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。