量(实际生产能力大于10 m3 /h)湿喷机。根据国内外应用情况看,国产的风送型转子活塞式湿喷机(如TK - 961)已大量生产推广应用,国外的泵送型活塞式湿喷机已普遍推广应用,但其对砂石料级配和混凝土和易性要求高,一般需配备机械手。
在大断面和软弱围岩隧道情况下,应使用遥控自动化机械手,以减轻劳动强度和改善施工作业条件。机械手自动化程度和精度越高越好,要求具有俯仰、摆动(画图) 、伸缩、升降以及自动旋转的功能。
(1)使用大容量湿喷机,主要机具设备见表3。
这种机具配备方案机械化程度高(有的湿喷机甚至配置空压机等辅助设备) ,生产能力大,但投资大,灵活性较差,清洗维修较难,适用于喷混凝土量大的大中型土木工程如铁路双线隧道等工程。
(2)使用中小容量湿喷机,主要机具设备见表4。
这种机具配备方案生产能力相对较小,一般可不配备喷混凝土机械手,投资小,机动灵活,维修方便,对喷射混凝土施工和机械管理水平要求相对较低,适用于喷混凝土量不大的中小型土木工程如铁路单线隧道等工程。
6 劳动力组织(表5 )
表5 劳动力组织
注: (1)不包括湿喷机机械工程师及其他辅助人员,如空压机司机、电工、试验员等。
(2)湿喷钢纤维混凝土施工作业时,现场应有技术员进行技术指导和生产组织。
(3)实际上,中小容量湿喷机也有不少情况使用机械手。
7 技术措施
7.1 技术要求
(1)严格按ISO9000 标准进行进货检验和试验,并进行人员培训,未经培训人员不能进行湿喷钢纤维混凝土喷射作业。
(2)施工前进行水泥与速凝剂间兼容性、凝结时间试验,以及人员、设备、材料能力配置评估。
(3)骨料应规范,级配好,干净,过筛;钢纤维表面应洁净,不得生锈。
(4)原材料计量准确,计量误差水泥、钢纤维、水、硅粉< 2% ,砂、石< 3%,速凝剂、减水剂< 0.5% ,宜使用自动计量配料机,称量后立即拌料。
(5)严格控制混凝土料搅拌时间。
(6)钢纤维搅拌均匀,不能有结团;混凝土运送过程中保持搅拌。
(7)速凝剂使用自动计量设备稳定掺入,优先选用具有“粘度衰减效应”的种类,使刚喷射的混凝土具有可塑性和触变性,表面软,能与后喷射的混凝土较好的粘合,降低回弹率。
(8)在实际施工中,取得工作风压、送料速度、喷射距离与喷混凝土质量、回弹率之间的参数关系,并作出适当调整。
(9)使用湿喷钢纤维混凝土作永久衬砌时,要求光爆成型好。
(10) 厚度检测不够时, 采用加厚喷层的办法处理。
(11)做好湿喷钢纤维混凝土施工记录。
7.2 问题处理
(1)预防堵管
因为掺入钢纤维的影响,施工中很容易堵管。防止堵管应做到:严格筛选骨料;严格控制水灰比;保证风压正常;保持管路顺直;钢纤维搅拌均匀,不能有结团;每次作业完成或中间长时间停止作业,均要用水清洗机具设备,防止凝固。为满足现场随时需要喷混凝土和避免混凝土在管路中凝固而频繁清洗湿喷机和管路,可使用调节混凝土凝结时间的缓凝- 促凝体系。
(2)岩面渗漏水处理
湿喷钢纤维混凝土由于水灰比较大,对渗漏水岩面的适应性相对不如干喷。施工中采用“导、集、排、引、堵”相结合的方法处理,即对微量分散的水,采用挖浅槽导流汇集排出;对较小量集中的水,采用钻孔插入小导管引出;对较大量的水,采用钻孔注浆封堵。总之,有渗漏水的岩面,喷混凝土前必须做好水的处理,以保证湿喷钢纤维混凝土的质量。
(3)掉块处理
除了减少一次喷层厚度以外,还要检查风压、配合比,尤其是速凝剂掺量和水灰比是否正常。
(4)减少钢纤维回弹
减少钢纤维回弹就是使钢纤维的回弹不超过集料的回弹,应优化配合比设计,选用较细的骨料和长径比较小的钢纤维,增加水泥用量和掺入硅粉,适当降低风压,同时,保证速凝剂掺量正常,机械状态良好。
8 质量控制
8.1 检验与试验
(1)预施工试验
选定满足设计和现场要求的最优配合比和适用的原材料,主要检验和试验项目有:粗骨料最大粒径、细骨料级配和模数、水泥品种和强度等级、外加剂品种和掺量、混凝土坍落度、湿喷钢纤维混凝土早期和后期强度、外加剂之间及其水泥间的兼容性。同时,检查喷射系统的运转情况,并量测回弹率和粉尘量。
湿喷钢纤维混凝土早期和后期强度试验方法:施工前选择3～4种不同的配合比,进行现场试喷射作业,现场喷打板制作标准试件(150 mm ×150 mm ×150mm,每一种配比至少取3个试件) ,按标准养生,进行7 d和28 d强度试验。要求试件抗压强度大于1.2倍设计强度。
(2)施工中的检验和试验
①骨料检验
检查粗骨料粒径、细骨料模数、骨料级配是否满足施工要求,每批进货检查.次。
②坍落度试验
每次喷射前检查。
③配合比检验
评估拌和料和新鲜湿喷钢纤维混凝土中水泥、骨料的真实比例,每1000 m3 进行.次。
④实际钢纤维含量和回弹率检验
每50m3 进行一次实际钢纤维含量检验。检验过程如下:随机取10 L未凝固湿拌料,洗净烘干,冷却后用磁石吸出钢纤维称重;随机取10 L 未凝固回弹料,洗净烘干,冷却后用磁石吸出钢纤维称重;比较两者含量,计算实际钢纤维含量。
回弹率是一项重要的技术经济指标,采用实验板(1 m ×1 m)进行10 cm标准厚度实际检测,应达到拱部一般< 10% ,最大15%;边墙一般< 5% ,最大< 8%的水平。
⑤表观质量观测和厚度检验
施工后进行湿喷钢纤维混凝土表观质量目测检查。湿喷钢纤维混凝土厚度检验有两种方法:标桩法和钻孔法。检测桩布设密度按纵向2 m /根;钻孔时,按表6所述间距随机取.个检测断面(每个断面至少5个点,起拱线以上至少3个点) 。
(3)力学性能试验
用于力学性能试验的试件采用大板切割法制作,制作时喷射方向应垂直于大板。
①抗压强度
每循环(或每5 m3 ) 拱部及两边墙各取. 组( 3块)标准试件(150mm ×150 mm ×150 mm) ,标准养护条件下作7 d和28 d标准抗压强度试验。为测定实际湿喷钢纤维混凝土结构物的抗压强度,采取钻孔取芯机钻取芯样( <100 mm,高100 mm) ,取有工程质量代表性的点至少3个作抗压强度试验。
②韧性试验
弯曲韧度是湿喷钢纤维混凝土较素喷混凝土性能改善最为显著的方面,弯曲韧度指数最能反映湿喷钢纤维混凝土的性能。进行湿喷钢纤维混凝土弯曲韧度试验,每项工程至少进行6组,应全部满足要求。制作标准试件(150mm ×150mm ×550mm)作静跨450mm三分点对称加载弯曲试验,并绘制荷载- 挠度曲线,求取弯曲韧度指数I.0 和I30 (分别对应变形达5.5δ、15.5δ时的韧度除以初裂韧度的商值,δ为初裂韧度) ,计算R30 /10 = 5 ×( I30 - I.0 ) 。
在工程实际中,由于韧度试验设备要求高,只要按照设计规定的弯曲韧度和钢纤维特征图(弯曲韧度指数- 钢纤维掺量曲线关系图) ,通过试验确定钢纤维类型和掺量后,检验喷层厚度和钢纤维含量就能达到弯曲韧度质量控制的要求,但钢纤维必须使用正规厂家生产的标准产品。
③粘结性试验
采用钻孔取芯法检查湿喷钢纤维混凝土与受喷面的粘结情况,若能钻取到连续不间断的整体岩芯包括岩石和喷层,且观察岩石与喷层间无空洞,则表明粘结性能良好。
8.2 质量标准(表7 )
9 效益分析
对湿喷钢纤维混凝土的社会经济效益分析,要从湿喷机购置费、混凝土材料价格、进度、质量、安全、环保和节约材料等方面综合分析,以太行山隧道为例进行简要分析。
太行山隧道进口段起讫里程DK69 + 255 ～DK73+ 20. (YDK69 + 27.～YDK73 + 20.) ,为线间距35 m的2座单线隧道,隧道洞身穿过泥质条带灰岩、竹页状灰岩及白云岩地层,洞口部分Ⅲ、Ⅴ级围岩长592 m。Ⅴ级围岩岩体破碎,裂隙发育,主要为碎石土; Ⅲ级围岩薄至中厚层状,弱风化,岩体呈块状结构,岩层平缓,拱顶易坍塌落石。以上部分围岩条件较差,隧道最大开挖断面宽11.6 m,高11.8. m,采用湿喷钢纤维混凝土进行初期支护。
湿喷钢纤维混凝土使用42.5级普通硅酸盐水泥;采用为贝卡尔特ZP305型钢纤维,长度为30 mm,直径为0.5 mm,长径比为60,单根抗拉强度≥1100MPa,两端带有弯钩;减水剂为上海麦司特SG型减水剂;速凝剂为上海麦司特TCC766型液体速凝剂。施工配合比见表8。主要施工机具为:国产TK - 96.型湿喷机(理论生产率5 m3 /h ) , JZC750 强制搅拌机, 寿力LS25S - 350H型移动空压机,五十铃CXZ6MC混凝土输送车,无轨运输方式。
经现场试验, 7 d和28 d平均强度分别为18.9、25.5MPa, 28 d平均强度标准偏差仅为0.6MPa,变异系数为1.2% ,质量稳定优良。湿喷钢纤维混凝土在本工程的应用,大大地缓解了工期矛盾,改善了作业环境,减轻了通风压力,社会经济效益明显(表9) 。
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