房敦敏，唐國(guó)杰

（1.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州，311122；2.浙江水專(zhuān)工程建設(shè)監(jiān)理有限公司，浙江杭州，310051）

0 引言

錦屏二級(jí)水電站共有4條引水隧洞，平均長(zhǎng)約16.67 km，大部分洞段為大理巖。引水隧洞一般埋深1 500～2 000 m，最大埋深達(dá)2 525 m。由于引水隧洞埋深大、地應(yīng)力高，隧洞開(kāi)挖后應(yīng)力重分布造成局部洞段表層圍巖形成一層密布的魚(yú)鱗狀突起；部分洞段表層圍巖破裂（破碎）程度遠(yuǎn)較一般淺埋隧洞嚴(yán)重，導(dǎo)致噴射混凝土與圍巖之間粘聚力相對(duì)較差，頻繁發(fā)生噴層反復(fù)脫落，初噴采用常規(guī)噴射混凝土實(shí)際支護(hù)效果不明顯。上述各種現(xiàn)象導(dǎo)致圍巖與噴層、襯砌之間不能有效傳力，圍巖、支護(hù)破壞的可能性增加。因此需要選取一種能較好適應(yīng)本工程地質(zhì)條件的噴射混凝土。

1 新型噴射混凝土材料現(xiàn)場(chǎng)使用需求

錦屏二級(jí)水電站4條引水隧洞中2條采用鉆爆法施工，另外2條從東端開(kāi)始采用TBM施工。對(duì)于鉆爆法施工洞段，表層巖體松弛程度較TBM掘進(jìn)段嚴(yán)重，意味著鉆爆法開(kāi)挖洞段表層巖體松弛掉塊、乃至小規(guī)模塌方的風(fēng)險(xiǎn)較TBM洞段高，因此對(duì)初噴混凝土的抗沖切韌性要求較高。引水隧洞中部強(qiáng)烈～極強(qiáng)巖爆等不良地質(zhì)洞段或高地應(yīng)力問(wèn)題突出的其他洞段，可復(fù)噴納米鋼纖維或粗纖維混凝土，以降低巖爆的滯后施工風(fēng)險(xiǎn)，避免人工掛網(wǎng)的不利影響。對(duì)于TBM洞段，受TBM設(shè)備限制，噴射鋼纖維混凝土存在很大困難，要求所選混凝土流動(dòng)性較好，易長(zhǎng)距離泵送，因此需要考慮摻加聚丙烯微纖維和有機(jī)仿鋼纖維材料的可能。同時(shí)掘進(jìn)段特別是L1區(qū)噴射混凝土對(duì)設(shè)備污染較大，因此要求噴射相對(duì)少的混凝土達(dá)到最大的支護(hù)效果，或同樣厚度的噴射混凝土要提供更大的支護(hù)力。TBM快速掘進(jìn)的要求也對(duì)所選用混凝土的性能要求較高，要求噴射混凝土一次性施噴厚度大，應(yīng)在短時(shí)間內(nèi)完成設(shè)計(jì)噴層厚度。

根據(jù)工程實(shí)際，為盡可能控制大理巖表層脆性破壞、限制圍巖滯后破壞的發(fā)展，確保隧洞永久襯砌結(jié)構(gòu)安全，需要加強(qiáng)噴錨支護(hù)的及時(shí)性和有效性，從而對(duì)隧洞的支護(hù)體系設(shè)計(jì)提出了更高的要求，即支護(hù)措施需施工更便捷、快速，在更短時(shí)間內(nèi)達(dá)到快速支護(hù)的目的。

目前可應(yīng)用于工程的噴射混凝土種類(lèi)越來(lái)越多，相應(yīng)的噴射設(shè)備也有了很大的改進(jìn)。從改善噴射混凝土性能的角度出發(fā)，可在混凝土中摻加一些外加劑或纖維材料，主要有減水劑、速凝劑、早強(qiáng)劑、硅粉、無(wú)機(jī)納米材料、鋼纖維、聚丙烯微纖維、增韌型聚丙烯合成粗纖維（又稱(chēng)有機(jī)仿鋼纖維）等，以期能更好地適應(yīng)工程需要。

實(shí)踐證明，噴射混凝土中摻加有機(jī)仿鋼纖維材料后有如下優(yōu)點(diǎn)：可以部分替代鋼筋網(wǎng)、鋼纖維的防裂和增強(qiáng)功能，施工更加經(jīng)濟(jì)、省時(shí)、方便；能夠抑制混凝土塑性收縮及干縮裂縫，提高混凝土抗凍融能力、抗疲勞性、抗?jié)B透性、抗磨、抗碎裂、抗沖擊性能，有抗彎增強(qiáng)和輔助增強(qiáng)功能；能夠提高混凝土的支撐性能和粘結(jié)性能，產(chǎn)生有效的二級(jí)加強(qiáng)效果；提供較高的混凝土殘余強(qiáng)度，改善混凝土的耐久性；泵送容易，不易磨損管道，減少回彈等。

2 現(xiàn)場(chǎng)配合比試驗(yàn)及支護(hù)力估算

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)度安排及工程施工需要，在室內(nèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，確定選用素混凝土，單摻無(wú)機(jī)納米外加劑噴射混凝土，雙摻無(wú)機(jī)納米材料、有機(jī)仿鋼纖維噴射混凝土，雙摻無(wú)機(jī)納米外加劑、鋼纖維噴射混凝土，雙摻硅粉、有機(jī)仿鋼纖維混凝土噴射混凝土，雙摻硅粉、鋼纖維噴射混凝土等6種噴射混凝土進(jìn)行詳細(xì)的現(xiàn)場(chǎng)試噴射試驗(yàn)論證。

試驗(yàn)結(jié)果表明，納米+有機(jī)仿鋼纖維的力學(xué)性能相對(duì)較好，不同廠(chǎng)家外加劑品種、不同廠(chǎng)家有機(jī)仿鋼纖維品種對(duì)混凝土強(qiáng)度及其他性能影響較小，硅粉+有機(jī)仿鋼纖維性能略差于納米+有機(jī)仿鋼纖維；摻加有機(jī)仿鋼纖維或鋼纖維的混凝土力學(xué)性能優(yōu)于納米混凝土、素混凝土，符合一般認(rèn)識(shí)；雙摻無(wú)機(jī)納米外加劑和鋼纖維噴射混凝土各項(xiàng)指標(biāo)值均較優(yōu)，但造價(jià)也最高。

試驗(yàn)過(guò)程中，根據(jù)試驗(yàn)取得的各項(xiàng)有效數(shù)據(jù)，按照噴層支護(hù)力的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)估算公式，對(duì)比計(jì)算納米混凝土、納米有機(jī)仿鋼纖維混凝土、硅粉有機(jī)仿鋼纖維混凝土、硅粉鋼纖維混凝土等可用于引水隧洞工程的四類(lèi)高性能?chē)娚浠炷恋闹ёo(hù)力，詳見(jiàn)表1。由于各個(gè)經(jīng)驗(yàn)估算公式中支護(hù)力一般與抗壓、抗拉強(qiáng)度等指標(biāo)呈簡(jiǎn)單的線(xiàn)性關(guān)系，因此估算過(guò)程中僅進(jìn)行相關(guān)噴射混凝土指標(biāo)值的對(duì)比。

根據(jù)表1的試驗(yàn)結(jié)果，可得到如下初步結(jié)論：

（1）按照抗沖切作用考慮，主要對(duì)比各類(lèi)型噴射混凝土抗拉強(qiáng)度指標(biāo)，納米鋼纖維混凝土最優(yōu)，納米有機(jī)仿鋼纖維混凝土次之，硅粉有機(jī)仿鋼纖維混凝土相對(duì)最差。

（2）按照粘結(jié)破壞作用考慮，主要對(duì)比各類(lèi)型噴射混凝土與圍巖的粘結(jié)強(qiáng)度指標(biāo)，在這方面納米混凝土表現(xiàn)略好，分析主要原因可能是由于混凝土中摻加纖維，導(dǎo)致混凝土與圍巖接觸面減少，由此導(dǎo)致纖維混凝土與圍巖的粘結(jié)強(qiáng)度下降。

（3）按照剪切破壞作用考慮，主要對(duì)比各類(lèi)型噴射混凝土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，納米鋼纖維混凝土最優(yōu)，納米有機(jī)仿鋼纖維混凝土次之，硅粉有機(jī)仿鋼纖維混凝土相對(duì)差。

（4）按照支撐作用考慮，主要對(duì)比各類(lèi)型噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度指標(biāo)，納米鋼纖維混凝土最優(yōu)，納米+有機(jī)仿鋼纖維混凝土次之，硅粉有機(jī)仿鋼纖維混凝土相對(duì)較差。

按照上述4種經(jīng)驗(yàn)估算方法得到了噴射混凝土的抗沖切破壞、粘結(jié)破壞、抗剪切破壞、支撐破壞支護(hù)力對(duì)比，從純性能指標(biāo)優(yōu)劣來(lái)看，納米鋼纖維混凝土無(wú)疑最優(yōu)，但是從技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度來(lái)看，納米+有機(jī)仿鋼纖維混凝土綜合性能最佳，硅粉有機(jī)仿鋼纖維混凝土相對(duì)最差。

納米+有機(jī)仿鋼纖維混凝土的試驗(yàn)成果數(shù)據(jù)及推薦配合比列于表2、表3。

表1 噴射混凝土支護(hù)力經(jīng)驗(yàn)估算成果表（單位：MPa）Table 1 Empirical estimation of support force of shotcrete

表2 現(xiàn)場(chǎng)噴射納米有機(jī)仿鋼纖維混凝土性能試驗(yàn)成果表（大板試驗(yàn)）Table 2 Field performance test of organic synthetic fiber reinforced shotcrete

表3 噴射納米有機(jī)仿鋼纖維混凝土推薦配合比表Table 3 Recommended mix proportion of organic synthetic fiber reinforced shotcrete

3 材料性能指標(biāo)要求

根據(jù)工程需要，采購(gòu)的有機(jī)仿鋼纖維材料物理力學(xué)性能指標(biāo)應(yīng)滿(mǎn)足表4所列各指標(biāo)要求。

表4 有機(jī)仿鋼纖維物理力學(xué)性能指標(biāo)表Table 4 Physical and mechanical performance indicators of organic synthetic fiber

纖維材料的其他要求要滿(mǎn)足GB/T 21120-2007《水泥混凝土和砂漿用合成纖維》的相關(guān)要求，如對(duì)材料本身的環(huán)保要求等。

CF30納米有機(jī)仿鋼纖維噴射混凝土抗裂抗沖擊韌性應(yīng)滿(mǎn)足以下指標(biāo)要求：（1）裂縫降低系數(shù)≥55%；（2）彎曲韌度指數(shù)I5≥3；（3）抗沖擊次數(shù)比≥3.0（相對(duì)于基準(zhǔn)混凝土）。

4 納米有機(jī)仿鋼纖維混凝土在錦屏二級(jí)水電站引水隧洞工程中的應(yīng)用

錦屏二級(jí)水電站引水隧洞工程圍巖特性及其潛在支護(hù)需求決定了賦存高地應(yīng)力、高外水壓力的引水隧洞所選用的噴射混凝土應(yīng)具備早強(qiáng)、粘結(jié)強(qiáng)度高、可施噴性好、抗沖擊韌性好、抗拉強(qiáng)度高等特點(diǎn)，因此高地應(yīng)力洞段首先應(yīng)選用摻加纖維的混凝土類(lèi)型。

根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行的噴射混凝土配合比試驗(yàn)成果，C25素混凝土、C30納米混凝土及硅粉有機(jī)仿鋼纖維混凝土因性能指標(biāo)值較差而予以排除，納米鋼纖維混凝土各項(xiàng)指標(biāo)值較優(yōu)，但是單價(jià)最高，而且該類(lèi)型混凝土在TBM洞段大范圍使用存在一定的困難?？紤]到納米有機(jī)仿鋼纖維混凝土在試驗(yàn)成果中所表現(xiàn)出的良好力學(xué)性能及與TBM設(shè)備的良好適用性，引水隧洞TBM開(kāi)挖洞段及鉆爆法開(kāi)挖洞段中潛在巖爆洞段或高應(yīng)力問(wèn)題突出的洞段選用納米有機(jī)仿鋼纖維混凝土作為主要的噴射混凝土類(lèi)型之一。

在引水隧洞開(kāi)挖過(guò)程中，特別是TBM掘進(jìn)洞段，大量使用納米有機(jī)仿鋼纖維混凝土作為初期噴射混凝土，加快了施工進(jìn)度，確保了施工安全，技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能顯著。

5 結(jié)語(yǔ)

錦屏二級(jí)引水隧洞由于存在地應(yīng)力高、地下水發(fā)育等工程地質(zhì)條件，需要更具針對(duì)性的噴射混凝土與之相適應(yīng)，所選用的噴射混凝土應(yīng)既能實(shí)現(xiàn)快速支護(hù)、起強(qiáng)快，還需具有較強(qiáng)的抗沖擊韌性等性能，對(duì)初噴混凝土材料的性能提出了更高的要求。

根據(jù)配合比試驗(yàn)成果，選用了納米有機(jī)仿纖維混凝土作為引水隧洞工程主要噴射混凝土類(lèi)型之一，主要應(yīng)用于TBM掘進(jìn)洞段及鉆爆法潛在巖爆洞段或高應(yīng)力問(wèn)題突出的洞段。

從現(xiàn)場(chǎng)使用納米有機(jī)仿鋼纖維混凝土的效果來(lái)看，TBM設(shè)備不再頻繁發(fā)生堵管事件，在確保支護(hù)效果有效性的前提下提高了施工效率；鉆爆法洞段避免了人工掛網(wǎng)的潛在風(fēng)險(xiǎn)，抗沖擊韌性較普通噴射混凝土有明顯提高。此外，納米有機(jī)仿鋼纖維混凝土回彈相對(duì)較少，一次性噴射厚度大、起強(qiáng)快，短時(shí)間內(nèi)可盡快提高支護(hù)力，在地下水發(fā)育洞段也較適用。

[1]華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.引水隧洞噴射混凝土設(shè)計(jì)變更報(bào)告[R].2010.

[2]錦屏水電工程?hào)|端中心試驗(yàn)室.錦屏二級(jí)水電站東端引水隧洞工程新材料噴射混凝土配合比及性能試驗(yàn)專(zhuān)題匯總報(bào)告[R].2010.

[3]閆莫明.巖土錨固技術(shù)手冊(cè)[M].北京:人民交通出版社,2004.

[4]中國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)巖石錨固與注漿技術(shù)專(zhuān)業(yè)委員會(huì).錨固與注漿技術(shù)手冊(cè)[M].北京:中國(guó)電力出版社,2003.

[5]CECS 38-2004,纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[6]GB/T 21120-2007,水泥混凝土和砂漿用合成纖維[S].

[7]GB 50086-2001,錨桿噴射混凝土技術(shù)規(guī)范[S].