- 武警水电第一总队科技成果汇编(2004-2015年):工法、专利
- 武警水电第一总队编著
- 3201字
- 2021-04-25 20:23:58
水工隧洞不良地质洞段支护喷纳米混凝土施工工法
陈 东 李虎章 帖军锋 范双柱 韦顺敏
1 前言
在水工隧洞施工中,为了确保施工安全,一般采用喷锚支护方法对隧洞围岩进行临时支护处理。喷普通混凝土存在一次喷射厚度薄、凝结时间长、回弹率高等缺点,特别是在岩爆、富水、塌方、断层、破碎带等不良地质洞段支护中表现尤为突出。为解决这一技术难题,武警水电一总队在工程施工中采用了喷纳米混凝土的施工技术,保证了施工安全,提高了支护质量、加快了施工进度,取得了良好的经济效益和社会效益。
2 工法特点
(1)操作方便、快速、灵活。
(2)一般渗水岩面均可正常喷射。
(3)降低了回弹率及粉尘浓度,改善了洞内作业环境。
(4)增加了喷混凝土与围岩的黏结力,提高了支护质量,保证了施工安全。
(5)增加了一次喷射厚度,缩短了凝结时间,加快了施工进度。
3 适用范围
适用于岩爆、塌方、断层、破碎带等不良地质洞段及类似工程的施工。
4 工艺原理
(1)纳米材料有良好的可注性、可喷性,可注入0.01mm孔隙开度,一次喷射厚度可达35~70cm。
(2)纳米材料有良好的胶结性,与水泥浆中的Ca(OH)2反应生成凝胶,提高了黏结力。
(3)纳米材料粒径细小(340.7×10-9m),布朗运动活泼,使混凝土在一般渗水面能直接喷射。
(4)纳米材料具有一定的减水和早强作用,与速凝剂配合使用,黏结力和早期强度明显提高。
5 施工工艺流程及操作要点
5.1 施工工艺流程
施工工艺流程见图1。
图1 施工工艺流程图
5.2 操作要点
5.2.1 施工准备
5.2.1.1 混凝土配合比试验
(1)混凝土配合比设计依据《水工混凝土配合比设计规程》(DL/T 5330—2005)进行外,还满足要求:①水灰比宜控制在0.35~0.45之间;②选用适当掺量的聚羧酸类高性能减水剂,尽可能地将水泥用量控制在350~450kg/m3,以减少粉尘的产生,降低混凝土的收缩;③为保证喷射混凝土拌和物的良好性能,纳米材料的掺量宜控制在水泥用量5%~10%(外掺法),具体掺量通过试验确定;④坍落度的选择应视喷射部位的不同,宜在80~180mm之间,坍落度损失率2h内宜控制在20%内;⑤含砂率50%~60%,最大不超过70%,并通过试验确定合理含砂率;⑥骨料最大粒径宜为10~13mm,最大粒径不得超过15mm;⑦为满足混凝土湿喷的施工工艺,减少对人和钢筋腐蚀,选择液体状的无碱可溶性速凝剂。
(2)速凝剂掺量根据室内试验确定为水泥用量的5%~7%。
5.2.1.2 岩面清理
(1)清除浮石,清理污渍。
(2)用高压风水枪冲洗,对遇水易潮解的泥化岩层,采用高压风清扫。
5.2.2 纳米混凝土拌和
(1)纳米材料先与水泥、骨料拌和均匀,然后再加水湿拌。
(2)HD-2型纳米材料外加剂掺量为8%~10%,速凝剂掺量为水泥的5%~7%,具体现场试验确定。
(3)强制式搅拌机拌料时,干拌时间不得少于2min,加水后湿拌3~4min。
(4)自落式搅拌机拌料时,干拌时间不得少于2min;加水后湿拌4~5min。
(5)纳米混凝土不宜采用人工拌料。
5.2.3 纳米混凝土运输
采用混凝土搅拌运输车运输。
5.2.4 纳米混凝土喷射
(1)纳米混凝土宜采用喷混凝土台车施喷。
(2)喷射作业开始时,应先供风、后开机、再供料;结束时待混凝土喷射完后再关风。
(3)喷射时在喷嘴处加入速凝剂。
(4)喷射距离应控制在0.6~1.0m范围内,喷射角度应尽量和喷射面垂直。
(5)喷射时应自下而上施工,喷嘴应做小圆运动。
(6)风压一般为1.5~2.0kg/cm2,比普通喷混凝土高0.2~0.5kg/cm2。
(7)喷射作业要连续,因故中断则需及时清理机械、管道。
5.2.5 养护
(1)养护方法可采用喷水或喷雾的方法。
(2)终凝2h后开始养护。
(3)养护时间一般工程不得少于7昼夜,重要工程不得少于14昼夜;气温低于+5℃时,不得喷水养护。
(4)周围的空气湿度达到或超过85%时,可自然养护。
5.3 劳动组织
劳动力配置见表1。
表1 劳动力配置表
6 材料及施工机具
6.1 材料
(1)水泥为普通硅酸盐水泥。
(2)砂粒径0.1~5mm,细度为模数2.5~3.3,含水率宜为5%~7%。
(3)米石粒径5~10mm,含水率宜为5%~7%,不应有针、片状颗粒。
(4)速凝剂应选用液态状,初凝时间不应大于5min,终凝时间不应大于10min。
(5)纳米材料为沸石经超细粉磨而成的无机中性纳米级外加剂,粒径327.7×10-9m,其主要性能特点有:①具有良好的抗渗性,抗渗指标为P40;②无毒、无害、无味、无污染,pH值为7.1;③减水率37%,离子交换率高,抗压强度可提高200%~300%;④具有良好的胶结性,与水泥浆中的Ca(OH)2反应生成凝胶,分子尺寸1mm,胶结能力可提高5倍;⑤粒径327.7×10-9m,布朗运动活泼,可在一般渗水面直接喷射。
6.2 施工机具
主要施工机具表见表2。
表2 主要施工机具表
7 质量控制
(1)做好技术交底工作,施工人员必须按照施工技术要求和规程规范操作。
(2)认真做好现场工艺试验,以便取得合理施工技术参数。
(3)严格控制好原材料质量,应按规范要求经常对水泥、砂石骨料、掺合料各项性能指标进行检测。
(4)加强称量管理工作,水泥和外掺料允许偏差为±2%,砂、石骨料允许偏差为±3%。
(5)严格控制施喷顺序,严禁回弹料覆盖受喷面。
(6)受喷厚度检查:每个断面的检查点从拱部中线起,每隔2~3m设一个,拱部不少于3个点,总计不应少于5个点。
(7)喷射混凝土合格标准为:每个断面上,全部检查点处的喷层厚度,60%以上不应小于设计厚度,最小值不应小于设计厚度的一半,同时检查点处的厚度平均值不应小于设计值。
(8)喷射混凝土抗压强度所需的试块应在工程施工过程中抽样制取。试块数量,每喷射50~100m3混合料或混合料小于50m3的独立工程,不得小于一组,每组试块不得小于3个。标准试块按《锚杆喷射混凝土支护技术规范》(GB 50086—2001)中附录F所列方法进行制作。
(9)喷射混凝土与围岩的黏结强度通过钻芯拉拔法进行检测,应在有代表性部位进行该项检查,每组不少于3个试件。
8 安全措施
(1)建立健全安全管理体系,制定各项安全管理制度,完善安全生产技术措施,建立各级人员安全生产责任制。
(2)牢固树立“安全第一”的思想,抓好“三级安全教育”,对全体施工人员进行安全教育,严格按照操作程序作业,及时消除安全隐患。
(3)施工前进行安全技术交底,使所有作业人员充分理解掌握各自的岗位职责和安全操作方法。
(4)施工作业人员必须配戴安全帽和防尘口罩,洞内须穿安全闪光背心,高空作业必须系好安全
带(绳)等劳动保护用品。
(5)施工中应定期检查电源线路和设备的电器部件,确保用电安全。
(6)喷射作业中应设专人进行安全巡视。
(7)加强设备检查、维护和保养。
9 环保措施
(1)建立健全环境保护管理体系,落实环保责任制。
(2)开展多种形式的宣传教育。
(3)对环保措施的实施进行全过程控制。
(4)对混凝土拌和系统采用降尘措施。
(5)污水经沉淀池经净化处理后无害排放。
(6)严格油料、化学品管理,防止污染。
10 效益分析
(1)喷混凝土与围岩间的黏结力显著增强,提高了施工质量,保证了安全施工。
(2)一次喷射厚度显著增加,可达到50cm以上,施工时可一次喷至设计厚度,无需分层喷射,提高了施工工效。
(3)降低了混凝土的回弹率,回弹率在8%左右,远远低于规范的15%~25%,减少了原材料的浪费,改善了作业环境,具有良好的经济效益和社会效益。
11 应用实例
11.1 工程概况
锦屏二级水电站引水系统采用4洞8机布置形式,从进水口至上游调压室的平均洞线长度约16.67km,中心距60m。引水隧洞洞群沿线上覆盖岩体一般埋深1500~2000m,最大埋深约为2525m,地处高地应力区、洞身埋深大、地下水丰富,岩爆、渗水经常发生,地质条件复杂。
西端引水隧洞为马蹄形断面,开挖洞径13.0m。
11.2 施工情况
本工程于2007年6月开始施工,计划2014年竣工。在不良地质洞段支护施工中,采用了喷射纳米混凝土技术。
11.3 检测结果
(1)力学性能见表3和表4。
表3 纳米混凝土抗拉、抗折、黏结强度表
表4 纳米混凝土抗压强度表
(2)一次喷射厚度、凝结时间见表5。
表5 纳米混凝土一次喷射厚度、凝结时间表
(3)回弹率见表6。表6
喷纳米混凝土回弹率表
实践表明喷射纳米混凝土黏结强度较高,凝结时间短,早期强度高,在不良地质洞段支护施工中,解决了一次喷射厚度薄、凝结时间长、回弹率高等缺点,取得了良好的经济效益和社会效益。