基于山嶺隧道高性能噴射混凝土應(yīng)用研究進(jìn)展

孫雅珍, 何放, 王金昌, 王龍巖, 譚長(zhǎng)根

(1.沈陽(yáng)建筑大學(xué)交通與測(cè)繪工程學(xué)院, 沈陽(yáng) 110168; 2. 沈陽(yáng)建筑大學(xué)土木工程學(xué)院, 沈陽(yáng) 110168;3. 浙江大學(xué)交通工程研究所, 杭州 310058; 4. 浙江交工路橋建設(shè)有限公司, 杭州 310051)

近10年以來,在“一帶一路”倡議的協(xié)同推進(jìn)下,中國(guó)山嶺隧道建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大,不斷刷新一個(gè)又一個(gè)世界紀(jì)錄。建成了如秦嶺終南山隧道、錦屏山隧道等11座長(zhǎng)度10 km以上的超長(zhǎng)山嶺公路隧道[1]。通常將長(zhǎng)度超過10 km、深度超過500 m的隧道被定義為超長(zhǎng)和超深隧道[2-3]。

噴射混凝土是指將膠凝材料、骨料等按一定比例拌制的混凝土拌合物送入噴射設(shè)備,借助壓縮空氣或其他動(dòng)力輸送,高速噴至受噴面所形成的一種混凝土[4],它不僅僅是一種材料,而是一種獨(dú)特的工藝,施工方便,無需模板和外部振動(dòng)[5]。現(xiàn)如今已廣泛應(yīng)用于市政工程、隧道工程、地下工程的施工建設(shè)之中。進(jìn)入21世紀(jì)至今,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)噴射混凝土技術(shù)研究有了許多新的突破,其中具有代表性的是噴射混凝土高性能配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)研發(fā)和其在實(shí)際工程施工技術(shù)應(yīng)用,此外在噴射混凝土中摻入纖維材料等,一定程度上增強(qiáng)和改善了噴射混凝土的力學(xué)性能和耐久性能。目前,廣泛使用濕拌噴射混凝土的是布倫納基礎(chǔ)隧道(Brenner base tunnel,BBT)的施工。BBT的總長(zhǎng)度將為64 km,計(jì)劃于2032年完工后,將成為世界上最長(zhǎng)的鐵路隧道[6-9]。

在涉及設(shè)計(jì)、施工工藝和裝備的山嶺隧道工程施工中,高性能噴射混凝土已經(jīng)有了很大的研究突破,但學(xué)術(shù)界對(duì)其系統(tǒng)性的總結(jié)和梳理卻乏善可陳。為進(jìn)一步加強(qiáng)山嶺隧道噴射混凝土應(yīng)用技術(shù)的進(jìn)展,現(xiàn)從提高山嶺隧道噴射混凝土力學(xué)性能、改善山嶺隧道噴射混凝土耐久性能兩大方面進(jìn)行系統(tǒng)闡述,同時(shí)對(duì)目前應(yīng)用案例所產(chǎn)生的相關(guān)問題提出相對(duì)應(yīng)的建議及展望。

1 提高山嶺隧道噴射混凝土力學(xué)性能的研究

噴射混凝土一般不需要模板支撐,其特點(diǎn)為強(qiáng)度增長(zhǎng)快、密實(shí)度好、施工方便、適應(yīng)性強(qiáng)等,應(yīng)用于隧道施工中可以降低成本、節(jié)約資金。據(jù)調(diào)查顯示,目前中國(guó)有56條超長(zhǎng)和超深山嶺隧道,國(guó)外有21條,中國(guó)最長(zhǎng)公路隧道(前10名)、最長(zhǎng)鐵路隧道(前10名)如表1[1,10]和表2[11]所示。

表1 中國(guó)最長(zhǎng)公路隧道(前10名)[1,10]Table 1 The longest highway tunnel in China (top 10)[1,10]

1.1 摻液體速凝劑

隨著噴射混凝土施工技術(shù)從干噴向濕噴的轉(zhuǎn)變,為了滿足實(shí)際應(yīng)用的要求,速凝劑的種類從傳統(tǒng)的由堿金屬氧化物組成的粉末速凝劑到以鋁鹽為主要成分的液體速凝劑[12-13]。液體速凝劑包括一系列影響混凝土強(qiáng)度、早期水化和微觀結(jié)構(gòu)特征的化學(xué)物質(zhì),堿性液體速凝劑對(duì)噴射混凝土的中后期強(qiáng)度存在不良影響,無堿速凝劑對(duì)噴射混凝土后期強(qiáng)度幾乎無影響,目前已經(jīng)得到了國(guó)際社會(huì)的廣泛認(rèn)可,但其摻量較大,成本較高,而且穩(wěn)定性較差,使用過程中容易產(chǎn)生絮凝、沉淀等不穩(wěn)定現(xiàn)象,因此系統(tǒng)總結(jié)摻無堿液體速凝劑噴射混凝土在山嶺隧道工程應(yīng)用案例并研發(fā)較穩(wěn)定且與不同水泥相適應(yīng)的無堿液體速凝劑是未來的發(fā)展方向。

吉安隧道[14]使用高強(qiáng)型無堿速凝劑的噴射混凝土,研究結(jié)果表明,噴射混凝土1 d抗壓強(qiáng)度為16.5 MPa,28 d抗壓強(qiáng)度為43.6 MPa,與普通噴射混凝土相比,強(qiáng)度增加了115.0%,中臺(tái)階側(cè)墻回彈率為8%,上臺(tái)階拱頂回彈率為13.6%,摻入無堿速凝劑可以明顯提高抗壓強(qiáng)度,減小了回彈損失。壁板坡隧道[15]摻高性能無堿液體速凝劑結(jié)果表明,噴射混凝土1 d和28 d抗壓強(qiáng)度分為10.5 MPa和39.0 MPa,與普通噴射混凝土相比,強(qiáng)度增加了106.8%。華東地區(qū)某隧道[16]使用自配的CSL型無堿液體速凝劑的噴射混凝土,研究結(jié)果表明,速凝劑摻量為8%時(shí),一次噴射可以達(dá)到145 mm,回彈率為8.2%,1 d抗壓強(qiáng)度為15.1 MPa,28 d抗壓強(qiáng)度為52.7 MPa?；⑾_(tái)隧道[17]使用液體無堿速凝劑及改良劑進(jìn)行噴射混凝土施工,研究結(jié)果表明,速凝劑摻量為6.5%,回彈率約為15%,大大節(jié)約了施工成本。水溶性硅酸鈉(也稱水玻璃)是挪威濕拌噴射混凝土中最常見的促進(jìn)劑,挪威Nordkapp隧道[18-19]比較噴漿混凝土的使用條件,在該隧道的不同延伸段首次使用了無堿促進(jìn)劑。Freifjord隧道[20]噴射混凝土中使用水玻璃促進(jìn)劑水泥質(zhì)量的5.2%。就同年完工的Byfjord和Mastrafjord隧道而言,摻量為水泥重量的4.7%。韓國(guó)Yulhyeon隧道[21]采用HS-CMA促進(jìn)劑摻入噴射混凝土中,試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)3 h抗壓強(qiáng)度為2 MPa,24 h抗壓強(qiáng)度為16 MPa。Brenner base隧道[22]采用043FFG促進(jìn)劑,研究結(jié)果表明噴射混凝土24 h抗壓強(qiáng)度達(dá)到18.6 MPa,28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到40.85 MPa。

綜上所述,無堿液體速凝劑可以加速固化時(shí)間,但應(yīng)用于每個(gè)施工現(xiàn)場(chǎng)都要進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)分析,以校正水泥與速凝劑的反應(yīng)時(shí)間和強(qiáng)度的發(fā)展。早期快速的凝固可能可能造成支護(hù)要求方面的缺陷,從而帶來一系列的安全問題。建議選擇綠色高性能速凝劑,通過試驗(yàn)分析監(jiān)測(cè)確定最佳摻量,尤其是在3～6 h之后。在實(shí)踐中,通常速凝劑的摻量為4%～8%。

山嶺隧道工程噴射混凝土采用濕法噴射工藝,摻液體無堿速凝劑對(duì)混凝土強(qiáng)度影響顯著,同時(shí)減小回彈損失,并在應(yīng)用中取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。但在其穩(wěn)定性和適應(yīng)性方面研究較少,還存在較多問題。未來可以考慮在無堿液體速凝劑的機(jī)理方面進(jìn)行深入研究,以便于更好地在工程應(yīng)用中實(shí)踐;其次開展穩(wěn)定性研究,使其更好地與膠凝材料、外加劑、礦物摻合料、環(huán)境等相適應(yīng),同時(shí)制定高性能外加劑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 優(yōu)化材料組分

噴射混凝土性能不僅與膠凝材料有關(guān),更與砂的材質(zhì)密切相關(guān),近年來,生態(tài)環(huán)境隨著河砂的過度開采逐漸惡化,同時(shí)對(duì)機(jī)制砂配制噴射混凝土的研究較少,因此,機(jī)制砂代替河砂配制高性能噴射混凝土成為現(xiàn)階段重點(diǎn)問題[23]。研究機(jī)制砂破碎方式、對(duì)機(jī)制砂級(jí)配進(jìn)行合理優(yōu)化,獲得良好的粒度,可以提高機(jī)制砂噴射混凝土強(qiáng)度、耐久性能,并使其具有良好的施工性能。但現(xiàn)階段,優(yōu)化設(shè)計(jì)高性能噴射混凝土的配合比存在不固定的方法并且在山嶺隧道中成功應(yīng)用案例較少。隨著原材料、試驗(yàn)環(huán)境等不同的變化,隧道噴混凝土配合比設(shè)計(jì)存在較大差異,導(dǎo)致噴射混凝土施工中產(chǎn)生回彈率高、力學(xué)性能差、可泵性低等后果[24-25]。針對(duì)噴射混凝土在隧道施工中因材料組分及配合比設(shè)計(jì)造成的回彈率高、流動(dòng)性、力學(xué)性能差等問題,目前研究者進(jìn)行了大量探討,通過優(yōu)化材料組分配制滿足隧道施工需要的高性能噴射混凝土要求。

巫山隧道[26]中納米摻合料摻入噴射混凝土中,現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明3 h抗壓強(qiáng)度為3.5 MPa,12 h抗壓強(qiáng)度為8.4 MPa,24 h抗壓強(qiáng)度為15.3 MPa。一次噴射厚度較普通噴射混凝土增加33 mm,噴射回彈率降低到11.1%。貴州梨花井隧道[27]采用機(jī)制砂代替普通砂進(jìn)行噴射混凝土配合比試驗(yàn),12 h抗壓強(qiáng)度為11 MPa,24 h抗壓強(qiáng)度為23 MPa,回彈率為15%;廟灣隧道[28]采用機(jī)制砂代替天然砂制備噴射混凝土,坍落度控制在100 mm,28 d抗壓強(qiáng)度為33.2 MPa,施工中取得良好的效果。貴州姑兩隧道[29]采用開挖機(jī)械破碎的機(jī)制砂進(jìn)行噴射混凝土配合比試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明,噴射混凝土回彈率為10.2%左右,28 d抗壓強(qiáng)度為34.7 MPa。重慶銅鑼山隧道[30]噴射混凝土中摻入三乙醇胺、建筑膠粉,24 h抗壓強(qiáng)度為17 MPa。大梁隧道[31]采用基本配合比試驗(yàn),試驗(yàn)表明24 h抗壓強(qiáng)度最大值為6.86 MPa,48 h抗壓強(qiáng)度最大值為13.01 MPa。黃家臺(tái)隧道[32]采用正交試驗(yàn)方法對(duì)噴射混凝土配合比設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化,結(jié)果表明,優(yōu)化設(shè)計(jì)后噴射混凝土1 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到13.5 MPa。109高速公路隧道[33]采用針對(duì)噴射混凝土配合比設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化,結(jié)果表明,優(yōu)化設(shè)計(jì)后噴射混凝土1 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到11.5 MPa,回彈率控制為15%。木寨嶺特長(zhǎng)隧道工程[34]通過研究不同材料組分及環(huán)境因素影響并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際取樣測(cè)試,最終結(jié)果為噴射混凝土3 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到22 MPa,28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到42 MPa,拱頂回彈率達(dá)到16%。崤山隧道工程[35]快速硬化型噴射混凝土1 d和28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別為12.57 MPa和36.19 MPa。觀音坳隧道[36]采用納米低回彈摻合料摻入噴射混凝土中,結(jié)果表明,28 d抗壓強(qiáng)度為38.89 MPa,回彈率為13.5%,與普通混凝土相比抗壓強(qiáng)度提高了13.8%,回彈率降低了47.7%。

綜上所述,噴射混凝土技術(shù)在山嶺隧道施工應(yīng)用越來越廣泛,因此研究其配合比設(shè)計(jì)成為特別關(guān)鍵的一個(gè)步驟,必須綜合原材料的基本組分和各基本性質(zhì)如水膠比、砂率等參數(shù)進(jìn)行綜合考慮。既有研究案例表明優(yōu)化噴射混凝土配合比設(shè)計(jì)后,在隧道應(yīng)用過程中其早期抗壓強(qiáng)度明顯提高,且回彈率較低,可控制在10%～15%。未來噴射混凝土技術(shù)還要通過改進(jìn)與其相匹配的配套設(shè)備,通過多因素分析考慮配合比設(shè)計(jì)問題。采用室內(nèi)試驗(yàn)優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際噴射相結(jié)合分析,得出噴射混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)的切實(shí)性,對(duì)未來隧道噴射混凝土施工技術(shù)發(fā)展具有一定的深遠(yuǎn)影響。

1.3 摻纖維增強(qiáng)材料

現(xiàn)如今,噴射混凝土技術(shù)已廣泛應(yīng)用于山嶺隧道工程的襯砌施工中,但受隧道周邊地質(zhì)條件、環(huán)境、溫度等多因素影響,隧道運(yùn)營(yíng)后普遍存在結(jié)構(gòu)開裂損傷、襯砌滲漏水現(xiàn)象。在噴射混凝土中加入纖維材料,可以明顯提高其力學(xué)性能同時(shí)減少收縮裂縫,同時(shí)還可以有效改善混凝土脆性大、易開裂等結(jié)構(gòu)缺陷[37]。當(dāng)前,纖維已被廣泛用作噴射混凝土的性能改善材料,應(yīng)用于巖土工程、市政工程、城市地下空間開發(fā)、建筑結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)、加固及改造工程中,包括鋼纖維、聚丙烯纖維、玄武巖纖維、聚乙烯醇纖維、玻璃纖維等[38-40]。不同種類纖維材料摻入噴射混凝土應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外山嶺隧道工程中,取得了良好的應(yīng)用效果。法國(guó)一項(xiàng)新建隧道工程[41]使用永久性纖維增強(qiáng)噴射混凝土襯砌,節(jié)省了成本和時(shí)間,減少了對(duì)環(huán)境的影響。

1.3.1 鋼纖維

鋼纖維材料最早應(yīng)用于山嶺隧道噴射混凝土施工中。目前,鋼纖維噴射混凝土在山嶺隧道襯砌結(jié)構(gòu)中應(yīng)用最為廣泛,研究最為關(guān)注的有抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性。

摩天嶺隧道[42]現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際試驗(yàn)研究鋼纖維噴射混凝土力學(xué)性能,結(jié)果表明,隨著鋼纖維摻量的增加,噴射混凝土抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度分別提高了21.7%、96.5%、84.0%,鋼纖維的摻入可以顯著提高噴射混凝土的力學(xué)性能。云山隧道[43]鋼纖維混凝土抗壓強(qiáng)度4 h達(dá)到6.98 MPa,12 h達(dá)到13.14 MPa,1 d達(dá)到17.83 MPa,28 d的最大值達(dá)到45.20 MPa,同時(shí)抗拉強(qiáng)度也明顯大于普通混凝土抗拉強(qiáng)度,28 d的最大值為5.24 MPa,較普通混凝土同期抗拉強(qiáng)度最大值增幅達(dá)115.6%。香爐山隧道[44]采用濕噴鋼纖維混凝土施工,7 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到24.5 MPa,28 d 強(qiáng)度達(dá)到30.3 MPa,相比于普通干噴混凝土,強(qiáng)度明顯提高。實(shí)際量測(cè)28 d收縮率為0.4 mm/m,與普通噴射混凝土收縮量相比減小43%。回彈率較小,僅在7%～15%。川藏鐵路隧道[45]研究不同纖維種類、混雜方式對(duì)噴射混凝土抗壓抗折、彎曲韌性的影響規(guī)律,研究結(jié)果表明,體積摻量均為0.38%的情況下,3種類型鋼纖維均能提升噴射混凝土的力學(xué)性能,波紋型鋼纖維對(duì)抗壓強(qiáng)度的提升幅度最大,28 d抗壓強(qiáng)度提高了64.0%。端鉤型鋼纖維體積含量對(duì)抗折強(qiáng)度的改善效果最強(qiáng),28 d抗折強(qiáng)度提高了46.7%。端鉤型鋼纖維和聚丙烯纖維復(fù)摻對(duì)噴射混凝土抗壓強(qiáng)度提高效果最佳,與普通混凝土相比,28 d抗壓強(qiáng)度高了59.8%。較普通混凝土同期抗拉強(qiáng)度最大值增幅達(dá)115.6%。石家莊昆侖大街隧道[46]采用濕噴鋼纖維混凝土施工,7 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到33.2 MPa,28 d強(qiáng)度達(dá)到48.2 MPa,相比于普通混凝土,強(qiáng)度大幅度提高。挪威海底隧道[47]采用鋼纖維增強(qiáng)噴射混凝土,抗壓強(qiáng)度以及撓曲和拉伸強(qiáng)度都得到了提高,材料的延展性也得到了提高,回彈率為5%～10%。鋼纖維的摻入在較大程度上提高了噴射混凝土的承載能力和延性。斯洛文尼亞Dekani高速公路隧道[48]采用鋼纖維增強(qiáng)噴射混凝土,1 h抗壓強(qiáng)度為1 MPa,24 h抗壓強(qiáng)度為20 MPa。日本惠那山隧道[49]采用鋼纖維噴射混凝土進(jìn)行加固,施工作業(yè)時(shí),鋼纖維摻量為1.5%時(shí),混凝土抗壓強(qiáng)度為40 MPa,抗彎強(qiáng)度為110 MPa,施工后效果顯著。

總之,鋼纖維噴射混凝土應(yīng)用于山嶺隧道施工中的優(yōu)點(diǎn)如下:①具有較高的力學(xué)性能和變形性能,與普通混凝土相比,抗壓強(qiáng)度提高50%以上;②具有更好的韌性、抗彎、抗剪和抗疲勞性能。鋼纖維加入噴射混凝土,混凝土材料的性能可以根本上從脆性材料改變?yōu)槿嵝圆牧?噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和抗彎韌性可以顯著提高。但是由于噴射混凝土需要鋼纖維數(shù)量較大、價(jià)格高、易產(chǎn)生的腐蝕問題,也影響其在工程上的應(yīng)用。對(duì)如何更好地解決短切纖維生產(chǎn)加工面臨若干技術(shù)問題也是未來的發(fā)展方向。

1.3.2 聚丙烯纖維

聚丙烯纖維與鋼纖維相比,彈性模量較低,但其耐腐蝕性強(qiáng)、自重較輕、不吸水、耐久性好并且材料本身直徑較小,摻入噴射混凝土中以其三維亂向分布的特征,形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)形成拉結(jié)作用和二級(jí)加強(qiáng)效果,降低回彈率,提高力學(xué)性能[50],同時(shí)可以有效抑制混凝土裂縫的形成與擴(kuò)展。因此應(yīng)用于聚丙烯噴射混凝土應(yīng)用于山嶺隧道中,可以大范圍提高噴射混凝土的綜合性能。

寶塔山隧道[51]研究不同單位體積聚丙烯纖維摻量對(duì)噴射混凝土性能的影響,結(jié)果表明聚丙烯纖維不僅滿足隧道噴射混凝土的力學(xué)性能,而且可以增加試件吸收能量的能力,提高韌性從而對(duì)裂縫的發(fā)生起到良好的控制作用。川藏鐵路隧道[45]將聚丙烯纖維的摻入噴射混凝土中可提高抗壓強(qiáng)度,纖維摻量為0.6 kg/m3時(shí),混凝土28 d抗壓強(qiáng)度相較于普通混凝土增加了54.7%。本溪高速公路某隧道[52]采用聚丙烯噴射混凝土修復(fù)技術(shù),現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工表明,噴射聚丙烯混凝土工作性良好,28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到28.3 MPa以上,滿足修復(fù)要求。滬漢蓉通道老安隧道[53]采用聚丙烯纖維混凝土錨噴支護(hù)體系,研究表明,與相同強(qiáng)度的普通混凝土相比,聚丙烯纖維噴射混凝土對(duì)阻止混凝土開裂更為有效。榆和高速公路隧道[54]采用噴射聚丙烯纖維混凝土,試驗(yàn)結(jié)果表明,聚丙烯纖維的加入,28 d的抗壓強(qiáng)度達(dá)到23.9 MPa,回彈率為11.67%,與普通混凝土相比,強(qiáng)度提高了8.48%,回彈率下降了45.65%。

聚丙烯纖維噴射混凝土作為一個(gè)全新的復(fù)合材料,擁有更高強(qiáng)度和優(yōu)異的斷裂韌性。聚丙烯纖維對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)早期收縮具有較好的抑制作用,近年來應(yīng)用在山嶺隧道施工和城市地下工程支護(hù)中,對(duì)隧道工程襯砌有一定防滲抗裂要求的部位應(yīng)用取得良好的施工效果。

1.3.3 玄武巖纖維

玄武巖纖維是一種天然硅酸鹽纖維,其原材料為天然玄武巖,其優(yōu)點(diǎn)是具有耐高溫、耐低溫、高斷裂強(qiáng)度、韌性、剪切和彈性模量,在工程應(yīng)用中性能優(yōu)益。

永祥隧道[55]將玄武巖纖維摻入混凝土中,研究發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維對(duì)混凝土強(qiáng)度和韌性均有較大的提高,與普通混凝土相比,抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)了11.4%,抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)了15%。桐梓隧道[56]采用玄武巖纖維噴射高性能混凝土施工,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及施工結(jié)果表明,噴射混凝土28 d抗壓強(qiáng)度為34.7 MPa,回彈率僅為2.2%。黑莊坪隧道[57]采用噴射混凝土中添加玄武巖纖維試驗(yàn),現(xiàn)場(chǎng)結(jié)果表明,摻入玄武巖纖維后,噴射混凝土的回彈率為13.9%,比普通混凝土減少17%;抗壓強(qiáng)度為26.5 MPa,滿足施工要求,同時(shí)節(jié)約施工成本,減少資源浪費(fèi)。

總之,摻入玄武巖纖維有助于提高噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度,提高抗裂性、氣密性、抗彎拉性及黏結(jié)性的同時(shí)也節(jié)約了施工時(shí)間。但中國(guó)目前對(duì)玄武巖纖維噴射混凝土在山嶺隧道應(yīng)用研究仍處于初級(jí)階段,還存在較多的問題。玄武巖纖維噴射混凝土是一種復(fù)合材料,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,影響因素較多,因此研究玄武巖纖維增強(qiáng)噴射混凝土結(jié)構(gòu)為今后一段時(shí)間的發(fā)展方向,將玄武巖纖維與高性能噴射混凝土相結(jié)合,充分利用玄武巖纖維的高韌性、高強(qiáng)度特性,研發(fā)新型高強(qiáng)玄武巖纖維增強(qiáng)混凝土材料。

1.3.4 玻璃纖維

玻璃纖維具有拉伸強(qiáng)度高、彈性系數(shù)好、伸長(zhǎng)率小、絕緣等優(yōu)點(diǎn),摻入噴射混凝土中可以提高其抗拉強(qiáng)度,增強(qiáng)抗裂性能。

嶗山隧道工程[58-59]施工時(shí)在噴射混凝土中摻入玻璃纖維,現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)體積摻量為1%時(shí),混凝土凝結(jié)硬化后的抗拉性能最優(yōu)。并針對(duì)嶗山隧道玻璃纖維混凝土隔墻的開裂狀態(tài)建立模型,提出了玻璃纖維混凝土抗裂計(jì)算方法。

2 改善山嶺隧道噴射混凝土耐久性能的研究

噴射混凝土作為永久性襯砌結(jié)構(gòu),近年來耐久性和長(zhǎng)期性能問題對(duì)地下基礎(chǔ)設(shè)施的所有者來說變得更加重要[60]。噴射混凝土結(jié)構(gòu)在隧道襯砌上廣泛應(yīng)用,但因自身孔隙率大、所處鹽類環(huán)境下,會(huì)給隧道襯砌帶來很嚴(yán)重的破壞,同時(shí)隧道滲漏水現(xiàn)象普遍存在。因此,山嶺隧道噴射混凝土的耐久性有待改善?，F(xiàn)階段,隧道噴射混凝土耐久性重點(diǎn)研究類別包括抗?jié)B性能、抗凍性能、抗碳化性能、抗腐蝕性能等。

2.1 抗?jié)B性能

近年來,噴射混凝土隨著礦物摻合料、纖維材料、外加劑等摻入,其抗?jié)B性能得到明顯提高。但在隧道工程襯砌結(jié)構(gòu)滲漏水方面,抗?jié)B性是一突出問題。對(duì)于提高噴射混凝土抗?jié)B性能的方法,國(guó)內(nèi)外研究通過滲水高度、電通量、氯離子擴(kuò)散系數(shù)、孔隙率等作為主要評(píng)價(jià)指標(biāo),并概括了防水及滲漏特性為主要影響因素的研究進(jìn)展,最后還指出了當(dāng)前科研中面臨的主要問題和進(jìn)一步改善意見。

觀音坳隧道[36]工程采用納米改性噴射混凝土28 d氯離子擴(kuò)散系數(shù)降低了41%,碳化深度達(dá)到22.9 mm,與普通混凝土相比降低了19.6%。貴廣某隧道[61]二次襯砌工程現(xiàn)場(chǎng)采用纖維素纖維噴射混凝土,結(jié)果表明纖維素纖維摻量0.9%時(shí),混凝土56 d的電通量比普通混凝土下降了7.38%。白鶴隧道[62]工程采用鋼-聚丙烯纖維復(fù)合研究噴射混凝土的抗?jié)B性能,結(jié)果表明,當(dāng)鋼纖維、聚丙烯的摻量分別為0.5%和0.3%時(shí),抗?jié)B性能最優(yōu),為最佳摻量。云南某隧道工程[63]通過正交試驗(yàn)研究噴射混凝土的組成對(duì)混凝土滲流結(jié)晶的影響,結(jié)果表明,通過配合比優(yōu)化與實(shí)際施工相比,鈣離子流失量降低了約67%。官田隧道[64]在噴射混凝土中摻入粉煤灰摻合料,試驗(yàn)表明,粉煤灰摻量為10%時(shí),滲水高度為19.5 mm,與普通混凝土相比,高度下降27.2%,提高了抗?jié)B性能。

總之,噴射混凝土的防水性能并不好,其抗?jié)B性差是山嶺隧道襯砌結(jié)構(gòu)滲漏水普遍存在的原因之一。未來可以通過摻入功能型防水材料,提高噴射混凝土整體結(jié)構(gòu)防水功能,同時(shí)也要加大對(duì)噴射混凝土不良抗?jié)B性能的產(chǎn)生原因探討。

2.2 抗凍性能

中國(guó)嚴(yán)寒地帶噴射混凝土構(gòu)造容易遭受冰凍損傷,嚴(yán)重影響了山嶺隧道使用壽命。目前對(duì)于山嶺與隧道工程中噴射混凝土抗凍特性應(yīng)用研究還較為少見。所以對(duì)于進(jìn)行噴射混凝土的抗凍特性試驗(yàn)研究也有著一定重要性。

姜路嶺隧道、鄂拉山隧道[65]工程襯砌采用噴射混凝土進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn),研究了噴射混凝土各性能指標(biāo)隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律,最終根據(jù)變化規(guī)律建立數(shù)學(xué)方程。大阪山隧道[66]工程對(duì)隧道噴射混凝土結(jié)構(gòu)的凍害原因和凍脹過程進(jìn)行分析,結(jié)果表明,隧道混凝土襯砌結(jié)構(gòu)耐久性的主要原因是圍巖凍脹壓力。壁板坡隧道[15]采用了噴射混凝土凍融試驗(yàn),共測(cè)試次數(shù)300次,測(cè)試結(jié)果顯示,相對(duì)動(dòng)彈性模量為94.3%,質(zhì)量損失為0.82%。

綜上所述,目前對(duì)抗凍性能研究的主要集中于凍融后噴射混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量、質(zhì)量損失、材料動(dòng)力學(xué)特性分析等,而對(duì)凍融循環(huán)后與噴射混凝土本構(gòu)關(guān)系的研究成果相對(duì)較少,同時(shí)也需要進(jìn)一步深入研究噴射混凝土在山嶺隧道使用過程中,凍融損傷后混凝土材料力學(xué)特性與變形性能之間的劣變規(guī)律。

2.3 抗碳化性能

山嶺隧道工程噴射混凝土施工時(shí),會(huì)因碳化導(dǎo)致堿度降低,并破壞其鈍化膜,從而導(dǎo)致鋼筋腐蝕,最終噴射混凝土開裂、剝落,嚴(yán)重影響其耐久性,同時(shí)碳化還會(huì)增加其密實(shí)性。

高樓山長(zhǎng)大隧道[67]噴射混凝土后期服役性能受冬季低溫環(huán)境明顯影響,試驗(yàn)結(jié)果表明,28 d時(shí)噴層結(jié)構(gòu)的碳化深度達(dá)到4.0 mm左右,低溫干燥條件加劇了噴射混凝土的碳化損傷程度,碳化產(chǎn)物CaCO3以片狀堆積形式生長(zhǎng)。

因此,雖然目前已針對(duì)噴射混凝土碳化性能展開一系列研究,但對(duì)隧道不同施工環(huán)境下噴射混凝土碳化耐久性能的研究較少,因此,未來應(yīng)跟深入試驗(yàn)研究分析選取碳化深度、抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度作為指標(biāo),探究其耐久性及力學(xué)性能的變化規(guī)律。

2.4 硫酸鹽侵蝕性能

噴射混凝土結(jié)構(gòu)往往和富含硫酸鹽的地下水進(jìn)行接觸,所以硫酸鹽侵蝕也是造成隧道內(nèi)噴射混凝土結(jié)構(gòu)損傷或斷裂的主要原因之一,而目前研究者最關(guān)心的問題就是由于硫酸鹽侵蝕所引起的隧道內(nèi)支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)穩(wěn)定性下降問題。隧道工程施工中,噴射混凝土的抗硫酸鹽腐蝕特性與其微觀構(gòu)造、傳輸特性、孔隙率及其相互組成。

孤石峪隧道[68]中分別采用了各種粒徑的礦渣、粉煤灰作為摻合料,并經(jīng)過了干濕循環(huán)硫酸鹽腐蝕測(cè)試,還研究并分析了噴射混凝土在硫酸鹽侵蝕作用下的性能劣化規(guī)律,結(jié)果表明,經(jīng)過180個(gè)干濕循環(huán)試驗(yàn)后,S95級(jí)礦渣-Ⅱ級(jí)粉煤灰、S105級(jí)礦渣-Ⅱ級(jí)粉煤灰試件質(zhì)量和相對(duì)動(dòng)彈性模量較初始狀態(tài)均下降,損傷劣化嚴(yán)重,且微觀形貌變化和孔隙較多,晶體內(nèi)組織結(jié)構(gòu)松散并且總體緊密度不好,經(jīng)腐蝕的試件內(nèi)產(chǎn)生了大量的裂紋,裂隙較大而深,腐蝕破壞較為嚴(yán)重。六盤山隧道[69]采用復(fù)合式高抗硫酸鹽混凝土套拱為主的綜合加固改造技術(shù),研究表明,該技術(shù)可顯著改善隧道的抗硫酸鹽侵蝕能力,提高原襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性,確保隧道運(yùn)營(yíng)安全。何家寨隧道[70]噴射混凝土在巖溶水環(huán)境中抗壓強(qiáng)度下降顯著,但與硫酸鋁基無堿液體促進(jìn)劑的結(jié)合在侵蝕試驗(yàn)中表現(xiàn)最佳,其最大抗壓強(qiáng)度僅下降0.33%。就噴射混凝土襯砌而言,鈣浸出可增加地下水的pH和鈣離子濃度,導(dǎo)致CaCO3的形成和結(jié)晶。官田隧道[63]在噴射混凝土中摻入粉煤灰摻合料,試驗(yàn)表明,粉煤灰摻量為20%時(shí),抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)為83.6%,摻入粉煤灰可以提高水泥石的密實(shí)性,降低Ca(OH)2含量,提高噴射混凝土抗硫酸鹽腐蝕性能。

總之,噴射混凝土的耐久性受到與混凝土相同的變量(材料組成、抗凍性、滲透性、養(yǎng)護(hù)環(huán)境等)因素的影響。由于隧道內(nèi)存在圍巖變形、滲水環(huán)境等不確定因素,致使襯砌結(jié)構(gòu)可能發(fā)生開裂、化學(xué)腐蝕、漏水等病害,最終導(dǎo)致襯砌混凝土剝落,嚴(yán)重威脅到隧道襯砌結(jié)構(gòu)使用壽命。目前對(duì)于噴射混凝土耐久性研究?jī)H考慮特定環(huán)境,沒有進(jìn)行系統(tǒng)的研究。因此,綜合研究噴射混凝土性能,改善噴射混凝土襯砌結(jié)構(gòu)耐久性能具有重要意義。

3 結(jié)論與展望

通過對(duì)高性能噴射混凝土在國(guó)內(nèi)外山嶺隧道工程實(shí)例中應(yīng)用現(xiàn)狀綜述分析,重點(diǎn)介紹了摻液體速凝劑、優(yōu)化基礎(chǔ)配合比設(shè)計(jì)及摻纖維增強(qiáng)材料3個(gè)方面提高隧道噴射混凝土力學(xué)性能;從抗?jié)B性能、抗凍性能、抗碳化性能以及抗硫酸鹽侵蝕性能4個(gè)方面改善隧道噴射混凝土結(jié)構(gòu)耐久性。雖然進(jìn)行了一部分工作,但仍存在問題需要進(jìn)一步解決,基于山嶺隧道高性能噴射混凝土應(yīng)用研究的重要課題及未來發(fā)展方向總結(jié)如下。

(1)無堿液體速凝劑提高噴射混凝土力學(xué)性能方面,速凝劑在噴射混凝土施工中起到非常重要的作用,無堿液體速凝劑用于提高噴射混凝土早期強(qiáng)度,減少回彈,未來將向著新型高性能方向發(fā)展。針對(duì)提高噴射混凝土力學(xué)性能,研發(fā)與之相適應(yīng)的綠色高性能速凝劑,使其結(jié)構(gòu)更加密實(shí),并合理控制結(jié)構(gòu)開裂,減少膠凝材料和骨料的用量,降低粉塵污染的影響;研發(fā)出高性能噴射混凝土,切實(shí)發(fā)揮噴射混凝土的支護(hù)作用并具備結(jié)構(gòu)功能。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)速凝劑檢測(cè)方法和性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與指標(biāo)存在不統(tǒng)一,試驗(yàn)的檢測(cè)結(jié)論并不能反映現(xiàn)場(chǎng)噴射混凝土的噴射效果和工藝參數(shù)的合理性。需要進(jìn)一步完善速凝劑性能評(píng)價(jià)指標(biāo),并根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境變化即使調(diào)整。同時(shí),其他外加劑如早強(qiáng)劑、緩凝劑等,輕質(zhì)高強(qiáng)骨料、礦物摻和料等材料的研發(fā)與應(yīng)用的機(jī)理研究具有現(xiàn)實(shí)探索價(jià)值,其他系列的水泥在噴射混凝土中的應(yīng)用也值得關(guān)注。

(2)優(yōu)化材料組分及摻加纖維增強(qiáng)材料提高噴射混凝土力學(xué)性能方面,纖維噴射混凝土施工工藝簡(jiǎn)單,與普通混凝土相比,可以大幅度提高其韌性和耐久性,還可以減少噴層厚度,降低回彈,節(jié)省了混凝土,具有良好的經(jīng)濟(jì)性和廣泛的推廣應(yīng)用前景。未來可以從不同纖維長(zhǎng)徑比、施工工藝、不同溫度環(huán)境對(duì)高性能噴射混凝土配合比設(shè)計(jì)的影響,從而進(jìn)一步縱向研究各纖維最優(yōu)摻量,并對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用提供參考。

(3)改善噴射混凝土耐久性方面,山嶺隧道實(shí)際施工操作環(huán)境中,隧道噴射混凝土所在的條件通常受到各種腐蝕因素影響,雖然目前一些工作有涉及,但詳細(xì)工作還沒有開展。噴射混凝土作為初支結(jié)構(gòu)的重要組成部分,在隧道施工及運(yùn)營(yíng)全過程中發(fā)揮著重要作用,完善噴射混凝土初期支護(hù)結(jié)構(gòu)在復(fù)合式襯砌支護(hù)體系中的內(nèi)涵和高性能化要求,是提高噴射混凝土耐久性并實(shí)現(xiàn)噴射混凝土工程百年耐久的必由之路。未來應(yīng)根據(jù)實(shí)際施工需要研究多因素作用下的隧道噴射混凝土耐久性,為耐久性設(shè)計(jì)提供重要支撐。