湿喷钢纤维混凝土在公伯峡水电站导流洞工程中的应用

　　摘要：针对公伯峡水电站导流洞恶劣的地质条件，开挖过程中采用了湿喷钢纤维混凝土技术，用湿喷钢纤维混凝土与锚筋桩联合受力加固边墙，用钢纤维混凝土拱圈支撑代替现浇钢筋混凝土。钢纤维喷混凝土强度高，韧性好，适应变形能力强，有良好的抗渗性、耐久性，能充分发挥围岩的自承能力，而且施工速度快，回弹率小，适应岩面起伏能力强，施工安全，质量好，经济上也较合理。随着理论研究和实践的不断深入，钢纤维混凝土会得到更加广泛的应用。

　　关键词：导流洞 喷混凝土 钢纤维混凝土 钢纤维 公伯峡水电站

　　1 工程地质简介

　　公伯峡水电站右岸导流洞段总长721.021m，最大开挖断面宽16m、高18.5m，洞内Ⅳ、Ⅴ类围岩段长共计365m，占隧洞段全长的51%，Ⅳ类围岩岩体较破碎，风化强烈，断层带常充填着无胶结的糜棱岩和破碎岩，Ⅴ类围岩处于古全风化的花岗岩体中，岩性软弱，岩体破碎，裂隙面充填胶泥，裂隙性潜水较发育，岩体开挖后，洞壁易松弛卸荷，自稳时间短。导流洞上扩开挖贯通后，设计单位考虑到导流洞下卧开挖时Ⅳ、Ⅴ类围岩边墙的稳定及导流洞塌方区锁口加固需要，将局部地段由原设计的网喷混凝土改为钢纤维喷混凝土。经实践应用，湿喷钢纤维混凝土在喷射混凝土生产、喷射、质量、安全等方面较干喷钢筋网混凝土具有明显的优势。

　　2 钢纤维喷混凝土的应用原理

　　喷射混凝土中掺入钢纤维，为混凝土提供了微型配筋，可增强与混凝土之间的握裹力和锚固力，显着提高混凝土的抗裂性、延性、韧性及抗冲击能力。同一般喷射混凝土相比，它具有韧性好、适应变形能力强和良好的抗渗性、耐久性等优点，起到代替钢筋网或钢筋的作用，并与围岩及时、完全结合，充分发挥围岩自承能力，从而减小围岩变形，达到围岩稳定，不但技术先进，施工速度快，同时具有较好的施工安全性，经济上也较合理。

　　3 湿喷钢纤维混凝土配合比设计

　　3.1 导流洞钢纤维喷混凝土支护设计意图

　　（1）公伯峡水电站导流洞进口段发生冒顶塌方后，根据地质资料分析，塌方区上游端有f104、f26断层通过，下游端有f25、f29、f33断层通过，为防止围岩进一步变形引起新的塌方，塌方区上下游端部急需锁口加固，即架设钢拱架部位全断面采用喷射钢纤维混凝土代替传统的钢筋混凝土，将钢拱架埋入钢纤维混凝土中，喷射厚度平均50cm，使钢拱架和钢纤维混凝土共同形成混凝土支撑拱。

　　（2）针对导流洞出口段Ⅴ类围岩区边墙开挖后围岩自稳时间短的特点，采取喷射10cm厚钢纤维混凝土，节省支护时间，使边墙岩体在自稳时间内及时得到加固。

　　3.2 材料选定

　　3.2.1 钢纤维材料

　　对钢纤维，首先进行国内外厂家质量对比，同时参考了已建的二滩水电站等工程的实践，并根据咨询专家的建议，最终选定了比利时贝卡尔特公司生产的佳米克司ZP30／0.5型钢纤维。ZP30／0.5型钢纤维长度为30mm，直径为0.5mm，长径比为60，单根抗拉强度≥1100 MPa，两端带有弯钩。

　　3.2.2 骨料

　　公伯峡水电站坝区下游有两个天然的河床砂石料场，对料场取样实验检测资料表明，粗细骨料均能满足工程需要。另外，天然的河床卵石骨料外形圆滑，可泵性良好，能节约大量水泥，减少每立方米混凝土用水量，降低喷混凝土的干缩性，因此优选天然骨料。骨料的级配和质量要求按《实验规范大纲》进行。湿喷钢纤维混凝土的粗骨料最大粒径为15mm，级配良好；细骨料采用细度模数3.0的天然河沙。

　　3.2.3 硅粉

　　湿喷钢纤维混凝土中掺加硅粉的主要目的是改善喷混凝土的可泵性和喷射性能。硅粉由极微细的颗粒组成，其微粒比表面积在20m²／g以内，而普通硅酸盐水泥的表面积为0.2～0.5 m²／g。掺加硅粉后，增强了混凝土的粘性，有效阻止了混凝土的离析，减少了喷射过程中堵管的可能性。喷混凝土粘性的增强，需要增加减水剂的用量，但可降低混凝土回弹量和速凝剂的用量。硅粉的掺加量应通过实验控制，掺加量太大容易造成喷混凝土面塑性干缩开裂。公伯峡水电工程导流洞钢纤维喷混凝土使用的是青海民和镁厂生产的硅粉，硅粉掺加量为胶凝材料用量的8%。

　　3.2.4 水泥

　　水泥选用青海互助水泥厂生产的525号普通硅酸盐水泥，经检验，标准稠度、凝结时间、安全性等符合要求。

　　3.2.5 减水剂

　　选用天津外加剂厂生产的MF－2型减水剂，拌制混凝土时添加，添加量为0.4%，减水效果明显，每立方米混凝土减少用水35kg。

　　3.2.6 速凝剂

　　选用天津外加剂厂生产的LD－991型液体速凝剂，由湿式喷射机添加，添加量为胶凝材料的4.5%。

　　3.3 配合比试验

　　与普通喷混凝土相比，湿喷钢纤维混凝土的配合比除了需要考虑到普通喷混凝土配合比设计因素外，必须考虑到喷混凝土的可泵性及混凝土在喷射面上的附着性。实验人员首先在试验室进行配合比筛选，然后进行实地喷射实验。实地喷射实验的主要目的是：①观察喷混凝土对喷射面的附着性，即喷射面上的新鲜混凝土是否会塌落；②现场喷射混凝土大板，以便实验取心样检测试件强度；③观察喷混凝土中钢纤维分布的均匀性；④测试湿喷钢纤维混凝土的回弹率；⑤测试湿喷钢纤维混凝土的可泵性。最初湿喷钢纤维混凝土配合比没有采用减水剂，配合比见表1。后根据28d强度分析及回弹测试，实验人员对配合比中的水灰比及砂率作了调整，调整后的配合比见表2。

　　4 施工质量控制

　　4.1 湿喷机的选用

　　根据国内外湿喷机性能及价格对比，最终选定郑州生产的康达牌湿喷机，湿喷机自配流量泵和仪表以控制液体速凝剂的用量，湿喷机出料能力为6m³／h。

   　4.2 工艺流程

　　按设计配合比将骨料、水泥、钢纤维、硅粉等加入搅拌机中搅拌2min后，加入水和外加剂再搅拌5min，然后打入混凝土搅拌罐车中。

　　4.3 施工组织

　　（1）机具：搅拌机1台，康达牌湿喷机1台，搅拌罐2台。

　　（2）人员：技术人员1名，工长、湿喷机操作员各1名，湿喷机辅助操作人员、司机各2名，工人8名。

　　4.4 施工方法

　　4.4.1 喷射前岩面处理

　　在喷射钢纤维混凝土前，用喷头高压风加水吹洗掉岩石表面爆破后附着的粉尘及其他杂物，使岩面处于饱和状态，以增加钢纤维混凝土与岩面的粘结力。

　　4.4.2 喷射过程控制

　　（1）喷射距离及喷射角度。喷头与受喷岩面的垂直距离控制在0.8～1.0m，喷头与受喷面的夹角应控制在75°～90°。

　　（2）工作风压。根据湿喷机与作业面的距离，工作风压一般控制在0.3～0.4MPa。

　　（3）一次喷射厚度及速凝剂掺量。一次喷射厚度主要取决于钢纤维混凝土的内聚力和它与岩面的粘结力。一次最佳喷射厚度顶拱部位控制在4cm，边墙部位控制在5～6cm。顶拱部位速凝剂掺量为5%，边墙部位为4%。

　　（4）喷射顺序及方法。喷射时应按照分段、分部位、先边墙、后顶拱顺序进行；边墙的喷射顺序为自下而上，顶拱的喷射顺序为自拱脚至拱顶。喷射时喷头应作顺时针方向旋转。

　　4.5 施工质量控制与管理

　　4.5.1 材料管理

　　材料质量直接影响喷混凝土的各项性能，因此每次喷混凝土作业前，需对骨料进行检测，不合格骨料严禁使用；水泥、硅粉及外加剂需定期实验。

　　4.5.2 人员管理

　　喷射手的操作水平直接关系到喷混凝土的效果。因此施工单位对操作手进行了考试选拔和实地喷射，最后优选出最佳喷射手担任操作手。

　　4.5.3 回弹量控制

　　喷混凝土的回弹率在一定程度上反映了配合比是否合理，骨料是否超径，喷射手是否操作熟练等，同时也是控制成本的重要依据。实验人员对回弹率进行了跟踪测定，并对配合比作了相应调整，施工单位也对施工工艺进行了改进和控制，最终回弹率控制为：边墙约5%～7%，顶拱10%～12%。

　　4.5.4 强度质量控制

　　要求每次喷射作业都要进行试件取样，每组3个试件，试件来自现场喷射的实验大板。在配合比设计阶段，进行了3、7、28 d强度实验。

　　4.5.5 钢纤维混凝土厚度控制

　　钢纤维混凝土的厚度控制，一方面要满足设计要求，另一方面因其混凝土成本较高，施工时应尽量减少超喷。一般情况下，喷混凝土厚度采用钻取心样检查，由于导流洞工期紧，交叉作业，顶拱取样又较为困难，因此采用在施喷前喷面埋设标志物的方法，埋设数量基本能反映喷层厚度。

　　4.5.6 冬季施工质量控制

　　①钢纤维混凝土采用温水拌制；②粗细骨料采用暖风预热；③对现场添加的液体速凝剂预热，温度不应低于5℃；④喷射前作业面用高压风吹干净，尽量避免用水清洗岩面；⑤混凝土搅拌运输车在作业现场等待的时间不宜过长；⑥为防止已喷混凝土由于气温低而上冻，拌制钢纤维混凝土时应加入适量的抗冻剂。⑦作业面喷射完成后，已喷混凝土面应及时保温，可加盖保温被或聚氯乙烯卷材。

　　5 湿喷钢纤维混凝土在公伯峡水电站导流洞工程中的具体应用

　　5.1 湿喷钢纤维混凝土与锚筋桩联合受力加固边墙

　　公伯峡水电站导流洞出口段60m为古全风化的花岗岩体，围岩类型为Ⅴ类，边墙开挖后自稳时间较短，为及时控制围岩变形，边墙下卧开挖前，首先打安3.28、L=12 m锚筋桩，锚筋桩下倾25°，对边墙实施预加固。边墙开挖后喷5cm厚钢纤维混凝土及时封闭岩面，然后打安12m锚筋桩，打安完毕后再喷射5cm厚钢纤维混凝土，使喷混凝土厚度最终达到10cm。由于喷射钢纤维混凝土代替了挂钢筋网工序，为及时加固边墙、限制围岩变形节省了宝贵的时间。

　　喷射钢纤维混凝土和锚筋桩联合施工后，导流洞区域安装的收敛计观测数据表明，导流洞边墙开挖后，顶拱及边墙没有出现较大变形。试验室在出口段0680、0700、0710布设了3个收敛监测断面，每个监测断面布设5个测点，根据2001年3月9日～3月16日导流洞边墙下卧开挖前后收敛仪观测数据分析，相对收敛值均没有超出容许范围。观测到的每日最大收敛值及最大相对收敛值见表3。

　　喷射钢纤维混凝土和锚筋桩联合作用，为古全风化的Ⅴ类围岩高边墙（14 m）开挖后限制围岩变形、保证边墙稳定提供了新的支护方式。

　　5.2 代替现浇钢筋混凝土形成钢纤维混凝土拱圈支撑

　　导流洞上游047～086桩号由于数条大断层切割，上扩开挖时发生了冒顶塌方，塌方后为及时对塌方区上、下游端锁口加固，首先在塌方区上、下游端各10 m范围内打安了上仰60°、3.28、L=12 m的锚筋桩。打安完成后，按原设计意图应进行混凝土浇筑锁口，但考虑到混凝土浇筑的工序复杂、工期长，且对导流洞后期下卧开挖带来较大的麻烦，因此设计单位修改为上、下游端各10m范围内喷射钢纤维混凝土，喷射厚度约50cm，将已安装的钢拱架埋入钢纤维混凝土中，使钢纤维混凝土与钢拱架联合受力形成混凝土支撑拱，代替了传统的钢筋混凝土拱支撑，为塌方区端部锁口及时加固赢得了时间。

　　6 湿喷钢纤维混凝土的效果评价

　　6.1 质量比较

　　公伯峡水电站导流洞出口段属Ⅴ类围岩区，开挖时光爆效果不够理想，开挖面不平整度较大，如采用钢筋网喷混凝土，由于钢筋网不能紧贴岩面，造成喷混凝土不能与岩面均匀粘结，影响加固效果，同时将造成大量超喷。采用钢纤维喷混凝土可以沿凸凹面均匀喷射，与岩石间粘结良好，支护质量高，节省喷混凝土量。

　　6.2 性能比较

　　根据公伯峡水电站导流洞钢纤维混凝土配合比所做的强度试验成果表明，钢纤维混凝土的抗折性能、抗裂性能、抗拉性能以及韧性，在同等标号情况下均比普通网喷混凝土要好得多，说明了喷钢纤维混凝土代替网喷混凝土的可行性及优越性。

　　6.3 经济效益比较

　　与网喷混凝土相比，仅从材料费用考虑，钢纤维混凝土费用较高，但综合比较，钢纤维喷混凝土更为经济。

　　（1）节省人工及工期。常规网喷混凝土作业，挂设钢筋网的时间为喷混凝土总时间的一半，而且挂网时往往要占用高空作业车；采用钢纤维喷混凝土，可节省挂网的人工、设备、时间，经济效益可观。同时可避免在破碎岩体区挂网的危险。

　　（2）回弹率较小。公伯峡水电站导流洞普通喷混凝土回弹率边墙约为15%，顶拱约为30%。而钢纤维喷混凝土的回弹率边墙为5%～7%，顶拱为10%～12%，较普通喷混凝土低10～18个百分点。

　　（3）在超挖面上作业时可减少超喷混凝土。由于公伯峡水电站导流洞出口段属V类围岩区，开挖时光爆效果不够理想，岩面起伏差达40～50cm，若采用网喷混凝土，钢筋网与岩面间空隙较大，喷射时需将空隙填平并将钢筋网覆盖，超喷混凝土量巨大；采用钢纤维喷混凝土可以沿凸凹面均匀喷射，解决了超喷问题。

　　随着对钢纤维混凝土的理论研究的深入和在工程中的不断应用，积极探索和经验积累，相信今后钢纤维喷混凝土在工程应用上会越来越受到青睐。