Khomary隧道采用喷聚合纤维(HPP)混凝土作为最终衬砌

235 041 448 Khomary 隧道采用喷聚合纤维 HPP 混凝土作为最终衬砌 Hassan Sahranavard Reza Aghanoori Beton Pash 工程公司 德黑兰 伊朗 摘要 Khomary 隧道长 2km 是伊朗阿巴斯港到马什哈德铁路线上重要隧道之一 该铁路总长 1000km 连接波斯 湾和中亚 该隧道 1 4 衬砌是普通混凝土衬砌 剩余 3 4 的隧道区段采用喷聚合纤维 HPP 混凝土加固 本文介 绍该种喷混凝土的实际喷射工艺及其比普通混凝土衬砌优越的地方 1 引言 伊朗伊斯兰共和国位于中东地区 南部的波斯湾和北部的里海是两条国际水路 为该地区所有 国家之间的商贸和工业运输提供了快速便捷的通道 铁路也成为该地区的商贸往来的重要陆路运输 方式 在伊朗的 Bafgh 和马什哈德之间修建铁路具有重要意义 图 1 1 地方组织和国际组织如 UIC Scap Eco 强调修建铁路的重要性 2 工程进度非同寻常 由国际协会确定 3 由内部承包方和顾问团承担所有的设计和修建工作 4 从 Serakhas 到阿巴斯港的运输距离由 2431km 减小到 1617km 运输时间从 6d 缩短到 3d 5 运输成本减少 15 20 图 1 伊朗伊斯兰共和国铁路地图 Bafgh 马什哈德工程的其它技术说明见表 1 Bafgh 马什哈德铁路修建工程工期缩短了一年 这是由于该线路上的 Khomari 隧道内采用了喷 聚合纤维 HPP 混凝土的缘故 见图 2 Khomari 隧道采用了喷聚合纤维混凝土支护 而不是钢加固混凝土支护 5 6 年之前 世界上 伊朗 Khomary 隧道 伊朗铁路网图标 既有双轨线 既有单轨线 正在施工的线路 主要入口 港口 矿藏 边界 236 不同地区就开始使用了喷聚合纤维混凝土系统 采用 HPP 纤维的一些工程实例见表 2 众所周知 引起隧道衬砌破坏有两方面原因 一是混凝土衬砌的碳酸化作用 一是混凝土衬砌 的氯化作用 控制混凝土衬砌的碳酸化反应和氯化反应可以提高隧道的耐久性 钢加固混凝土衬砌会缩短混凝土的耐久时间 隧道竣工 5 10 年后 混凝土内会生成结构裂缝 根据新奥法 隧道的最终衬砌应该具有足够的韧性来吸收较大的能量 以改进其抗裂性 且设计的 衬砌系统应该建立在实践经验和分析法的基础之上 该分析法采用监控系统来监测和控制隧道内高 应力集中区段 采用纤维加固喷混凝土系统 可以控制混凝土的柔韧性和收敛 控制地层裂缝 在高应力集中 的情况下 采用外部加固如 FRP 系统可以控制裂缝 而钢加固混凝土衬砌内 地层开裂之前不能进行监测和控制收敛 且不易加固局部高应力集中 区段 表 1 Bafgh 马什哈德工程技术指标 重要的客车车站 Torbat Haidareih Tabas 重要货车车站 Sangan Parvadeh Chadar Melo She Chahon 线路类型和地表线路的最小半径单线 700m 最大坡度 0 015 客车最大速度 160km h 火车最大速度 120km h 荷载 25t 地层开挖 48 000 000 m3 回填 44 000 000 m3 隧道长度 5800 m 桥梁总计 3814 表 2 世界上采用聚合纤维加固的工程实例表 工程名称衬砌日期位置 The Hokuriku 新干线 Liyama 铁路隧道初期衬砌2001 年 2 月到 2004 年 9 月日本 Mino 隧道 竖井二次衬砌2003 年 1 月到 2003 年 10 月日本 Mitoyo 隧道二次衬砌2004 年 3 月到 2004 年 4 月日本 Hisami 隧道二次衬砌2004 年 3 月到 2004 年 5 月日本 Hakkoda Tohoku 新干线高度铁路隧道初期衬砌2003 年 6 月到 2003 年 11 月日本 Kanigaawa 隧道初期衬砌2003 年 5 月到 2003 年 12 月日本 Kyogoku 隧道初期衬砌2003 年 9 月日本 Kyogoku 电厂初期衬砌2003 年 6 月到 2004 年 8 月日本 Kasahara 隧道初期衬砌2994 年 2 月到 2004 年 5 月日本 Gohara 隧道二次衬砌2004 年 6 月到 2004 年 9 月日本 Shimizu4 号隧道 Tomei 高速公路 二次衬砌2004 年 9 月到 2004 年 10 月日本 Ina Sa 隧道 Tomei 高速公路 初期衬砌2004 年 8 月到 2004 年 10 月日本 Shimada5 号隧道 Tomei 高速公路 二次衬砌2004 年 8 月到 2004 年 10 月日本 Konan 隧道 Meishin 高速公路 二次衬砌2004 年 1 月到 2004 年 10 月日本 图 2 Khomari 隧道入口 237 2 隧道内施作喷混凝土 比较干喷和湿喷法 隧道开挖之后 隧道边墙和拱顶变得松散 具有潜在的剪切裂纹 所以为了防止围岩的不稳定 及防止渗水 需要在开挖后及时进行混凝土喷射 有两种混凝土喷射方法 即干喷法和湿喷法 干喷法中 在喷嘴处添加所需的水以发生水合作用 湿喷法中 水合作用之前配合物之中就已 掺有水 两种方法都有各自的优缺点 几年前 采用干喷法比较多 但是现在湿喷法用得比较多 尤其是用于岩层支护的喷混凝土之中 由于湿喷法提供更好的工作环境 更高的坚固性 且混凝土 的利用率更高 将来湿喷法会越来越流行 2 1 湿喷法的优点 和干喷法的比较 1 回弹率小 使用适当的设备 聘用技工 正常损失是 5 10 这些数据也适用于纤维 加固喷混凝土 2 更好的工作环境 减小粉尘问题 3 由于有效利用混合材料 混凝土层更厚 4 水量易控制 常数 确定的水灰比 5 粘结度改善 6 抗拉强度高 几乎没有变化 7 混凝土利用量更多 节约总成本 8 采用钢纤维或聚合物纤维和新开发的掺合料 9 较长的传输距离 最大 300m 2 2 湿喷法的缺点 1 对骨料质量要求提高 2 湿喷过程停歇时间有限 且需要核算好成本 2 3 湿喷混凝土质量 一般情况下 质量并不是检验湿喷法的唯一标准 也不是作为改变湿喷法转而采用干喷法的理 由 不能因为湿喷混凝土质量不好就不采用湿喷法 采用减水外加剂 水灰比低 和硅粉 湿喷混 凝土的抗压强度峰值可以达到 100MPa 湿喷混凝土质地均匀 而干喷混凝土质地问题则较多 3 比较喷钢纤维混凝土和钢筋网喷混凝土 混凝土是易碎的材料 由于各种原因 所采用的大部分混凝土和喷混凝土都开裂 混凝土开裂 可能是由于结构原因或经济原因 但是大部分裂缝是由于材料自身抗拉强度低 随着混凝土收缩 同时混凝土收缩又受到限制 就会产生裂缝 为了使混凝土不产生裂缝 必须采用钢筋网或添加纤 维来加固混凝土 作为加固添加料 钢纤维比钢筋网优点更多 最重要的是钢纤维小 所以钢纤维可以平滑地分 布在整个混凝土层内 这样钢纤维加固的混凝土就成为一种粘滞性的材料 在很大程度上 喷混凝 土的力学特性由水灰比 硅灰含量 喷混凝土添加剂剂量和养护条件确定 在喷混凝土内添加钢纤维是为了增加材料的柔韧性 更需要长纤维 25mm 和相当高的含 量 喷混凝土内的钢纤维还提高了混凝土的抗挠强度 喷混凝土内添加钢纤维所获得的好处总结如 下 1 抗冲击能力增加 2 抗磨损和抗腐蚀能力增加 3 由于收缩裂缝转变为微缝 混凝土的防水性和抗冻性增加 4 与钢筋网加固的喷混凝土相比 喷钢纤维混凝土的粘结能力增加 由于干喷法中纤维回弹率高 50 所以干喷混凝土内从不采用钢纤维 4 喷聚合纤维 HPP 混凝土和喷钢纤维混凝土的比较 一般的短聚合纤维 HPP 具有抗拉性 在混凝土环境中具有耐久性 聚合纤维在混凝土凝结 阶段对减少微缝分布非常有效 且在湿喷过程中减少回弹 此外 聚合纤维在发生火灾情况下对减 少混凝土的散裂具有积极的影响 最近 开发了一种新的聚合纤维 HPP 这些聚合纤维 HPP 在结构形状和长度方面类似钢纤维 聚合纤维由高质量材料制成 长度一般为 30mm 50mm 在澳大利亚 加拿大 南非 挪威和欧洲国家进行了数次关于聚合纤维的试验并在 工程中应用 其结果显示 如果聚合纤维掺加量为 5 10kg m3 该聚合纤维混凝土能够达到足够的 韧性 根据 EFNARC 模板试验 新开发的聚合纤维能量达 900 1200 焦耳 该结果约等于 238 30 40kg m3高质量钢纤维 世界上采矿工业中已经广泛采用新开发的聚合纤维 现在在隧道工程 的喷混凝土衬砌中也越来越多地采用聚合纤维 与喷钢纤维混凝土相比 喷聚合纤维混凝土具有以 下优势 1 具有更高的荷载承受力 2 减小了纤维回弹率 3 更容易维护 4 对喷射设备 缸体 泵 软管和喷嘴等 的磨损更低 5 抗腐蚀 更经济 5 与喷聚合纤维混凝土相关的试验 采用欧洲 日本 美国和澳大利亚的标准来评估聚合纤维混凝土的特性 通过测量施作聚合纤 维混凝土的隧道区段的承载力和抗挠强度 来确定喷聚合纤维混凝土的特性 上述参数分别称为柔 韧行和坚韧性 采用以下各种方法来确定该隧道区段的抗裂能力 梁试验 在该试验中 确定变形范围为 2mm 3mm 的梁区段的抗挠强度 裂缝宽为 2mm 3mm 间距 300mm 450mm 方形模板试验 EFNARC 在该试验中 模板大小为 600mm 600mm 厚 100mm 模板中央施加荷载 描绘出荷载变形 曲线图 试验的标准极限为 变形 125mm 裂缝宽 5 10mm 破坏模式显示隧道内混凝土衬砌的 特性 圆形模板试验 RDP 该试验类似于方形模板试验 圆形模板直径为 800mm 由三点支撑 测得并记录变形为 40mm 时的吸收能量 图 3 HPP 纤维混凝土 钢纤维混凝土和钢筋网混凝土的荷载变形曲线 5 1 比较各种不同的试验方法 上述试验结果表明方形模板的荷载试验条件更有利 而梁试验在设备和结果记录方面都比较困 难 方形模板荷载试验得出的结果比其它试验得出的结果更可靠 所以目前世界范围内一般采用方 形模板试验来测量聚合纤维混凝土的特性 尤其在隧道内 可以完全采用方形模板试验来检测隧道 的衬砌结构 图 3 所示为聚丙烯纤维混凝土 钢纤维混凝土和钢筋网混凝土的荷载变形曲线 该曲线根据圆 形模板试验结果而描绘 结果显示变形 2mm 3mm 时的聚丙烯纤维的初始强度高于其它试样的初 始强度 且变形更大 材料强度也会更大 6 Khomary 隧道内采用喷聚合纤维 HPP 混凝土作为最终衬砌 Khomary 隧道内原计划采用钢筋混凝土作为隧道最终衬砌 且长 2km 的隧道内约有 1km 的长 位移 mm 荷载 N Barchip 纤维 610 焦耳 钢纤维 522 焦耳 钢筋网 475 焦耳 239 度已经采用了钢筋混凝土系统 但是隧道剩余区段采用聚合纤维 HPP 混凝土而不是钢筋混凝土 进行衬砌 这是因为 1 采用聚合纤维混凝土有利于提高隧道施工进度 2 采用聚合纤维混凝土可以在不增加混凝土用量 以改善最终混凝土衬砌 的情况下巩固 既有的隧道区段 所以 剩余隧道区段采用喷聚合纤维 HPP 混凝土 施工工艺如下 表 3 Khomari 隧道土层力学参数特征 土层粘结系数 400kN m2 土层内摩擦角 32 土层柏松比 0 30 土层弹性模量 7GPa 土层静态横向压力系数0 8 0 9 6 1 结构分析 采用强有力的软件进行分析 该分析假设材料 地层和结构都处于极度弯矩之下 并对最终混 凝土衬砌的设计方案进行半静态分析 6 2 喷聚合纤维 HPP 混凝土最终衬砌的设计 采用两层钢筋网 6 100mm 100mm 的隧道最终衬砌厚 200mm 采用聚合纤维 HPP 的最终衬砌厚约 150mm 其中没有采用岩层锚杆系统 考虑隧道内的排水系统 混凝土设计基于 ACI 318 95 标准 分析结果显示衬砌维持稳定的厚度为 350mm 6 3 配合比设计 Khomary 隧道内喷聚合纤维 HPP 混凝土的配合比如下 能量吸收 750 焦耳 聚合纤维 HPP 6kg m3 增塑剂 3kg m3 水泥 400kg m3 骨料 1650kg m3 硅粉 20kg m3 水灰比 0 4 外加剂 25kg m3 掺气 0 3kg m3 采用自动喷射机施喷上述混合物 回弹率为 5 10 喷射混凝土的力学参数见表 4 所使 用 HPP 混合前的情况见图 4 喷射现场情况及喷射后混凝土表面见图 5 图 6 和图 7 表 4 喷混凝土的力学参数 28d 抗压强度 35MPa 塌落度 20cm 喷速 7 m3 h 图 4 混合之前的聚合纤维 HPP 240 图 5 自动混凝土喷射机 图 6 喷射混凝土现场图 图 7 最终衬砌表面的聚合纤维 HPP 7 对衬砌运营期间的监控 根据新奥法中关于隧道衬砌的设计原则 应该采用经验分析法和监控系统来监