钢纤维喷射混凝土在某水电站引水隧洞工程施工中的应用

　　［摘要］钢纤维混凝土作为一种新型复合材料，已成为混凝土科学发展的一个方向，并以其良好的抗裂性、弯曲韧性、抗托与抗弯强度等性能，正广泛应用于各类工程建设领域。本文根据某水电站引水隧洞的地质条件及施工现状，提出对Ⅳ类围岩洞段可用钢纤维喷射混凝土替代网喷混凝土的支护处理方案，在实际施工过程中取得了良好的效果。 

　　［关键词］Ⅳ类围岩网喷混凝土 钢纤维喷射混凝土 效果评价

　　1 工程概况

　　某水电站位于四川省境内的木里河（雅砻江支流）上，是木里河六个梯级电站中的第三级。该水库采用低闸引水式发电，电站装机4 台，单机容量60MW，总装机容量240 MW。电站枢纽工程由首部枢纽、引水系统、地面厂房系统等建筑物组成。引水系统由引水隧洞、调压室、压力管道组成。引水隧洞布置在右岸，从进水口至调压井，全长18.7km，为有压圆形洞，衬砌后的过水断面为7.2m（最大开挖断面达8.4m）。

　　2 引水隧洞区工程地质条件

　　引水隧洞沿线出露岩性主要为奥陶系下统瓦厂组（O1W）板岩夹变质石英砂岩、千枚岩，人公组（O1r）的变质石英砂岩夹板岩、千枚岩，少量三叠系下统领麦沟组（T1l）的板岩夹千枚岩、硅质板岩，志留系（S1）的板岩夹千枚岩、硅质岩，岩层总体产状：330°～320°SW∠30°～50°。引水隧洞沿线地层岩性以板岩夹千枚岩为主，部分为中厚～厚层状变质石英砂岩。

　　引水隧洞沿线发育4 条规模较大横切隧洞的断层—圆宝山断层、尼都断层、机落断层、茶布朗断层，破碎带一般宽约20～40m，其中机落断层宽达100～200m，由碎裂岩、糜棱岩、角砾岩、少量断层泥组成。隧洞区层间剪切错动带及各类结构面均较发育，地层揉皱强烈。

　　由于该电站引水隧洞线路较长，地质条件相对较差，隧洞围岩以Ⅳ类、Ⅴ类为主，占引水隧洞全长的65%，为确保工程进度和施工安全，根据不同的围岩地质情况，将Ⅳ类围岩洞段由原设计的网喷混凝土支护改为钢纤维喷混凝土支护，取得了满意的效果。具体内容介绍如下：

　　3 钢纤维喷射混凝土的力学性能及喷射方法选定

　　3.1 钢纤维喷射混凝土的力学性能

　　钢纤维喷射混凝土是在普通喷射混凝土的拌合料中加入一定量无定向分布的钢纤维，经喷射机和输料管在喷头处加入适量水（干喷法）后直接喷射到工程结构物面上的一种混凝土施工工艺。这些无定向分布的钢纤维起到了微型配筋的作用，能增强混凝土之间的握裹力和锚固力，从而有效地阻碍混凝土内部微裂缝的扩展及宏观裂缝的形成，钢纤维起到了代替钢筋网或钢筋的作用，显著地改善了混凝土的抗拉、抗弯、抗冲击及抗疲劳性能，具有较好的延性。由于采用高压喷射工艺，在水源、集料的反复连续撞击下而使混凝土挤压密实，同时采用的水灰比较小（0.42），因而具有较高力学强效和良好的耐久性，尤其与混凝土、岩石有较高的粘结强度，非常适用于地质条件较差的洞室和边坡的喷射支护。

　　3.2 钢纤维喷射混凝土方法的选定

　　喷射钢纤维混凝土施工方法分干喷法和湿喷法两种。干喷法施工特点：设备简单，易于施工，但施工环境粉尘大，混凝土水灰比不易严格控制，且材料回弹损失稍大。

　　湿喷法是将一定级配的混合料在搅拌机中加以搅拌均匀后的湿料经喷射机及管道从喷嘴中喷出，其特点混凝土水灰比易控制，施工环境粉尘小，材料回弹损失少，但设备价格较贵。

　　经综合比较后，针对本电站施工特点，最终采用干喷法。

　　4 钢纤维喷射混凝土的材料选定及配合比试验

　　4.1 材料选定

　　（1）钢纤维：采用重庆宜筑商贸有限公司生产的普通碳钢钢纤维，长度20～40mm，直径0.53～0.57mm，长径比64，抗拉强度1 145～1 545MPa。该材料经中国水电五局中心试验室检测，检测结果合格。

　　（2）骨料：采用现场紫坪公司生产的人工骨料，岩性以灰岩为主。砂的细度模数FM=3.2，含泥量1．8%，级配良好；粗骨料粒径规格为5～20mm，针片状含量5．8%，压碎指标值6．8%，含泥量0.5%。 [Page]

　　（3）水泥：选用峨嵋水泥厂生产的普通硅酸盐32.5R 水泥，规范要求钢纤维混凝土水泥采用强度等级42.5MPa 普通硅酸盐水泥，因峨嵋普通硅酸盐32.5R 水泥的强度等级已经达到42.5MPa 的指标，故可以使用。

　　（4）矿物掺合料：混凝土中加入钢纤维之后，其流动性会变差，且为泵送施工，需利用矿物掺合料的叠加效应，优化搅拌、运输和施工工艺。粉煤灰能减少混凝上干缩和徐变；在保证混凝土强度不变的前提下减少水泥的用量，从而降低混凝土的水化热。本工程掺用四川达竹煤电集团生产的散装Ⅱ级粉煤灰作为掺合料，其细度不大于20%，需水量不大于105%。

　　（5）速凝剂：选用昆明声威外加剂有限公司生产的SW 红星一号速凝剂。

　　（6）拌合水：可饮用自然水。

　　4.2 喷射素混凝土与钢纤维喷射混凝土的对比试验

　　原素喷混凝土设计强度等级为C20，于现场进行了配合比及28d 抗压强度试验（见表1），钢纤维混凝土配合比要考虑设计要求的抗压、抗折等级，还要顾及施工方便。在常用的C20 泵送混凝土配合比基础上，调整砂率，适当增加胶凝材料的总量，共试拌A、B、C 三组配合比试验（见表2）。通过综合比较试拌混凝土的抗压、抗折强度、和易性、钢纤维分布情况等，最终确定泵送钢纤维混凝土配合比（见表3）。

　　在完成室内试验，选定最佳配合比后，必须从原材料进场检测，混凝土搅拌站计量上料、拌合、出料坍落度检测、混凝土试件留取、泵送混凝土运输、施工现场作业、以及混凝土养护等工序入手，严格控制各道工序，确保现场施工质量。

　　5 钢纤维喷射混凝土的施工方法及效果评价

　　5.1 钢纤维喷射混凝土的施工方法 [Page]

　　施工时采用分回次进行喷射，每一段长约3m 左右，每段间搭接长30cm，每一喷层厚度3～5cm。为控制回弹率并提高混凝土与岩面的粘结强度，在喷前基岩面上喷一层约1cm 厚的水泥砂浆。喷射时，喷嘴距岩面约0.8～1.0m，喷射角度为70～90°。

　　5.2 钢纤维喷射混凝土的效果评价

　　5.2.1 喷射质量比较

　　由于隧洞围岩地质条件普遍较差，构造发育，层间挤压揉皱、错动较强，光爆效果不够理想，开挖面起伏度较大，如果采用网喷混凝土，由于钢筋网很难形成岩面轮廓，和岩面距离不易控制，而采用钢纤维喷混凝土可以沿凸凹面均匀喷射，与岩面间粘结良好，支护质量较高。

　　5.2.2 进度安全比较

　　常规网喷混凝土作业，挂设钢筋网的时间为网喷混凝土总时间的1/2，采用钢纤维喷射混凝土，可节省挂网的时间，避免了在破碎岩体挂网的危险，缩短了施工周期和设备运转时间，同时，由于钢纤维喷射混凝土具有较好的抗裂性能，能较好的适应洞内的变形，特别在破碎岩体部位，爆破后的及时支护，能以最快速度起到加固作用，更能保证施工安全。

　　5.2.3 性能比较

　　隧洞钢纤维喷射混凝土强度试验成果表明，钢纤维喷射混凝土相比钢筋网喷射混凝土其性能改善和提高了许多：

　　(1)钢纤维喷射混凝土的抗压强度，在同等标号情况下均比普通网喷混凝土要好得多。

　　(2)抗拉、抗折变形性能得到有效改善，一旦钢纤维混凝土出现裂缝，钢纤维的作用更加明显，能发挥较好的阻裂作用。

　　(3)以往采用钢筋网喷射混凝土存在集料回弹大以及施工易出空洞，钢纤维喷射混凝土较好地解决了这些问题。钢纤维喷射混凝土具有较好的韧性，当结构受力达到极限强度后随着变形的发展仍将保持一定的承载能力，它的韧性对围岩的变形具有良好的吸收能力，有利于在与围岩的共同变形中建立起新的平衡。

　　6 结语

　　（1）两者仅从材料费用考虑，钢纤维喷射混凝土费用较高，但钢纤维喷射混凝土具有支护快速、及时，喷层混凝土力学性能优良和围岩粘结强度高等特点，这对确保施工安全、加快施工进度都有显著的效果；大大避免了钢筋网对施工质量、回弹以及岩面存在空洞等不利影响；省去了铺设钢筋网的工序，提高了劳动效率，无论从经济上还是技术上都具有一定的优势。

　　（2）采用钢纤维喷射混凝土不仅抗折强度有所提高，而且韧性好，具有良好的吸收适应变形能力，可防止岩块的塌落，对围岩的变形有很强的适应能力。

　　（3）由钢纤维喷射混凝土组成的衬砌结构在防水性能和抗腐蚀能力方面有较大的提高，同时，它的施工工艺简单，不需增添设备，在地下洞室的支护中具有明显的优越性，值得推广应用。