混凝土复合衬砌结构

混凝土复合衬砌结构（精选7篇）

混凝土复合衬砌结构 篇1

隧道一般修建于山体或地层内,主要由围岩和隧道支护结构组成。地下水是隧道工程必须面临的一个重要问题,地下水在围岩内渗流,隧道结构必须承受地下水荷载的作用。由于山体内的地下水是动态渗流的,地下水、围岩以及隧道支护结构之间的关系较为复杂,不能用静水压力场对隧道水压力进行判定。

为了解决隧道水压力判定问题,国内外相关技术人员进行了大量的研究工作。Arjnoi等[1]应用数值法对曼谷地铁延长线穿湄南河隧道不同排水状况下,围岩孔隙水压力、衬砌内力的分布规律进行了研究;Lee等[2]研究了首尔地铁5号线水下隧道工程渗流力对衬砌的影响;Farmer等[3]对矿井支护的静水压力进行了研究。王建宇[4]利用轴对称理论分析了衬砌水压力规律。目前,针对隧道衬砌结构水压力问题的研究报道较多,通过这些研究可以知道影响复合衬砌结构水压力的因素有隧道规模、围岩渗流特性、注浆加固圈特征、初期支护结构特征以及隧道防排水系统等。但是,已有研究报道多针对单一因素进行独立研究,未对各因素对衬砌结构水压力影响进行综合分析。本实验采用正交试验设计理论,对隧道衬砌结构水压力问题展开综合研究。

1 复合衬砌结构外水压力计算公式推导

1.1 计算模型

深埋高水位隧道(以圆形隧道结构为例),可简化为轴对称问题,简化计算模型见图1。

如图1所示,复合衬砌结构主要由二次衬砌(A)、初期支护(B)、注浆加固圈(C)及围岩(D)组成,各结构间紧密接触。假设,围岩为各向同性均匀连续介质,地下水渗流满足渗流连续性方程和Darcy定律,地下水头稳定,且远水势恒定为H,不计初始渗流场,忽略结构自重。由于衬砌厚度相对于地下水头较小,衬砌渗透力可以简化为作用在衬砌外缘的表面力,该表面力取该处的孔隙水压力[5]。同时,忽略防排水层,将二次衬砌结构视为透水结构,将隧道排水系统的排水能力折算为二次衬砌的渗透能力,不考虑防水层的作用。

1.2 公式推导

已知二次衬砌内径为r0,内水头为H0,外径为r1,外水头为H1,渗透系数为k1;初期支护内径为r1,内水头为H1,外径为r2,外水头为H2,渗透系数为k2;注浆加固圈内径为r2,内水头为H2,外径为r3,外水头为H3,渗透系数为k3;隧道在围岩内对渗流场影响范围为r4,水头为H4,围岩渗透系数为k4。假定隧道周围r4以外形成稳定渗流场的水头等于隧道中心点的原始静水压力水头H,由于本实验中隧道为交通隧道(内部无水压),即H0=0,可以得到:r4=H4=H。

以隧道轴线方向为Z轴方向,隧道半径方向为r轴的柱坐标系统,则渗流连续方程为:

在考虑轴对称模型特点的基础上,根据Darcy定律Q=(K为渗透系数),可以得到:

由于隧道模型的边界条件为r=r0,h=H0;r=r1,h=H1;r=r2,h=H2;r=r3,h=H3;r=r4,故(2)式积分后可以得到:

将(3)、(4)、(5)、(6)式相加,并将H0=0、H4=H、r4=H的条件带入,可得渗水量和二次衬砌背后水头符合:

1.3 复合衬砌结构水压力影响因素选择

根据公式(7)可初步得出,影响地下水渗流量和复合衬砌结构外水压力的因素包括围岩渗透系数k4、隧道洞径r0、二次衬砌外径r1、二次衬砌渗透系数k1、初期支护外径r2、初期支护渗透系数k2、注浆加固圈外径r3、注浆加固圈渗透系数k3以及远水势H。从影响因素的形成过程看,上述影响因素可以分为自然因素和工程因素。自然因素为隧道所处的环境条件,包括围岩渗透系数k4、隧道洞径r0及远水势H;工程因素是为满足工程要求而需要采取的措施,包括二次衬砌、初期支护以及注浆加固圈的结构特征。对于自然因素,由于在具体工程中围岩特征是确定的,围岩渗透系数可视为不变量;隧道洞径因工程用途而确定,工程确定后也可视为不变量;而远水势虽在地层中变化较小,却是影响地下水压力的重要条件,因此在隧道水压力分析中通常不可忽略。工程因素中,由于地下水经注浆加固圈和初期支护渗流后才能到达防排水系统,故二者应是控制地下水的重要因素;而二次衬砌在实际工程中要求不渗水,故二次衬砌结构特征对外水压力影响可以忽略,但本文中的二次衬砌渗透系数k1是将隧道排水系统排水量折算为二次衬砌渗透系数,实际上是反映隧道排水系统的排水能力,故应该作为分析对象。因此,本文的分析因素包括二次衬砌渗透系数k1、初期支护外径r2、初期支护渗透系数k2、注浆加固圈外径r3、注浆加固圈渗透系数k3及远水势H。

2 复合衬砌结构外水压力计算与分析

2.1 正交试验方案设计

如前所述,二次衬砌渗透系数k1、初期支护外径r2、初期支护渗透系数k2、注浆加固圈外径r3、注浆加固圈渗透系数k3及远水势H为影响复合衬砌结构外水压力的主要因素。结合计算模型(图1)可以发现,初期支护外径r2与注浆加固圈外径r3之间存在r2=r1+△r2、r3=r2+△r3的关系(△r2为初期支护厚度、△r3为注浆加固圈厚度),因此可采用初期支护厚度△r2和注浆加固圈厚度△r3代替初期支护外径r2和注浆加固圈外径r3。充分考虑本实验分析目的和正交试验设计要求后,选用6因素5水平正交试验计算方案对隧道衬砌结构水压力进行分析,具体方案设计见表1。

2.2 各影响因素对复合衬砌外水压力影响程度的分析

为了进一步分析复合衬砌外水压力的影响因素,了解各影响因素对复合衬砌外水压力影响的程度及规律,本实验按照正交试验分析方法对表1中计算结果进行处理分析。具体做法为:1)计算每个影响因素不同分析水平的计算结果平均值(第i水平下计算结果平均值);2)计算每个影响因素在分析水平内的极差Rn(第n个影响因素的极差),即某个影响因素各分析水平计算结果平均值的最大值与最小值之差。详细结果见表2。

如表2所示,各影响因素极差Rn的大小关系为RD>RF>RC>RB>RE>RA。根据正交实验分析理论,影响因素的极差越大,其对计算结果的影响程度越大。因此,本实验分析的6个因素对复合衬砌外水压力影响的主次关系为二次衬砌渗透系数>注浆加固圈渗透系数>注浆加固圈厚度>初期支护渗透系数>初期支护厚度>远水势。

在对各因素对复合衬砌外水压力影响程度进行了分析的基础上,本实验根据表2中的结果,绘制了二次衬砌渗透系数、注浆加固圈渗透系数、注浆加固圈厚度这3个影响因素在不同水平变化下,复合衬砌外水压力变化趋势图,试图找出复合衬砌外水压力随各影响因素的变化规律(图2)。

如图2所示,极差越大,复合衬砌外水压力随影响因素水平变化的幅度越大。随着二次衬砌排水能力的增强,复合衬砌外水压力逐渐降低,且降低趋势较快;随着注浆加固圈渗透系数的增大,复合衬砌外水压力逐渐增大,且增大的速度较快;随着注浆加固圈厚度的增大,复合衬砌外水压力逐渐降低。

2.3 影响因素对复合衬砌外水压力影响的显著性分析

显著性分析主要是评价影响因素对计算结果的绝对影响程度,进而评估各因素对计算结果的重要性。根据正交试验设计理论[8],影响因素对计算结果的显著性可通过因素水平变化引起的平均偏差平方和与误差的平均偏差平方和的比值,即因素的检验值确定。数据处理过程见表3、表4。

注:Ki为i水平的计算结果累积和;T为计算结果累积和;n为试验组数,n=25。

分析表3、表4中数据可以发现,各影响因素对复合衬砌外水压力的影响显著性符合:二次衬砌渗透系数高度显著,注浆加固圈渗透系数显著,注浆加固圈厚度较显著,其余因素不显著。即二次衬砌渗透系数、注浆加固圈渗透系数、注浆加固圈厚度这3个因素对复合衬砌外水压力影响较大。

注:m为试验因素的水平数;误差平方和Sj为各因素偏差平方和的最小值;误差平方和自由度fj为各因素偏差平方和中最小的自由度。

3 结语

山岭隧道复合衬砌结构中,由于各组成结构的特点不同,其对复合衬砌外水压力影响关系也不同。其中,二次衬砌渗透系数、注浆加固圈渗透系数和注浆加固圈厚度这3个因素对复合衬砌外水压力影响较大;初期支护渗透系数、初期支护厚度和远水势对复合衬砌外水压力虽也存在影响,但影响程度很小。

二次衬砌渗透系数对复合衬砌外水压力是高度显著因素,根据前面的假定,二次衬砌渗透系数是二次衬砌、防水层、排水系统的综合体,实际工程中二次衬砌和防水层被视为不透水结构,即文中分析的二次衬砌渗透系数反应的是隧道排水系统的排水能力。从这一点看来,影响山岭隧道复合衬砌外水压力最重要的因素是隧道排水系统的排水能力,复合衬砌外水压力随排水能力的增大呈线性减小趋势。因此,在富水地区山岭隧道设计时,应根据隧道周围环境要求,严格遵照“以堵为主,限量排放”的原则进行防排水设计,以便更好地控制复合衬砌外水压力。具体设计时应注意以下几点:

1)隧道复合衬砌外水压力设计值应与隧道排水能力相匹配,设计时要充分考虑由于泥沙沉积、外力挤压等造成的排水能力降低;2)隧道排水系统设计时,应注意排水盲管、纵向排水管、横行排水管的坡度,有条件时可采用表面较为光滑的特殊排水介质,以降低泥砂、钙离子等沉积对排水能力的影响;3)施工过程中应加强排水系统的保护,避免因施工外力作用造成排水系统局部变形、堵塞;4)注重围岩注浆加固圈对降低复合衬砌外水压力的作用,综合本文分析结果和工程实践经验,注浆加固圈厚度宜为6～8 m;5)围岩注浆加固圈渗透系数应该与排水系统的排水能力相匹配,当隧道排水系统排水能力大于注浆加固圈透水能力时,复合衬砌外水压力较小。

参考文献

[1]Arjnoi P,Jeong J,Kim C,et al.Effect of drainage conditionson porewater pressure distributions and lining stresses indrained tunnels[J].Tunnelling and Underground SpaceTechnology Incorporating Trenchless Technology Research,2009,24(4):376-389.

[2]Lee I,Nam S.The study of seepage forces acting on thetunnel lining and tunnel face in shallow tunnels[J].Tunnelling and Underground Space TechnologyIncorporating Trenchless Technology Research,2001,16(1):31-40.

[3]Farmer I,Jennings D.Effect of strata permeability on theradial hydrostatic pressures on mine shaft linings[J].MineWater and the Environment,1983,2(3):17-24.

[4]王建宇.隧道围岩渗流和衬砌水压力荷载[J].铁道建筑技术,2008(2):1-6.

[5]王建宇.再谈隧道衬砌水压力[J].现代隧道技术,2003(3):5-10.

[6]张成平,张顶立.高水压富水区隧道限排衬砌注浆圈合理参数研究[J].岩石力学与工程学报,2007,26(11):2270-2 276.

[7]郑波,王建宇,吴剑.轴对称解对隧道衬砌水压力计算的适用性研究[J].现代隧道技术,2012,49(1):60-65.

[8]吴贵生.试验设计与数据处理[M].北京:冶金工业出版社,1997.

混凝土复合衬砌结构 篇2

摘要:随着经济社会的发展,水资源在国民经济中的战略地位逐步的体现出来,同时国家力主发展节约型社会,积极推行节水型城市的创建,如何提高水资源的利用率是一个关键问题。东营市位于黄河最下游,当地水资源比较缺乏,经济社会需水主要依赖于黄河水,节水措施显得尤为重要,目前东营市各大灌区均已实施了配套节水改造工程,干渠都已衬砌,结合工程实践经验,对渠道衬砌的结构型式进行研究,优化工程设计,提高工程质量。

关键词:渠道;衬砌;结构型式

一、衬砌型式

干渠衬砌工程不仅要满足防渗、护坡、减少糙率的要求,而且要经受冻胀等多种不利因素的考验,因此,渠道衬砌型式必须考虑各种因素的影响。

1、自然与地质条件

气温:工程地区多年平均气温12.8℃,月平均最低气温-2.8℃(1月),极端最低气温-23.3℃,根据国家气候分区标准属温和地区。多年平均最大冻深0.64米。

土质:根据工程地质报告,渠道沿线为黄河近代沉积土层,以粉土、粘性土为主,多数渠段粘粒含量在10%左右,极少数在20%左右,属冻胀土。

地下水:四干渠下游段为半地下渠,衬砌板需采取排水措施。

2、衬砌型式

根据沿线工程地质,渠道采用全断面防渗衬砌型式。

二、衬砌结构

1、衬砌高度

渠道设计水深2.20m,堤顶高3.0m,根据规范规定,渠道内坡衬砌顶高程应高于设计水位0.3m～0.8m,结合项目实际情况,本工程取0.4m。

2、防冻胀结构

①防冻胀措施的选定

根据研究和试验,造成渠道冻胀破坏的主要因素为低气温、冻胀性土壤及高含水率。本项目所在地区,冬季气温低,负温持续时间长,土壤组成多为粉沙含量高的冻胀性土壤,再加上农田冬灌时需要在冬季输水,因此,渠道在运行中出现冻胀现象是必然的。

根据曹店干渠观测资料,负温指数为282℃.d的1985～1986年,渠道阴坡上部的最大冻土深度为64cm,阴坡下部的最大冻胀量达14.27cm,对混凝土衬砌结构产生了严重的破坏。为防止渠道边坡的混凝土衬砌板产生冻胀破坏,设计中必须采取可靠的防冻胀措施。

目前,渠道衬砌采取的防冻胀措施主要有排水法、换土法和保温法。排水法需要在混凝土衬砌结构以下铺设排水体和排水管道,以排除地下水,降低地下水位,减少渠堤土的含水量,采用排水法施工工艺较为复杂,工程质量难以保证。换土法必须把渠堤的冻胀土壤换成不冻胀的砂砾料,换砂厚度要求在冻深的60～80%以上,需要大量的砂砾料,工程费用高,且施工复杂。保温法是采用具有良好保温效果的材料,阻止或削弱渠堤与外界的热量交换,减少基土的温度下降幅度,从而减少冻结深度,防止冻胀破坏。综合以上三种方法,结合本工程特点,确定采用保温法进行防冻胀设计。

②防冻胀材料的选定

聚苯乙烯泡沫塑料是一种优良的隔热保温材料,具有吸水性小、不透水、耐腐蚀和抗老化等优点,根据国家标准,其导热系数为0.038千卡/米小时度,仅为混凝土导热系数的2%左右。近年来国内对聚苯乙烯泡沫塑料用于渠道衬砌结构防冻保温做了大量的试验研究,研究结果表明聚苯乙烯泡沫板具有良好的.防冻保温效果,在混凝土衬砌板下铺设一定厚度的聚苯乙烯泡沫板后,可以有效地消除或削减冻胀。由于聚苯乙烯泡沫保温板具有一定的压缩性,可以消减对混凝土的冻胀力,而且采用聚苯乙烯泡沫板保温,具有造价低、施工简单、施工质量易保证等优点。据此,采用聚苯乙烯泡沫板保温,是本工程渠道衬砌防冻胀材料的最佳选择。

根据有关工程经验,参照《渠道防渗工程技术规范》,混凝土衬砌的允许冻胀量为:阳坡2cm,阴坡3cm。经输水期、完建期冻胀计算,其计算值按减少35%进行折减后,本工程东西向阳坡、阴坡均需采取防冻保温措施。

③保温板铺设厚度确定

根据山东省水利科学研究院实验研究成果,聚苯乙烯泡沫板保温板的厚度,采用下式计算:

hb=λb(H/λ土-hS/λS)

式中:hb―聚苯乙烯泡沫板保温板的厚度(米);

hS―混凝土板的厚度(米);

λb―聚苯乙烯泡沫板的导热系数(千卡/米小时℃);

λ土―渠堤土的导热系数(千卡/米小时℃);

λS―混凝土板的导热系数(千卡/米小时℃);

H―等效土层厚度(米)。

对于东西向渠道阴坡,可忽略太阳照射的影响,H按公式

H=(P×a/π)1/2ln(A/t)计算

式中:P―温度变化周期,取365日计算;

a―渠堤土的导温系数(m2/日);

A―气温的年变幅(℃);

T―年平均气温(℃)。

对于东西向渠道阳坡,由于受到不同程度的阳光照射,能吸收其辐射热量,所需保温层厚度可小些,其等效土层厚度按下式计算:

H=(P×a/π)1/2ln[A/(t+△t)]

△t={mαSO×13.7×[1-(1-0.32)n]}/β

式中:

△t―太阳辐射而增加的温度(℃);

m―渠道走向影响系数,据省水科院成果确定;

α―混凝土的吸热系数,取α=0.65;

SO―年平均辐射能(千卡/米2时),根据《水工混凝土结构的温度应力与温度控制》中有关资料确定;

N―云量,由气象部门统计资料确定;

β―混凝土的放热系数,取2千卡/米2时度;

根据以上公式计算,阴坡保温板的厚度为30mm,阳坡保温板的厚度为20mm。

三、衬砌结构

四干渠下游段为半地下渠,部分衬砌结构受地下水影响。对于不受地下水位影响的渠段,渠道内坡衬砌结构自上而下分别为:

①浆砌C20混凝土预制板,厚60mm。

②聚苯乙烯泡沫保温板,阴坡厚30mm,阳坡厚20mm。

③复合土工膜:规格为一布一膜,铺设时膜面朝上。

对于受地下水位影响的渠段,混凝土预制板设无砂混凝土块排水孔,并在衬砌结构底部铺设中粗砂垫层,厚100mm。衬砌结构设排水孔的渠段,复合土工膜换为土工布。

另外,衬砌坡顶设C20现浇混凝土封顶板,厚100mm;坡底设现浇C20混凝土镇脚,高500mm,底宽500mm。

渠底采用200mm厚12%水泥土作防渗层,灰土厚200mm。

四、主要材料

①素砼预制板:采用矩形等厚板,板厚60mm;混凝土强度等级为C20,抗渗等级为W6,抗冻等级为F100。根据抗冻要求,掺加一定比例的引气剂。最大水灰比不超过0.55。

②聚苯乙烯保温板:根据冻胀量计算,参照有关工程经验,阴坡保温板厚30mm,阳坡保温板厚取20mm,保温板的性能指标应符合《渠道防渗工程技术规范》(SL18-91)规定。

③复合土工膜:规格为一布一膜,其中下层为200g/m2的土工布,上层为0.25mm厚的塑膜。

④水泥土:渠底采用12%水泥掺入量的水泥土作防渗层,厚200mm。

五、主要细部构造

①预制砼板的砌筑缝:所有预制砼板一律采用长边横卧铺砌,每个分段的第一行一律砌整板。为了错缝需要,第二行在两端各用一块半板,以上各行依次重复错缝铺砌。用M15干硬性水泥砂浆填缝。

隧道衬砌混凝土裂缝的成因与防治 篇3

【摘 要】在山岭隧道施工中，二次衬砌混凝土裂缝成为带有一定普遍性的质量问题。文章针对混凝土裂缝产生的原因，提出裂缝的预防和治理方法，对提高混凝土衬砌施工水平有借鉴意义。

【关键词】隧道施工；混凝土裂缝；原因分析；防治措施

随着国民经济的发展，山岭地区新建公路越来越多，隧道工程所占的比例逐步增大。隧道二次衬砌施工普遍采用整体式钢模板台车、泵送混凝土施工工艺，但混凝土硬化过程中产生的裂缝不仅影响了美观，还给工程质量留下了隐患。施工中必须采取合理的工程技术措施，控制和减少混凝土中裂缝的数量和宽度。本文分析了混凝土裂缝产生的原因，并提出了缓解裂缝产生的措施。

1.裂缝的类型

隧道衬砌混凝土裂缝类型主要有：干缩裂缝、温度裂缝、外荷载作用产生的变形裂缝、施工缝处理不当引起的接茬缝等。

1.1干缩裂缝

混凝土在硬化过程中水分逐渐蒸发散失，使水泥石中的凝结胶体干燥收缩产生变形，由于受到围岩和模板的约束，变形产生应力，当应力值超过混凝土的抗拉强度时，就会出现干缩裂缝。干缩裂缝多为表面性的，走向没有规律。影响混凝土干缩裂缝的因素主要有：水泥品种、用量及水灰比，骨料的大小和级配，外加剂品种和掺量。

1.2温度裂缝

水泥水化过程中产生大量的热量，在混凝土内部和表面间形成温度梯度而产生应力，当温度应力超过混凝土内外的约束力时，就会产生温度裂缝。裂缝宽度冬季较宽，夏季较窄。温度裂缝的产生与二次衬砌混凝土的厚度及水泥的品种、用量有关。

1.3荷载变形裂缝

仰拱和边墙基础的虚碴未清理干净，混凝土浇筑后，基底产生不均匀沉降；模板台车或堵头板没有固定牢固，以及过早脱模，或脱模时混凝土受到较大的外力撞击等都容易产生变形裂缝。荷载变形裂缝在隧道衬砌混凝土病害中占有的比例逐年增大，已经引起了广大工程技术人员的重视。

1.4施工缝（接茬缝）

施工过程中由于停电、机械故障等原因迫使混凝土浇筑中断时间超过混凝土的初凝时间，继续浇筑混凝土时，原有的混凝土基础表面没有进行凿毛处理，或者凿毛后没有用水冲洗干净，也没有铺水泥砂浆垫层，就在原混凝土表面浇筑混凝土，致使新旧混凝土接茬间出现裂缝。

2.裂缝形成的原因分析

混凝土裂缝形成的原因非常复杂，往往是多种不利因素综合作用的结果。据有关统计，施工不规范造成的混凝土裂缝占80%左右，材料质量差或配合比不合理产生的裂缝占15%左右，设计不当引起的裂缝可能占5%。

2.1设计粗糙，建设、监理单位工作随意性大

由于多方面的原因，勘察设计单位无法深入地开展地质勘探工作，隧道围岩类别评价及支护结构设计缺乏科学依据，带有一定的盲目性。个别建设单位限于自身管理和专业技术水平的欠缺，任意变更原设计。少数工程由业主的内部人员组成监理机构，监理工作失去了独立性。

2.2施工工艺或现场操作不规范

（1）隧道开挖成型差，衬砌混凝土厚度严重不均匀；欠挖或初期支护侵入衬砌限界，造成衬砌混凝土厚度不足。个别隧道衬砌混凝土背后存在脱空现象。

（2）未开展监控量测工作，仅凭经验来确定二次衬砌的施作时间，安全可靠性差，造成二次衬砌超设计荷载承受围岩压力。

（3）混凝土生产时原材料计量误差大，尤其外加剂的掺加随意性大，没有根据砂、石料的实际含水率及时调整施工用水量，造成混凝土水灰比增大。在混凝土运输及泵送过程中加水的现象也比较普遍。

（4）采用整体式钢模板台车施工，混凝土浇筑时不振捣或漏振，混凝土均质性差。

（5）盲目追求施工进度，随意提前脱模时间，使低强度混凝土过量承受荷载，破坏了混凝土结构。脱模后没有进行混凝土的潮湿养护。

（6）夏季施工时砂、石料露天堆放，无切实有效的降温措施，混凝土入模温度高。冬期施工时采取的防寒保温措施不力。

2.3原材料质量差、配合比设计不合理

水泥品种选择不当，安定性不良，不同批次的水泥混用。碎石、砂级配差，含泥量超标，碎石中石粉含量大，针、片状物过多，影响了水泥与骨料的胶结。在进行配合比设计时，对掺合料和外加剂的选用缺乏专业技术人员的指导，往往达不到预期的效果。

3.混凝土裂缝的治理

混凝土作为多组材料组成的脆性材料，裂缝的存在是客观的。作为施工单位应加强衬砌混凝土的施工管理，避免或减少混凝土裂缝的产生。对于出现的裂缝，应认真分析原因，分清是有害裂缝还是无害裂缝，并对有害裂缝进行处理，防止裂缝继续发展，影响衬砌结构的稳定。

3.1细微裂

隧道衬砌混凝土表面常出现一些没有扩展性的细微裂缝，这种裂缝是稳定的，一般可自愈，不会影响结构的使用和耐久性。从美观考虑，可先清洗干净裂缝表面，然后涂刷环氧树脂浆液二至三遍，最后用刮抹料、调色料处理混凝土表面，使其颜色与周围衬砌混凝土颜色一致。

3.2贯通性裂缝

贯通性裂缝的危害较大，必须采取有效的治理方法。沿裂缝方向凿成宽5cm、深3cm的V形槽，在槽内骑缝每隔0.5m钻一孔，孔深为衬砌厚度的1/2或2/3，一般不少于15cm，并不得穿透衬砌以防跑浆。用清水冲洗干净槽内的杂物及粉尘，在孔内插入?10cm的压浆管，利用环氧树脂水泥砂浆锚固，用灰刀将砂浆压实抹光。压浆结束后在0.2MPa压力下压水检查压浆效果。裂缝表面用刮抹料和调色料处理。

3.3密集裂缝

衬砌背后有空洞或衬砌厚度不足引起的密集裂缝，必须进行防水和地层加固处理。沿裂缝两侧每隔1.2m～1.5m交错布点，凿成10cm×10cm大小深5cm的方槽，用风动凿岩机钻孔，孔深3m，安装WDT25中空注浆锚杆，注入水泥砂浆，灰砂比1：（3～5），水灰比1：1，施工时由下往上逐级注浆，注浆压力以0.4MPa～0.6MPa为宜。注浆24h后安装锚杆垫板，用环氧树脂砂浆抹平方槽，表面用刮抹料和调色料处理。

4.预防或缓解混凝土裂缝的措施

4.1提高设计精度，加强工程前期地质工作，为设计提供详尽的工程地质、水文地质勘探资料，提高设计的质量。

4.2把好材料进场关，严格控制原材料的质量和技术标准。

4.3严格混凝土施工工艺：

（1）提高钻眼技术水平，优化钻爆参数，提高光面爆破效果，加强隧道开挖断面检测，严格控制超欠挖，为衬砌施工创造良好的条件。

（2）二次衬砌施作时间，应在围岩和初期支护变形基本稳定时进行。当围岩变形较大、流变特性明显，需提前进行二次衬砌时，必须对初期支护或衬砌结构进行加强。

（3）混凝土的拌合：

①严格按施工配料单计量，定期检查校正计量装置。加强砂石料含水率检测，及时调整拌合用水量。

②控制混凝土的入模温度。夏季施工时，当气温高于32℃时，砂石料、搅拌机应搭设遮阳棚，用冷水冲洗碎石降温。尽量安排在夜间浇筑混凝土。

（4）混凝土的灌注：

①混凝土在运输和泵送过程中严禁加水。

②适当放慢灌注速度，两侧边墙对称分层灌注，到墙、拱交界处停1h～1.5h，待边墙混凝土下沉稳定后，再灌注拱部混凝土。

③混凝土灌注过程中必须振捣，提高混凝土的密实度和均质性，减少内部微裂缝和气孔，提高抗裂性。

（5）混凝土的脱模、养护：

①混凝土拆模时的强度必须符合设计或规范要求，严禁未经试验人员同意提前脱模，脱模时不得损伤混凝土。

②传统的混凝土洒水养护方法，增加了隧道内的文明施工难度，洒水也不均匀，使混凝土早期强度得不到保证。建议使用喷涂混凝土养护液的方法进行养护。

【参考文献】

混凝土复合衬砌结构 篇4

由于岩体、土体的性质具有显著的不确定性，所以山岭隧道结构分析中，工程经验一直起着主导作用。目前山岭隧道各围岩级别的支护参数主要依据工程类比确定，并辅以必要的计算分析。隧道初期支护参数一般都按工程经验确定，Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ级围岩由于岩体稳定性好，岩体本身具有很高的承载能力，故不再进行结构计算分析。Ⅳ，Ⅴ级围岩则应该在工程类比的基础上开展结构验算工作。

在山岭隧道结构验算中，由于荷载结构模型受力明确，容易为工程技术人员理解和掌握，目前仍然是山岭隧道结构验算的主要方法。采用该计算模型分析隧道结构时，一般仅计算二衬内力，其荷载则依据经验公式计算，并全部或部分加载到二衬结构上，以求得内力。该方法的缺点是不能得到初衬的内力，根据工程经验分配荷载比例难以得到精确的计算结果;忽略初衬，直接采用接地弹簧模拟地层对二次衬砌的约束和其提供的抗力，不尽合理。故本文主要探讨将两层衬砌结构作为整体，应用荷载结构模型计算结构内力的方法。

2 隧道整体荷载结构法计算

本文以某高速公路项目两车道隧道Ⅴ级、Ⅳ级衬砌的整体建模计算为例，简要介绍该计算方法。结构设计图见图1。

2.1 计算几何参数及材料

隧道衬砌结构几何参数及材料如表1所示。

2.2 计算荷载和计算模型

依据JTG D70-2004公路隧道设计规范相关规定，Ⅴ，Ⅳ围岩浅埋衬砌结构荷载计算结果如表2所示。

Ⅴ，Ⅳ围岩深埋衬砌结构荷载计算结果如表3所示。

计算时采用局部变形理论(即温克尔假定)考虑地层约束作用。将地基可以看成由无限多个各自孤立的弹簧构成，地基的沉降即相当于弹簧压缩，弹簧常数即相当于弹性压缩系数。

取隧道纵向1 m长度建立横断面计算模型。计算时采用梁单元模拟初期支护和二次衬砌结构;采用接地弹簧模拟地层约束和抗力;考虑两次衬砌之间不允许变形，且初期支护仅向二次衬砌传递径向力，而不考虑切向力，故采用释放弯矩的连杆连接内外两层梁单元的节点，以传递荷载作用。其计算简图见图2。

2.3 计算结果

按以上方法和各计算参数，采用SAP84计算软件，对Ⅴ，Ⅳ级深埋衬砌进行内力计算，得到各控制截面内力如表4所示。

由于篇幅限制，仅示出Ⅴ级深埋衬砌内力图，见图3～图8。

计算得到结构内力后，按现行隧规，根据相关判据，确定结构是受压强度控制，还是受拉强度控制后，根据容许应力法确定结构安全系数，并按照偏心受压构件配筋和验算裂缝宽度。

3 隧道按比例分配荷载计算

按照传统方法，初期支护完全按工程经验确定支护参数，二次衬砌按工程经验，并参考隧规对初支、二衬施工时，释放荷载比例的推荐值，对Ⅴ级浅埋隧道二衬取80%的荷载，Ⅴ级深埋隧道二衬取70%的荷载;对Ⅳ级深、浅埋隧道二衬均取60%的荷载进行校核。该计算方法荷载取值如表5所示。采用荷载结构法按以上荷载计算隧道二次衬砌内力如表6所示，内力图见图9，图10。

4 整体计算方法与按比例分配荷载的计算结果比较

两种方法计算二次衬砌的内力结果的比较如表7所示。

5 结语

本文简要介绍了采用荷载结构法，将山岭隧道的初支和二衬作为复合结构，整体计算内力的方法，并与传统的计算方法进行了比较，得到如下几点结论:

1)按复合结构整体采用荷载结构法计算山岭隧道结构内力，较普通方法更合理，更全面。

2)按整体计算方法，得到的内力结果与按经验分配比例计算得到的内力差异很小，从而证明该计算方法的可靠性。

3)整体计算隧道结构内力时，通过受压连杆来传递荷载至二次衬砌上，能得到较理想的结果，并且可以分别得到初期支护和二次衬砌的内力。

4)计算说明，就所举例的工程而言，隧道二次衬砌和初衬作为复合结构承担荷载，在正常使用状态下，Ⅴ，Ⅳ级围岩深埋隧道主要由二衬承担荷载，其比例约为Ⅴ级浅埋80%，Ⅴ级深埋70%，Ⅳ级深、浅埋60%。

参考文献

[1]JTG D70-2004,公路设计规范[S].

[2]关宝树.隧道工程施工要点集[M].北京:人民交通出版社,2003.

混凝土复合衬砌结构 篇5

随着矿井开采规模的加强和开采深度的不断增加,高应力软岩巷道的支护问题显得越来越突出。能否解决高应力软岩巷道的支护难问题,是煤炭开采向纵深发展和安全生产的关键问题之一[1]。目前,高应力软岩巷道大多采用锚喷支护、锚网喷支护及可缩金属支架,由于金属支架与常规的锚喷支护技术不能适用高应力软岩巷道大变形的要求,支护结构破坏之后常常需要进行巷道的重新翻修,浪费大量的人力和物力。因此,针对高应力软岩巷道支护特点,研究一种技术上合理、经济上可行的支护结构,具有较高的研究价值和现实意义。

本文利用大型地下结构试验台,进行高地压作用下原材料聚丙烯混凝土钢筋网壳复合衬砌结构模型试验,研究了聚丙烯混凝土钢筋网壳复合衬砌结构的力学性能、承载能力、衬砌的变形与受力特点,以确定这种新型支护结构能否满足高应力大变形巷道的支护问题。

1 模型试验

综合试验条件,试验取衬砌结构拱顶一片圆弧结构为原型,几何相似比为Cl=2。模型所用的材料与原型相同,即CE=Cp=1[2~3]。

1.1 模型制作

由相似条件可以确定,钢筋网壳复合衬砌支护结构试验采用直径为12mm的主弧筋,其余钢筋直径为8mm。制作完成的钢筋模型如图1所示。

试验采用的混凝土设计强度为C20。混凝土的配比为水泥:砂子:石子:水=1:1.84:1.84:0.45,纤维掺量为0.9kg/m3,试件厚度100mm,高400mm。试件浇注好后在室内养护28d,拆模后的试件如图2所示。

1.2 测点布置

在钢筋上布置22个测点。主弧筋上布置3个测点,次弧筋上4个测点,纵向桥架钢筋上5个测点,弧形桥架筋上3个测点,连接筋上3个测点。每个测点沿着钢筋走向粘贴应变片。同时在混凝土试块的内侧面中间和端部布置2个测点,每个测点贴纵横两个方向的混凝土应变片,如图3所示。

1.3 试件的加载与测量

试验在安徽理工大学地下结构试验台的基坑内进行。沿周边设置了3台油压千斤顶进行加载,每个油缸的最大压力为1000kN。为了模拟载荷均匀分布,用厚钢板和砂浆将千斤顶的点荷载转换成近似分布的面载荷。并在试件两端用抹上黄油的钢板固定,以实现试件可以沿径向滑动。测量设备采用了YE2539高速静态电阻应变仪和计算机。测量电路采用半桥方式。试验装置如图4所示。

根据油缸的标定曲线可以确定出油缸压力换算关系为:

式中,x—油缸的油压读数,MPa;

y—油缸的输出压力,kN。

再由加载油缸的个数,可计算出作用在试件上的总的工作压力。

钢筋混凝土网壳的径向位移可由混凝土的环向应变计算出来。

式中,ε軈—环向平均应变;

r—为壳体的内半径。

这里所计算的径向位移不包含由于因壳体两端沿支承面滑动而产生的刚体位移。在支护工程中,接头处是一个可缩垫块,在压力较大时其径向位移是很大的。

试验加载时,荷载按油压读数计算,其换算关系如式(1)所示。荷载从0.5MPa起步,之后每步以1.0MPa递增,直到试件破坏为止。

2 试验结果分析

试验中所用的钢筋是Q235A钢,其材料常数为:屈服极限σ=235MPa;弹性模量E=2.1×105MPa。

对试验数据结果进行归类,1、2、3号是主弧筋上的测点;4、5、6、7、8号是纵向桥架钢筋上测点;9、10、11、号是纵向弧形桥架钢筋上测点;12、13、14、15号是次弧筋上的测点;16、17、18号是连接筋上的测点;19、20、21、22号是混凝土纵向、环向上的测点,其中19、20号是环向,21、22号是纵向。

根据试验数据绘出应变荷载曲线图环向、纵向位移,如图5~图12所示。

该单片钢筋混凝土网壳的极限承载能力可以由式(1)算出,换算成工程单位为1437kN,这个承载能力相当可观,相当于U29钢棚的极限承载能力。从图5~图12可以看出,当荷载达到极限载能力值时,钢筋网壳复合衬砌内的主弧筋和次弧筋都接近或达到屈服状态,而其它钢筋则是处于较小的应力状态。所以,主要承载钢筋是主弧筋和次弧筋。钢筋网壳承载结构为外表面的一层钢筋,内部立体纵横交叉的钢筋支撑着外层钢筋,起着传力作用。可以看出,外表面承载结构衬托巷道围岩表面的压力。主弧筋受到的应力主要以拉应力为主,次弧筋则以受压为主,其它钢筋均以受拉为主,混凝土应力达到或超过其抗拉、抗压强度。这就说明钢筋网壳复合衬砌中的钢筋支架充分发挥了材料的特性,使结构受力均匀。

从混凝土的应变曲线图和混凝土的位移曲线图可以看出,混凝土纵向主要以受压为主,这充分发挥了混凝土的抗压强度的性能,同时纵向的位移量较小。而混凝土环向有拉有压,混凝土环向位移量较纵向有所增加,同时环向位移主要由拉应力产生。因此,钢筋网壳结构在现场应用时应该配合聚丙烯纤维混凝土使用,以免混凝土喷层在受拉时过早破坏,影响衬砌结构的整体承载能力。

在试验过程中发现,当油压加到9MPa时,试件的一端端部出现细微裂纹,但端面没有破坏,在两端面约束处可以观察到有径向滑动的痕迹,如图13所示。但整个聚丙烯纤维混凝土钢筋网壳复合衬砌还是稳定的。从应变曲线和位移曲线的规律可以看出,复合衬砌的承载力还有一定的空间。继续加载试验时可以看出,试件无明显变化。当加到12MPa时,试件一端支承面的上部出现开裂现象,同时,端部出现掉皮现象。裂缝的主体和掉皮现象均出现在混凝土保护层中,这对钢筋混凝土结构的承载力影响不大。荷载加到14.5MPa时,钢筋网壳复合衬砌支护结构破坏,复合衬砌结构的一端破坏,同时,在靠近复合衬砌中对称面附近出现几条倾斜的裂纹,这与理论分析结果相吻合。破坏面为一个斜截面,如图14所示。根据Mohr—Coulomb强度准则可以判定其为压剪破坏。

在试验过程中发现,复合衬在破坏时,只是在靠近复合衬砌中对称面附近出现几条倾斜的裂纹,而端部已发生破坏。根据分析,这主要是出现了应力集中现象,使试件端部过早破坏,因而降低了整个复合衬砌的承载能力,其实衬砌结构的承载能力还有增大的空间。但在现场应用时,因为网片之间用一个木垫板用螺栓固定,木垫板具有一定的可缩性,所以不会出现应力集中现象。从试验中还可以看出,拱形段是非常坚固的,试件破坏时只是出现微小的细纹,因此该种复合衬砌结构在现场应用时要是把衬砌直腿段改用曲腿,承载能力将会大幅度提高,再加上两帮及底脚锚杆,还可在一定程度上制止底臌,从而确保巷道支护的长期稳定。

3 结语[4]

(1)当荷载达到极限载能力值时,钢筋网壳复合衬砌内的主弧筋和次弧筋都接近或达到屈服状态,其余的钢筋都是在较小的荷载水平下,混凝土应力达到或超过其抗拉、抗压强度。这就说明钢筋网壳复合衬砌中的钢筋支架充分发挥了材料的特性,使结构受力均匀,避免出现应力集中现象。

(2)混凝土环向有拉有压,位移以拉伸为主,此时,聚丙烯纤维混凝土能发挥其良好的抗拉性能,因此,钢筋网壳结构在现场应用时应该配合聚丙烯纤维混凝土使用,以免混凝土喷层在受拉时过早破坏,影响衬砌结构的整体承载能力。

(3)根据试验过程与破坏形态,判定衬砌为压剪破坏,并可以计算出该单片钢筋混凝土网壳的极限承载能力为1437kN。这基本相当于U29钢棚的承载能力。该种衬砌结构足以在Ⅳ类围岩条件下可靠支护软岩巷道。从试验中可以看出,拱形段是非常坚固的,试件破坏时只是出现微小的细纹,因此该种复合衬砌结构,在现场应用时要是把衬砌直腿段改用曲腿,承载能力将大幅度提高,再加上两帮及底脚锚杆,还可在一定程度上制止底臌,从而确保巷道支护的长期稳定。

(4)从试验结果可推知,该种支护结构能满足高应力大变形巷道支护的要求。

摘要：利用大型地下结构试验台,进行了围压作用下聚丙烯纤维混凝土钢筋网壳复合衬砌模型试验,研究了该支护结构的力学性能和承载能力以及支护系统的变形、破坏形态与发展规律,可为理论分析计算和工程应用提供依据。

关键词：软岩巷道,钢筋网壳,复合衬砌,试验研究

参考文献

[1]庞建勇,刘松玉.公路软岩隧道半刚性网壳锚喷衬砌新技术研究[J].公路交通科技,2004,21(6):41-43.

[2]崔广心.相似理论与模型试验[M].徐州:中国矿业大学出版社,1990.

[3]兀.H.谢多大.力学中的相似方法与量纲理论[M].北京:科学出版社,1982.

多孔混凝土衬砌结构施工工艺探讨 篇6

1 工程概况

某已建隧道工程由主线及支线组成, 整体走向呈“人”字型, 具体的工程参数如下所示:主线隧道按Ⅲ类城市交通隧道建设, 采用分离式独立双洞设计, 隧道单洞宽9 m, 净高7.5 m, 洞口净间距为17m;设计起止桩号为K0+540.00~K1+900.00, 长度1440 m, 洞体走向近似为南北;支线隧道按Ⅲ类城市交通隧道建设, 采用单向单洞双车道设计, 隧道单洞宽9 m, 净高7.5 m;设计起止桩号为Y3K1+99.565~Y3K1+960.00, 长度860.435 m, 洞体走向近似为西北—东南。表1列出了隧道围岩各岩层的参数。围岩从地面起自上而下第一层为厚度16 m的残积土, 第二层为厚度13 m的强风化花岗岩, 第三层为弱风化~新鲜花岗岩。其中隧道位于第三层。

2 隧道衬砌结构预留孔道的施工方法

2.1 预留孔道的施工工艺

陈明莉[5]指出目前混凝土施工中最常用的两种施工工艺是波纹管预留孔道和橡胶抽拔棒预留孔道, 且橡胶抽拔棒无论质量还是成本都较低。衬砌管片管孔可为抛物线形或直线形, 孔道预留可采用橡胶抽拔棒, 也可采用波纹管。对于长10 m以内的孔道, 可采用单根橡胶棒从一端进行抽拔;对于长10 m以上的孔道, 可以采用2段橡胶棒分别从两端进行抽拔, 中间的连接处可以外套长30 cm的波纹管, 并用胶带密封。

张恒仁等[6]介绍了陕西奉天橡胶厂生产的一种扁体橡胶抽拔棒, 其扯断伸长率很大, 纵向伸长后径向会有较大的收缩, 在混凝土终凝后的任意时间内都可以顺利将其抽拔出。该种橡胶抽拔棒内面插有圆钢, 能保证混凝土振捣过程中, 孔道不变形, 并保证孔道周围混凝土密实;最终形成的孔道光滑顺直;可以重复使用, 性价比高。要求混凝土终凝后1小时内将橡胶棒中的圆钢拔出。

对于采用波纹管预留孔道, 它的施工好坏直接关系到构件的张拉质量。施工过程中要注意严格按照设计要求在底模上放样定位, 将钢筋牢固的安装于钢筋骨架上, 为避免砂浆进入波纹管, 在波纹管的接头处需要另加套管, 此处可用胶带将其包裹密实。

2.2 质量对比分析

陈明莉[5]对两种施工工艺进行了质量对比分析, 指出波纹管预留孔道属于埋设管道法, 它的缺点是在混凝土浇筑振捣过程中易导致其发生变形甚至破裂。抽拔式橡胶棒预留孔道, 它的缺点一是拔胶管时间过早易导致塌孔变形, 二是拔胶管时间过晚易导致拔不出, 最终成孔失败。若采取适当的措施, 上述的问题都可以避免, 所以以上两种施工方法均可以满足工程需求。由于后张法孔道的设置并非多数采用多曲线型, 而是采用抛物线或直线型, 因此不需要提前埋束, 橡胶棒也比较容易拔出, 所以以上两种预留孔道的方法都可以满足穿束的要求。

2.3 成本对比分析

陈明莉[5]对两种施工工艺的成本进行了对比分析, 指出按照现今的市场行情, 波纹管按7元/m计算, 若管道采用横向布置, 每片梁按设置100 m的孔道计算, 共需花费约700元左右。橡胶抽拔棒约每米30元, 每片梁共需要花费材料成本3000元, 但由于其可以重复使用, 若按摊销20次来算, 每片梁共需花费约150元左右。由此可以得出, 采用橡胶抽拔棒比较经济, 每片梁比波纹管节省约450元左右。

3 隧道衬砌结构预留孔道的设置及成型构造

仿照后张法预应力混凝土构件的施工工艺, 一般预留孔道净距不小于25 mm, 孔道至构件边缘的净距不小于25 mm, 且不小于孔道直径的一半。

考虑到孔道成形的方便性, 本文选用圆形孔道形式来建立多孔混凝土衬砌结构。尽量减少孔道对衬砌结构承载力的影响, 并考虑隧道衬砌结构的平面应变特性, 本文采用小孔道、密集布置于靠近隧道净空表层的方式, 取孔道直径30 mm, 将孔道圆心设置在距衬砌内表面35 mm位置处, 沿隧道纵向的间距为60 mm。孔道宜沿隧道环向设置, 不仅施工工艺较为成熟、经济性好、减轻了结构自重且孔道可以与结构的外排水设施连通, 方便其内排水。

4 结语

通过本文的研究可知:多孔衬砌结构中孔道的预留, 可以采用橡胶抽拔棒或者波纹管的方式, 施工简单, 造价低。衬砌结构孔道采用圆形小孔均匀、密集布置于隧道净空表层的方式, 且宜沿隧道环向设置, 不仅施工工艺较为成熟、经济性好、减轻了结构自重且孔道可以与结构的外排水设施连通, 方便其内排水。

参考文献

[1]BAZANT Z P.Analysis of pore pressure, thermal stresses and fracture in rapidly heated concrete[A].Proceedings of International Workshop on Fire Performance of HighStrength Concrete (NIST Special Publication 919) [C].Gaithersburg:NIST, 1997:155-164.

[2]闫治国.长大公路隧道火灾研究[D].西南交通大学研究生学位论文, 2002, 12.

[3]郭清勋译.添加有机纤维对耐火混凝土透气性的影响[J].国外耐火材料, 1999, (4) .

[4]肖建庄, 李杰, 孙振平.高性能混凝土抗火最新研究进展[J].工业建筑, 2001, 31 (6) .

[5]陈明莉.后张法预制16 m空心板梁中不同施工工艺的质量与成本对比分析[J].福建建设科技, 2009, (2) .

混凝土复合衬砌结构 篇7

关键词：长大隧洞,衬砌结构,混凝土自防水技术,CSA防水剂

1 工程介绍

辽宁省大伙房输水工程从辽东的桓仁县浑江引水至桓仁水库,再以隧道封闭式自流引水至新宾县苏子河,借助重力作用,下流入抚顺市境内的大伙房水库,向抚顺、沈阳、辽阳、鞍山、营口、盘锦、大连等7座严重缺水的城市供水。工程建成后,每年将增加17.8亿m3的水量,能大大缓解各城市的用水压力,改善水质,避免超抽地下水引发地表沉降,保护生态环境。工程投资52.18亿元人民币,隧道总长85.32 km,建成后将超越目前公认最长的瑞士歌塔德隧道(总长50.76 km),成为世界最长的输水隧洞工程。

大伙房输水工程全部采用隧洞和管道封闭输水,由特长隧洞(包括14个支洞)和进出口建筑物组成,设计断面为圆形,洞径为8.03 m,引水流量为70 m3/s,采用TBM掘进机与钻爆同时掘进的施工模式,其中钻爆法施工段长度近27 km。在修建过程中,曾遭遇坍方、涌水、涌砂等灾害,工程异常艰巨。

隧洞内地下水通过衬砌流失会引起隧洞周围围岩的疏松和软化,恶化衬砌结构的受力状态,引起地下水位下降,影响工程的正常使用,还会带来生态环境破坏等问题。为此,现行的隧道防水规范对隧道及地下工程提出的防水要求很高,原则为“以堵为主,堵排结合,限量排放,甚至零排放”。作为世界第一长输水隧洞的大伙房输水工程,不能允许地下水通过衬砌流失。因此,针对隧洞六河段富水地段,成立了项目研究课题组开展了二次衬砌结构自防水混凝土的技术研究。

2 衬砌结构自防水混凝土技术研究

2.1 防水混凝土技术概况

国内外常把结构自防水作为防水的重要手段。混凝土自防水技术的成功应用,可以避免工程中采用过多的防水措施,简化防水程序。依靠混凝土结构自防水的关键是施工时必须确保混凝土密实并控制混凝土不产生裂缝,消除普通防水混凝土存在的收缩开裂现象。我国目前研究开发的补偿收缩混凝土,是在水泥中掺入使混凝土具备抗裂、防渗功能的复合外加剂拌制而成,通过材料和施工两方面采取措施使混凝土起防水的作用。掺加复合外加剂的防水混凝土可以达到比较理想的抗裂、防渗效果,可以保证二次衬砌混凝土自防水的有效性。

2.2 防水混凝土的设计原则

为保证隧道及地下工程防水的效果,防水混凝土的抗压、抗渗等级应根据工程具体情况及要求合理确定,而不是混凝土的强度等级愈高愈好,尤其高强度混凝土的水泥用量偏高,致使混凝土收缩增大而出现裂缝,造成渗漏。除此之外,简单地依靠抗渗等级的提高来解决混凝土的防渗问题也是不科学的,通常混凝土的抗渗等级很容易达到设计的要求,而渗漏水的问题依然未得到解决,究其原因是混凝土裂缝未得到控制,渗漏水从微裂缝中流出,致使防水混凝土不防水。因此,必须选择适当的添加剂,控制混凝土裂缝的产生,提高混凝土的密实度。

2.3 防水混凝土添加剂

2.3.1 作用机理

外加剂防水混凝土是依靠掺入少量有机或无机外加剂来改善混凝土的和易性,提高其密实性和抗渗性,以适应工程防水需要的一种防水混凝土。

早期的混凝土外加剂以单一的组分为主,如:减水剂、加气剂、膨胀剂、早强剂等。单一外加剂防水混凝土存在防水功能不足的缺憾。随着科技的发展,我国近年来开发了多功能综合型复合高效混凝土添加剂,弥补了单一混凝土外加剂的不足,具有明显的优势。目前在城市地下工程以及隧洞工程中,较常使用的是多功能综合型复合高效混凝土添加剂。

2.3.2 外加剂的选择

本工程选择了满足衬砌混凝土抗裂、防渗、防水等性能的几种复合型添加剂及膨胀剂,如CSA混凝土抗裂防水剂、YF-3型多功能复合微膨胀剂、JM-PCA(Ⅰ)混凝土超塑化剂,经综合比较,结果如下:CSA混凝土抗裂防水剂具有高效膨胀抗裂防渗、高效减水增强、凝结时间可调可控、塑性膨胀及防渗减缩性能好、不泌水、不离析以及可泵性良好等特点,可用于大伙房长大输水隧洞衬砌抗裂防水混凝土的配合比设计中。

2.4 CSA混凝土抗裂防水剂

2.4.1 材料介绍

CSA混凝土抗裂防水剂是由多种有机和无机组分配制而成的多功能刚性防水材料,其中不仅含有高效膨胀抗裂组分,而且配有塑性膨胀及防渗减缩组分,成功地将塑性膨胀、硬化后的膨胀与减缩有机结合,达到防水与抗裂的双重目的。利用CSA混凝土抗裂防水剂可以配制成同时具有防渗、抗裂、减水、缓凝、早强、高强、防冻和可泵送等功能的外掺剂,其作用原理如下:

1)抗裂作用:CSA混凝土抗裂防水剂中的Ca O、C4A3S、Ca SO4等物质,可随着混凝土中水泥水化过程的进行与水发生反应,形成钙矾石,此反应过程伴随着充足的体积膨胀。由于混凝土受钢筋和自身产生的强度的限制,不至于产生明显的外观体积膨胀。但抗裂防水剂产生的膨胀在混凝土内部却产生了一定的膨胀应力,当混凝土由于干燥产生收缩应力时,该膨胀应力释放,抵消或补偿干缩应力,除减少混凝土的塑性收缩外,对于硬化后的混凝土所产生的微膨胀,还可补偿或减少混凝土的体积收缩。CSA混凝土抗裂防水剂中含有的防渗密实组分和减缩组分,使得混凝土后期收缩小,混凝土的密实性比只掺加膨胀剂的混凝土的密实性进一步提高,从而避免混凝土产生裂缝。

2)防水作用:抗裂防水剂的膨胀使混凝土本身由于内部水化产物的相互挤压而密实;抗裂防水剂中的防水组分随着水泥水化过程的进行产生细小的颗粒,填充了混凝土的微细孔,也起到增加混凝土密实度的作用。上述两种密实作用的共同效果,使得混凝土的密实度得到大幅提高,有效地提高了混凝土抗渗防水性能。

2.4.2 品质指标

CSA混凝土抗裂防水剂为粉状物,低碱、无氯,对钢筋无锈蚀作用;细度(0.315 mm筛余)≤15%;含水率≤5%;水泥净浆流动度≥200 mm;掺量:8%~10%(内掺,取代胶凝材料量)。

2.4.3 技术性能

水泥中掺入8%~10%的CSA混凝土抗裂防水剂,可产生0.2‰左右的微膨胀,补偿或减少混凝土的体积收缩;CSA混凝土抗裂防水剂的膨胀稳定期短,一般14d后不再有明显的膨胀,对混凝土后期强度无影响;掺CSA混凝土抗裂防水剂可明显提高混凝土的抗渗性,可使混凝土抗渗标号高达P30;可大幅提高混凝土的黏聚性,使大流动性的混凝土不离析不泌水。

根据工程需要,CSA混凝土抗裂防水剂可配入减水和缓凝组分,与不掺CSA抗裂防水剂的混凝土相比,减水率提高至16%~20%,混凝土坍落度提高10 cm以上,凝结时间延长6~18 h,可配制出不泌水、不离析并具有良好可泵性的防水混凝土。

2.5 性能测试

在实验室内对CSA混凝土抗裂防水剂进行了性能测试,见表1—3。

从性能测试的结果可以看出:CSA抗裂防水剂的各项性能均能达到标准要求;添加量在8%以上时,各项性能就达到了比较好的水平;抗裂防水剂对各个厂家生产的水泥都有较好的适应性。

2.6 防水混凝土配合比设计

本试验中对掺用CSA抗裂防水剂并结合提高密实度的综合措施拌制的混凝土进行试验,抗渗压力达到3.51 MPa时,试件未发现透水现象,抗渗标号最高达到W35,远超出设计要求抗渗W6,抗渗效果明显,说明了该项技术的可靠。

在实验室试验成果的基础上,详细比较了各种外加剂的相关性能,课题组选用了CSA抗裂防水剂配制防水混凝土。配合比设计以实验室试验与现场试验相结合的方式进行。所选用的CSA混凝土抗裂防水剂具有替代水泥、减少用水量的作用(可以作为掺和料计入胶凝材料的总量),故试验取用水泥的量为274 kg,比规定的280 kg少了6 kg,水灰比定为0.435。在大伙房六合段输水隧洞现场试验实施时,考虑到满足规范和设计的要求,将水泥用量调整为300 kg以上。

2.6.1 自防水混凝土技术标号

选择D&B3施工段为现场试验施工段。按施工要求,D&B3施工段衬砌混凝土技术标号见表4。

2.6.2 自防水混凝土配合比试配强度的确定

根据《水工混凝土配合比设计规程》(DL/T 5330—2005)及《水工混凝土施工规程》(DL/T 5144—2001)和现场施工管理水平等因素,确定混凝土配合比的试配强度,如表5所示。

2.6.3 自防水混凝土配合比的确定

大伙房D&B3施工段自防水混凝土配合比,以前期实验室试验的配合比为基准,原材料依据《水工混凝土配合比设计规程》(DL/T 5330—2005)及《水工混凝土试验规程》(DL/T 5150—2001)有关要求,结合现场实际情况,进行骨料级配的选择、混凝土砂率及单位用水量的确定。经试配调整、分析校正,优选出自防水混凝土施工配合比,见表6。

按规范的要求,进行了抗压强度、抗渗、抗冻性等试验,其性能结果均满足设计要求。

为确保结构物不渗不漏,施工过程中要特别注意浇捣密实和养护精细。

2.7 技术成果应用

在实验室研究的基础上,课题组选择了辽宁大伙房输水隧洞六河段衬砌混凝土渗漏水较严重的8号洞上游进行施工现场试验。试验采用掺加CSA抗裂防水剂、粉煤灰和调整混凝土配合比配方的方法,以达到控制裂缝产生的目的,提高混凝土衬砌结构自防水的能力。

本试验段共进行了3个浇筑段的试验,各试验段的内容如下:

试验段1:为空白对照段(不添加粉煤灰和CSA抗裂防水剂),里程桩号K15+900~15+912;

试验段2:为不添加粉煤灰只掺加CSA抗裂防水剂试验段,里程桩号K15+912~15+924;

试验段3:为添加粉煤灰和掺加CSA抗裂防水剂试验段,里程桩号K15+924~15+936。

上述浇筑块混凝土模板拆除后,混凝土表面光洁细滑未出现裂缝及渗漏水,外观质量良好。

现场试验结果:掺加CSA抗裂防水剂和粉煤灰的试验段,拆模后未见漏水点;只掺加CSA抗裂防水剂的试验段,拆模后仅有3处漏水点(2处点状渗水,1处横向裂缝渗水);不掺加CSA抗裂防水剂和粉煤灰的试验段,拆模后有10处漏水点(8处点状线流式出水,2处横向裂缝面状线流式出水)。现场试验照片见图1—4。

2.8 结果讨论与经济性分析

实验室与现场试验的结果表明:

1)掺入抗裂防水剂不仅可以减少混凝土的塑性收缩,还可以减少混凝土硬化后的体积收缩;

2)混凝土的密实性比掺膨胀剂的混凝土高,而且可以大大提高混凝土的抗渗标号(大于P30);

3)掺入抗裂防水剂的混凝土黏聚性好,不离析、泌水,有效防止蜂窝麻面的出现;

4)掺入抗裂防水剂的混凝土膨胀稳定期短,14 d后不会再有明显膨胀,对混凝土后期强度无影响,治本效果明显,可达到混凝土抗裂防水的目的,节省了大量的后期渗漏水整治费用,综合效益显著。

根据每m3混凝土使用的水泥、CSA抗裂防水剂、粉煤灰等现场材料(其余材料的费用变化及影响不大,故不予以计入)的价格计算,每m3混凝土费用增加约39元(只掺加CSA抗裂防水剂)~41元(掺加CSA抗裂防水剂、粉煤灰)。鉴于前期在混凝土浇筑中所增加的费用远比后期对混凝土裂缝及出水点的治理耗费的人力、物力低,后期治理难度高且效果有限,因此采用抗裂防水混凝土技术能够取得显著的社会效益和经济效益。

3 技术成果推广

大伙房输水隧洞工程中,以第一阶段试验成果为基础,由业主单位指定从2006年6月4日开始使用自防水混凝土,在D&B3施工段8号洞进行连续浇筑。截止至2006年6月20日,延续试验共进行了11个浇筑段的自防水混凝土浇筑,其中8号洞上游6个浇筑段,下游5个浇筑段。经对比,第二阶段共浇筑的11段自防水混凝土外观质量明显优于未采用自防水混凝土的块体,混凝土各项性能指标均满足设计要求。

根据自防水混凝土在大伙房D&B3施工段8号洞、7号洞的现场试验结果来看,自防水混凝土较普通混凝土相比混凝土自身抗裂及防水能力增强,混凝土表面光洁度显著提高,各项性能指标均满足设计要求。经业主、设计单位、监理单位批准,大伙房D&B3施工段自防水混凝土研究成果正式用于生产,并作为优秀科研成果项目在全线隧洞富水地段二次衬砌混凝土中进行了推广,取得了成功。

4 结论

辽宁省大伙房输水工程长大隧洞富水地段二次衬砌防水混凝土的浇筑中,在混凝土中掺入CSA抗裂防水剂(复合型)和粉煤灰等材料,有效控制了裂缝的产生,提高了混凝土的密实度,达到了抗裂防渗的目的,防水效果明显,经济合理。