湿喷钢纤维混凝土在公伯峡水电站导流洞工程中的应用

1、工程地质简介
    公伯峡水电站右岸导流洞段总长721.021 m，最大开挖断面宽16 m、高18.5 m，洞内Ⅳ、Ⅴ类围岩段长共计365 m，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，显著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50 cm，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10 cm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30 mm，直径为0.5 mm，长径比为60，单根抗拉强度≥1 100 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15 mm，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20 m²／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1000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35 kg。
    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28 d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6 m³／h。

 

    4.2 工艺流程