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摘要：纳米喷射混凝土具有一次喷射厚度大、与围岩粘结强度大, 一般渗水岩面均可正常喷射， 混凝土回弹率低、终凝速度快等优点, 能安全快速解决隧道岩爆、富水、塌方、破碎带等不良地质洞段的施工，在引水隧洞中具有广阔的应用前景，但目前鲜见有关应用报道。本文结合在锦屏二级水电站引水隧洞支护施工实体工程，详细介绍了纳米钢纤维混凝土配合比设计和施工，实践结果表明，喷射纳米混凝土能有效预防隧洞的塌方、岩爆, 提高隧洞开挖进度，保证施工安全。
关键词：纳米混凝土；施工；引水隧洞
1工程概况
锦屏二级水电站位于四川省凉山彝族自治州木里、盐源、冕宁三县交界处的雅砻江干流锦屏大河弯上,利用雅砻江下游河段150km长大河弯的天然落差，通过长约l6．67km的引水隧洞，截弯取直，获得水头约310m。引水隧洞洞群沿线上覆岩体一般埋深1500～2000m，最大埋深约为2525m，引水隧洞沿线地层岩性主要为三迭系中、上统的大理岩、灰岩及砂岩、板岩，从东到西分别经过盐塘组（T2y）、白山组（T2b）、三迭系上统（T3）、杂谷脑组（T2z）、三迭系下统（T1）等地层。东端4#引水隧洞，断面为马蹄形，底宽13.4m、高13.4m，全长约11918.175m，全洞采取钻爆和锚喷支护相结合的新奥法施工。根据地质预测成果及现场开挖所揭示的围岩情况，在引水隧洞的实际施工中，经常存在以下几种特殊情况：（1）引水隧洞由于埋深较大，掌子面附近经常发生岩爆。采用普通混凝土喷射，混凝土与围岩粘结强度不高，一次喷层厚度较薄，强度增长较慢。同时由于施工进度需要，掌子面在前一循环喷射混凝土后3～4小时放炮，经常发生混凝土被震塌的现象。严重影响开挖进度和人员设备的安全。（2）对于开挖中遇到的富水地段，普通混凝土很难进行喷射，与围岩的粘结情况得不到保证，喷射厚度也十分不理想。经常发生喷射后立即掉落的现象。（3）对于断层和破碎带，在开挖后需要对围岩及时喷射混凝土进行封闭，才能在相对安全的条件下进行锚杆和网片等的施工。这就要求喷射混凝土一次喷层厚度不小于5～8cm，短期强度增长快，而普通喷射混凝土很难达到要求。无形中增加了支护抢险的时间，影响了应有的施工进度。对于以上种种特殊地质条件，采用普通喷射混凝土已经难于满足施工进度、安全方面的要求。而采用喷射纳米钢纤维混凝土是应对大跨度地下洞室施工中的岩爆、渗水洞段的初期支护中一种先进有效的方法。因此，引水洞工程施工时根据纳米混凝土粘结强度较高，终凝时间快，短时间强度增长快的特点，纳米钢纤维混凝土主要集中在岩爆、渗水和破碎洞段，以及为满足開挖进度需要进行的掌子面初喷。对一般富水区，采取先选择性地对局部集中渗漏岩体结构面出水点进行封堵，使用化学浆液、超细水泥等封堵细小裂隙，然后使用掺入XPM纳米湿喷砼进行全断面喷射30~40cm厚，对围岩破碎带及塌方抢险地段改普通喷射混凝土为纳米喷射混凝土，岩爆段采用钢纤维纳米混凝土。
2纳米混凝土的配合比设计
根据工程需要，通过联合中心试验室进行硅粉钢纤维、纳米钢纤维的配合比选配和工艺性试验来最终选定纳米混凝土施工配合比。喷射混凝土配合比设计技术要求见表1。水泥采用四川乃托水泥厂生产的P.O42.5R水泥，检测结果见表2，砂子、碎石由水电七局砂石加工场生产，检测结果见表3，速凝剂采用巩义市宏超建材有限公司生产的无减速凝剂，纳米采用巩义市宏超建材有限公司生产的纳米特种外加剂，钢纤维采用上海哈瑞克斯金属制品有限公司生产的钢纤维，经检验均符合有关规定要求。纳米（钢纤维纳米）混凝土的配合比为水泥：砂：米石：水：纳米：速凝剂：(钢纤维)=1：2.4：1.6：0.48：0.1：0.07：（每立方40kg），混凝土性能试验结果见表4。根据引水隧洞进行的两次工艺性试验试验结果发现，在洞内岩爆段进行纳米钢纤维混凝土的喷射，完全避免了喷射混凝土放炮后因喷射自重承受不了掉下来的现象，喷层厚度也得到了保障，有效保证了工期。在富水区喷射，由于终凝时间快，能及时封堵，避免了水冲塌现象。通过对喷层厚度的测试，在同一区域一次喷射厚度达到32cm以上时，喷层混凝土均未出现坍塌现象。混凝土终凝时间小于2min，混凝土的综合回弹率小于8%，满足规范要求。
表1配合比要求
表2水泥检测结果
表3骨料检测结果
表4混凝土试验结果
3纳米混凝土施工
纳米混凝土施工采用湿喷法，施工工艺流程见图1。根据喷射纳米混凝土的特殊要求，为满足施工需要，采用湿喷机二台，每班次配备主副操作手共三人，以保证现场喷射混凝土施工的连续性。为保证喷射质量，控制喷射距离在0.6～1.0m范围内，喷射角度应尽量和喷射面垂直，喷射时自下而上，喷嘴做小圆圈运动，喷混凝土风压要比喷普通混凝土高，一般为1.5～2kg/cm2。喷射拱部时稍大。纳米混凝土纳米添加量为水泥用量的5%～10%，与速凝剂配合使用时，速凝剂掺量为3%～5%。施工时骨料先与纳米材料拌和，然后再掺入砂、水泥搅拌均匀.。钢纤维纳米混凝土钢纤维掺量为40～60kg/m3喷混凝土，钢纤维纳米混凝土拌和时应注意使钢纤维均匀掺入。投料顺序以搅拌过程中钢纤维均匀分散不产生结团和保证一定生产率为宜。施工时,先投入水泥（或粗、细骨料）、外加剂、无机纳米材料和钢纤维进行干拌，再加水湿拌，钢纤维采用人工分散加入，严格按照规范要求进行搅拌，以免导致钢纤维混凝土出现结团，发生湿喷机的堵管事故，给喷射施工困难。为了减少堵塞，尽量取消输料管90°弯头及减少其直径的变化，选用的钢纤维长度不大于输料管的一半。喷射时风压比普通喷射混凝土高0.02Mpa～0.05Mpa。为保证纳米混凝土能合理有效利用，发挥其不同于普通混凝土的优越性，在施工中严格控制好材料质量，应经常对喷射混凝土砂石质量进行监控，以便及时调整；严格控制好混凝土用水量，避免因人员、设备等因素产生的混凝土工作性能损失，杜绝对拌制好的混凝土进行简单的二次加水现象；由于钢纤维的掺入，造成混凝土中拌和物的内摩阻力增大，拌和物的坍落度会明显减少，和易性变差。应注意拌合时间不少于5分钟，采用合理的投料方法，确保钢纤维在混凝土中分布均匀；为保证喷射层与岩壁的粘结强度，在实施喷射混凝土前，应保持岩壁和喷射混凝土表面湿润，采用高压风水认真冲洗干净，并排除积水。
图1纳米混凝土湿喷法施工工艺流程
4结语
（1）由于纳米混凝土具有终凝时间快、强度增长快、一次喷层厚的特性，在掌子面附近喷射纳米混凝土，能明显提高开挖的进度，保证施工安全。在开挖过程中，每循环进行纳米混凝土的初喷，充分利用了纳米混凝土不同于普通混凝土的特性，及时对围岩形成有效的封闭和支护，降低工人的施工风险，缩短开挖循环中的支护时间。在实际应用中，不考虑其他支护方式，仅喷纳米混凝土一项每循环可以节约0.5～1小时的支护时间。（2）在岩爆段喷射纳米钢纤维混凝土，能明显降低岩爆的发生，确保人员设备的安全。纳米钢纤维混凝土的使用，不但具有纳米混凝土的全部特性，而且省去了挂网的工序，避免了工人直接暴露在岩爆段下操作，降低了危害人身安全事故的发生概率。另外由于钢纤维混凝土的韧性大幅度提高，使其对冲击力和爆炸力具有良好的抵抗能力，同时能提高锚喷支护的质量，更能保证人员设备的安全。（3）由于喷射纳米混凝土对于断层破碎带的初期支护效果要明显优于普通混凝土，提早对塌方段形成了有效的支护，增强了工人的信心，后续工序能及时安全的展开。在围岩破碎带及塌方抢险地段的使用，纳米混凝土同样取得了令人满意的结果。4#洞掌子面先后发生的两次规模较大塌方，第一次采用喷射普通混凝土处理，通过塌方段共计用了约30天的时间，第二次塌方采用先喷射纳米混凝土，后立格栅拱架的处理方法，仅用9天时间便通过了塌方地段。（4）在渗水洞段喷射纳米混凝土的，也能起到较好的作用。纳米混凝土与围岩粘结强度高、终凝时间短的特点，能及时对岩面渗水点进行封堵，避免了水冲塌的现象。同时混凝土的喷层厚度也可以得到保证，是处理轻微渗水洞段理想的喷射材料。（5）采用喷射纳米钢纤维混凝土，与普通混凝土相比更能保证喷射的质量。在实际检测中，纳米混凝土的喷层厚度、混凝土的强度及与围岩的粘结度方面质量情况都明显提高。由于钢纤维混凝土的抗裂性、抗拉强度等性能都优于普通混凝土。采用纳米钢纤维混凝土喷射，也有效的避免了喷层早期裂缝的产生。提高了喷锚支护的质量。
参考文献：
[1]王景贤, 王立久. 纳米材料在混凝土中的应用研究进展[J]. 混凝土, 2004,(11).
[2]陈东. 纳米混凝土在不良地质隧洞支护中的应用[J]. 人民长江, 2009,(10) .
[3]禹凯,钱晓倩,孟涛,汤振会. 纳米技术在水泥混凝土中的应用[J]. 建材技术与应用, 2006,(04) .
作者简介：王伟东（1978.4--），男，汉族，本科，工程师，主要从事公、铁、水利建设施工管理工作。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：纳米混凝土；施工；引水隧洞
1工程概况
锦屏二级水电站位于四川省凉山彝族自治州木里、盐源、冕宁三县交界处的雅砻江干流锦屏大河弯上,利用雅砻江下游河段150km长大河弯的天然落差，通过长约l6．67km的引水隧洞，截弯取直，获得水头约310m。引水隧洞洞群沿线上覆岩体一般埋深1500～2000m，最大埋深约为2525m，引水隧洞沿线地层岩性主要为三迭系中、上统的大理岩、灰岩及砂岩、板岩，从东到西分别经过盐塘组（T2y）、白山组（T2b）、三迭系上统（T3）、杂谷脑组（T2z）、三迭系下统（T1）等地层。东端4#引水隧洞，断面为马蹄形，底宽13.4m、高13.4m，全长约11918.175m，全洞采取钻爆和锚喷支护相结合的新奥法施工。根据地质预测成果及现场开挖所揭示的围岩情况，在引水隧洞的实际施工中，经常存在以下几种特殊情况：（1）引水隧洞由于埋深较大，掌子面附近经常发生岩爆。采用普通混凝土喷射，混凝土与围岩粘结强度不高，一次喷层厚度较薄，强度增长较慢。同时由于施工进度需要，掌子面在前一循环喷射混凝土后3～4小时放炮，经常发生混凝土被震塌的现象。严重影响开挖进度和人员设备的安全。（2）对于开挖中遇到的富水地段，普通混凝土很难进行喷射，与围岩的粘结情况得不到保证，喷射厚度也十分不理想。经常发生喷射后立即掉落的现象。（3）对于断层和破碎带，在开挖后需要对围岩及时喷射混凝土进行封闭，才能在相对安全的条件下进行锚杆和网片等的施工。这就要求喷射混凝土一次喷层厚度不小于5～8cm，短期强度增长快，而普通喷射混凝土很难达到要求。无形中增加了支护抢险的时间，影响了应有的施工进度。对于以上种种特殊地质条件，采用普通喷射混凝土已经难于满足施工进度、安全方面的要求。而采用喷射纳米钢纤维混凝土是应对大跨度地下洞室施工中的岩爆、渗水洞段的初期支护中一种先进有效的方法。因此，引水洞工程施工时根据纳米混凝土粘结强度较高，终凝时间快，短时间强度增长快的特点，纳米钢纤维混凝土主要集中在岩爆、渗水和破碎洞段，以及为满足開挖进度需要进行的掌子面初喷。对一般富水区，采取先选择性地对局部集中渗漏岩体结构面出水点进行封堵，使用化学浆液、超细水泥等封堵细小裂隙，然后使用掺入XPM纳米湿喷砼进行全断面喷射30~40cm厚，对围岩破碎带及塌方抢险地段改普通喷射混凝土为纳米喷射混凝土，岩爆段采用钢纤维纳米混凝土。
2纳米混凝土的配合比设计
根据工程需要，通过联合中心试验室进行硅粉钢纤维、纳米钢纤维的配合比选配和工艺性试验来最终选定纳米混凝土施工配合比。喷射混凝土配合比设计技术要求见表1。水泥采用四川乃托水泥厂生产的P.O42.5R水泥，检测结果见表2，砂子、碎石由水电七局砂石加工场生产，检测结果见表3，速凝剂采用巩义市宏超建材有限公司生产的无减速凝剂，纳米采用巩义市宏超建材有限公司生产的纳米特种外加剂，钢纤维采用上海哈瑞克斯金属制品有限公司生产的钢纤维，经检验均符合有关规定要求。纳米（钢纤维纳米）混凝土的配合比为水泥：砂：米石：水：纳米：速凝剂：(钢纤维)=1：2.4：1.6：0.48：0.1：0.07：（每立方40kg），混凝土性能试验结果见表4。根据引水隧洞进行的两次工艺性试验试验结果发现，在洞内岩爆段进行纳米钢纤维混凝土的喷射，完全避免了喷射混凝土放炮后因喷射自重承受不了掉下来的现象，喷层厚度也得到了保障，有效保证了工期。在富水区喷射，由于终凝时间快，能及时封堵，避免了水冲塌现象。通过对喷层厚度的测试，在同一区域一次喷射厚度达到32cm以上时，喷层混凝土均未出现坍塌现象。混凝土终凝时间小于2min，混凝土的综合回弹率小于8%，满足规范要求。
表1配合比要求
表2水泥检测结果
表3骨料检测结果
表4混凝土试验结果
3纳米混凝土施工
纳米混凝土施工采用湿喷法，施工工艺流程见图1。根据喷射纳米混凝土的特殊要求，为满足施工需要，采用湿喷机二台，每班次配备主副操作手共三人，以保证现场喷射混凝土施工的连续性。为保证喷射质量，控制喷射距离在0.6～1.0m范围内，喷射角度应尽量和喷射面垂直，喷射时自下而上，喷嘴做小圆圈运动，喷混凝土风压要比喷普通混凝土高，一般为1.5～2kg/cm2。喷射拱部时稍大。纳米混凝土纳米添加量为水泥用量的5%～10%，与速凝剂配合使用时，速凝剂掺量为3%～5%。施工时骨料先与纳米材料拌和，然后再掺入砂、水泥搅拌均匀.。钢纤维纳米混凝土钢纤维掺量为40～60kg/m3喷混凝土，钢纤维纳米混凝土拌和时应注意使钢纤维均匀掺入。投料顺序以搅拌过程中钢纤维均匀分散不产生结团和保证一定生产率为宜。施工时,先投入水泥（或粗、细骨料）、外加剂、无机纳米材料和钢纤维进行干拌，再加水湿拌，钢纤维采用人工分散加入，严格按照规范要求进行搅拌，以免导致钢纤维混凝土出现结团，发生湿喷机的堵管事故，给喷射施工困难。为了减少堵塞，尽量取消输料管90°弯头及减少其直径的变化，选用的钢纤维长度不大于输料管的一半。喷射时风压比普通喷射混凝土高0.02Mpa～0.05Mpa。为保证纳米混凝土能合理有效利用，发挥其不同于普通混凝土的优越性，在施工中严格控制好材料质量，应经常对喷射混凝土砂石质量进行监控，以便及时调整；严格控制好混凝土用水量，避免因人员、设备等因素产生的混凝土工作性能损失，杜绝对拌制好的混凝土进行简单的二次加水现象；由于钢纤维的掺入，造成混凝土中拌和物的内摩阻力增大，拌和物的坍落度会明显减少，和易性变差。应注意拌合时间不少于5分钟，采用合理的投料方法，确保钢纤维在混凝土中分布均匀；为保证喷射层与岩壁的粘结强度，在实施喷射混凝土前，应保持岩壁和喷射混凝土表面湿润，采用高压风水认真冲洗干净，并排除积水。
图1纳米混凝土湿喷法施工工艺流程
4结语
（1）由于纳米混凝土具有终凝时间快、强度增长快、一次喷层厚的特性，在掌子面附近喷射纳米混凝土，能明显提高开挖的进度，保证施工安全。在开挖过程中，每循环进行纳米混凝土的初喷，充分利用了纳米混凝土不同于普通混凝土的特性，及时对围岩形成有效的封闭和支护，降低工人的施工风险，缩短开挖循环中的支护时间。在实际应用中，不考虑其他支护方式，仅喷纳米混凝土一项每循环可以节约0.5～1小时的支护时间。（2）在岩爆段喷射纳米钢纤维混凝土，能明显降低岩爆的发生，确保人员设备的安全。纳米钢纤维混凝土的使用，不但具有纳米混凝土的全部特性，而且省去了挂网的工序，避免了工人直接暴露在岩爆段下操作，降低了危害人身安全事故的发生概率。另外由于钢纤维混凝土的韧性大幅度提高，使其对冲击力和爆炸力具有良好的抵抗能力，同时能提高锚喷支护的质量，更能保证人员设备的安全。（3）由于喷射纳米混凝土对于断层破碎带的初期支护效果要明显优于普通混凝土，提早对塌方段形成了有效的支护，增强了工人的信心，后续工序能及时安全的展开。在围岩破碎带及塌方抢险地段的使用，纳米混凝土同样取得了令人满意的结果。4#洞掌子面先后发生的两次规模较大塌方，第一次采用喷射普通混凝土处理，通过塌方段共计用了约30天的时间，第二次塌方采用先喷射纳米混凝土，后立格栅拱架的处理方法，仅用9天时间便通过了塌方地段。（4）在渗水洞段喷射纳米混凝土的，也能起到较好的作用。纳米混凝土与围岩粘结强度高、终凝时间短的特点，能及时对岩面渗水点进行封堵，避免了水冲塌的现象。同时混凝土的喷层厚度也可以得到保证，是处理轻微渗水洞段理想的喷射材料。（5）采用喷射纳米钢纤维混凝土，与普通混凝土相比更能保证喷射的质量。在实际检测中，纳米混凝土的喷层厚度、混凝土的强度及与围岩的粘结度方面质量情况都明显提高。由于钢纤维混凝土的抗裂性、抗拉强度等性能都优于普通混凝土。采用纳米钢纤维混凝土喷射，也有效的避免了喷层早期裂缝的产生。提高了喷锚支护的质量。
参考文献：
[1]王景贤, 王立久. 纳米材料在混凝土中的应用研究进展[J]. 混凝土, 2004,(11).
[2]陈东. 纳米混凝土在不良地质隧洞支护中的应用[J]. 人民长江, 2009,(10) .
[3]禹凯,钱晓倩,孟涛,汤振会. 纳米技术在水泥混凝土中的应用[J]. 建材技术与应用, 2006,(04) .
作者简介：王伟东（1978.4--），男，汉族，本科，工程师，主要从事公、铁、水利建设施工管理工作。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。