隧道工程纖維混凝土結(jié)構(gòu)抗?jié)B性探究

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為了提高隧道抗?jié)B性能，保障隧道施工及運營期安全，越來越多的新型防滲材料投入到使用中。本文依托貴陽市觀潭大道道路工程某段隧道，總結(jié)了目前國內(nèi)的隧道混凝土抗?jié)B技術(shù)，研究了纖維混凝土在隧道抗?jié)B中的作用，可為貴州地區(qū)類似隧道工程提供一定參考。由于西部地區(qū)氣候條件和水文地質(zhì)條件復(fù)雜，在各個因素如自重、孔隙水壓等日積月累的持續(xù)作用下，隧道襯砌混凝土?xí)霈F(xiàn)裂縫、滲漏，裂縫又會刺激各因素進(jìn)一步腐蝕、破壞隧道結(jié)構(gòu)，如此循環(huán)，裂縫不斷擴展，腐蝕作用不斷加強，隧道穩(wěn)定性逐漸減弱，最終導(dǎo)致隧道坍塌。目前隧道防滲防水主流方法有兩種——即物理方法和化學(xué)方法。物理方法主要通過在混凝土表面鋪設(shè)防水板或者涂裝防水涂料，在混凝土表面形成一道隔水層。施加防水板往往因為不能完全貼合隧道曲線而導(dǎo)致隔水層空鼓、破裂等問題，在混凝土表面涂裝防水涂料可以克服隧道曲線帶來的問題，但防水涂料一旦出現(xiàn)問題，由于其超薄的特性，將難以發(fā)現(xiàn)滲漏點，修復(fù)工作難以開展，通常采用重新涂裝，成本太高?；瘜W(xué)方法則是通過在混凝土材料中添加防水劑、使用改性基材等。張民慶等利用滲透結(jié)晶防水劑的特點，實現(xiàn)了隧道襯砌混凝土開裂后自動縫補自愈功能，從而實現(xiàn)混凝土防滲功能，以京張高鐵某隧道為例，通過試驗研究得到滲透結(jié)晶防水劑用量與水泥用量比值為1~1.5：100為最佳。林沁等著眼于城市地下空間防水材料的研究，配置了一種涂刷式和一種內(nèi)摻式的水泥基滲透結(jié)晶防水材料。通過抗?jié)B試驗、抗折試驗和抗壓試驗，對比了兩種不同使用方式的防水材料的防水能力和力學(xué)特性。孫毅等利用電鏡掃描驗證了滲透結(jié)晶防水材料中防水劑與催化劑的化學(xué)作用；通過驗證了滲透行業(yè)曲線linkindustryappraisementDOI：10.3969/j.issn.1001-8972.2021.22.019可替代度影響力可實現(xiàn)度行業(yè)關(guān)聯(lián)度真實度結(jié)晶防水材料對噴射、模筑混凝土抗?jié)B性能的增強作用，分析了噴射、模筑混凝土受影響程度在微觀的不同，最后提出了考慮材料特性和混凝土成型強度的合理施工工序，并通過合福高速鐵路某段進(jìn)行可行性和可靠性驗證。李仁剛以福州地鐵二號線某標(biāo)段為依托，通過對混凝土配合比設(shè)計和驗證性試驗發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)硅質(zhì)防水材料相比，JX-ⅢW抗裂硅質(zhì)防水劑擁有更好的材料特性，強度、抗?jié)B性能、抗裂性能等都更佳。該防水劑還能有效降低混凝土拌和過程中的水化熱，通過沸石吸收堿性離子達(dá)到抑制堿骨料反應(yīng)的效果。于淵桌等為了研究水性滲透防水劑對混凝土抗?jié)B性能的作用，采用滲水深度試驗得出水性滲透防水劑可有效降低混凝土的滲透性，且深水深度和涂刷防水劑齡期成正相關(guān)，混凝土強度與改善效果呈負(fù)相關(guān)；采用路離子擴散實驗得出隨涂刷齡期的增大，涂刷試件的擴散系數(shù)隨之增大，隨混凝土強度的增大，涂刷試件的擴散系數(shù)隨之減小。盧集富等為了驗證水性滲透性防水劑對混凝土的填充功能和耐久性的提高，通過一系列試驗諸如滲水性、抗鹽凍剝蝕、抗裂性等，解釋了水性滲透性防水劑隨混凝土的作用機理，在潮濕環(huán)境中使用比一般環(huán)境中使用作用更明顯。徐秀華通過試驗研究了不同摻量抗裂硅質(zhì)防水劑的影響下，混凝土各種性能的變化情況，并得出混凝土性能隨摻量的增加而先增加后減小?；炷磷罴押鸵仔浴Ⅲw積穩(wěn)定性對應(yīng)摻量為5%，混凝土最佳抗?jié)B性能對應(yīng)摻量為5%~7%。冉蕾等研究了硅烷疏水劑對混凝土防水性能的影響，該種防水劑不僅可以有效結(jié)合混凝土表面，同時疏水作用相比其他材料更佳，并通過吸水率試樣等進(jìn)行了驗證。周慶國等以跑馬山某隧道為研究對象，構(gòu)建了隧道結(jié)構(gòu)防水融合體系，基于抑溫抗裂防水劑，優(yōu)化隧道襯砌混凝土接縫防水性能。通過混凝土抗?jié)B性能試驗、混凝土接觸式收縮試驗等一系列試驗，驗證了基于抑溫抗裂防水劑的融合體系對混凝土各種性能的提升；并成功運用到工程中，為類似工程提供了參考。

一、工程概況

G320貴陽竹子坡至大地公路工程（貴陽市觀潭大道道路工程），為新建城市快速路，設(shè)計時速80km/h，雙向8車道，瀝青混凝土路面。項目起點位于觀山湖區(qū)西南側(cè)金華鎮(zhèn)，接現(xiàn)狀賓陽大道與規(guī)劃太金線交叉點，道路整體由北向南布線，下穿貴陽市繞城高速（G6001）及規(guī)劃湖林鐵路支線，沿途依次經(jīng)觀山湖區(qū)、花溪區(qū)，道路終點位于麥坪鄉(xiāng)東南側(cè)，順接已建成湖磊路。K5+210下穿隧道框架段長度總計60m，起終點均與路基段相接。隧道框架段設(shè)計起點樁號：K5+180，設(shè)計終點樁號：K5+240。隧道地處黔中高原山地中部，線路經(jīng)過地段為剝蝕殘丘、溶蝕峰叢地貌區(qū)，其間有大量溝谷發(fā)育，總體地形為深溝陡坡，植被發(fā)育、覆蓋良好。場區(qū)覆蓋層主要為耕表土、碎石土，下伏基巖為石灰?guī)r、泥巖、頁巖等。場區(qū)環(huán)境地形標(biāo)高為1262.38～1300.5m，場地內(nèi)主要為林地，工程環(huán)境較復(fù)雜?？睖y范圍地下水的類型主要有松散巖類孔隙水和碳酸鹽巖類巖溶水。地下水以溶洞裂隙水為主，多為潛水，富水性中～強，局部地段地下水將十分豐富。

二、纖維混凝土配比研究

配合比指混凝土中各種材料的比例，不同用途不同工程背景下混凝土配合比往往有所差異。基于隧道防滲考慮及國內(nèi)外研究基礎(chǔ)，進(jìn)一步確定作為制備混凝土幾種核心物質(zhì)配比。在施工前，從可靠的材料供應(yīng)商采購砂石、水泥、外加劑、礦物摻和物、混雜纖維等原材料，為了嚴(yán)格把關(guān)原材料質(zhì)量，應(yīng)設(shè)立相應(yīng)監(jiān)測、監(jiān)督制度。對于原材料的轉(zhuǎn)運和存儲，應(yīng)采取相應(yīng)防潮防水措施保障原材料性能發(fā)生異變，進(jìn)而確?；炷恋馁|(zhì)量和特性。同時展開室內(nèi)試驗，通過優(yōu)化制定合理的混凝土配合比，提高混凝土的極限拉伸變形能力，降低混凝土的彈性模量。在滿足各類規(guī)范規(guī)定的前提下優(yōu)化選擇原材料，在滿足設(shè)計要求及施工工藝要求的前提下，同時提出礦物摻和物、混雜纖維類型、摻量等技術(shù)指標(biāo)，盡量減少拌和物中水和水泥用量，控制混凝土的絕熱溫升程度，從施工工藝保證混凝土的性能良好。

三、纖維混凝土試驗

1抗?jié)B試驗

抗?jié)B性作為隧道襯砌混凝土關(guān)鍵一環(huán)，對于結(jié)構(gòu)使用壽命有著密切的聯(lián)系?？梢赃@樣說，混凝土的抗?jié)B性能的提高就是結(jié)構(gòu)壽命的提高?；跐B透高度法，對混凝土試件進(jìn)行滲水高度，結(jié)合理論分析對滲透系數(shù)進(jìn)行求解。首先通過抗?jié)B試驗，測試不同參數(shù)影響下混凝土試件滲透高度，對水流滲透高度進(jìn)行正交分析，分析礦渣粉、硅粉、聚丙烯纖維、鋼纖維等不同摻和料對混凝土試件抗?jié)B性能影響程度，尋找影響混凝土相對滲透系數(shù)的主導(dǎo)因素，確定混凝土相對滲透系數(shù)最優(yōu)水平。

2抗裂試驗

考慮到裂縫是加速地下水遷移、鋼筋腐蝕的重要因素之一，有必要對于本項目研究的混凝土材料進(jìn)行抗裂性能研究。針對聚丙烯纖維、鋼纖維2種不同材料，研究相同體積率、相同齡期的纖維混凝土對不同類型裂縫的修補作用，利用正交試驗研究不同體積率、不同齡期聚丙烯纖維、鋼纖維對于混凝土裂縫的抑制作用，同時基于斷裂力學(xué)，通過三點彎曲試驗判斷不同摻和率聚丙烯纖維、鋼纖維混凝土的起裂、擴展及失穩(wěn)進(jìn)程，引入斷裂力學(xué)相關(guān)性質(zhì)，判斷纖維混凝土在開裂、裂紋擴展和失穩(wěn)等階段的力學(xué)性質(zhì)，采用纖維混凝土撓度和裂縫端部開度分析纖維混凝土抗裂能力。為了充分了解纖維混凝土在關(guān)潭隧道中的各種性能，以充分發(fā)揮隧道纖維混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，適應(yīng)西南地區(qū)氣候條件嚴(yán)酷、水文地質(zhì)條件復(fù)雜，實現(xiàn)隧道的長期穩(wěn)定運營，還應(yīng)該對混凝土進(jìn)行抗壓強度、抗拉強度、抗折強度試驗等一系列實驗。

四、結(jié)語

為滿足隧道襯砌混凝土抗?jié)B防水要求，本文以關(guān)潭項目K5+210下穿隧道為依托，以降低大跨度下穿隧道施工、運營過程中滲漏、開縫對隧道結(jié)構(gòu)安全的影響為目的開展纖維混凝土最優(yōu)配比及各種性能研究，總結(jié)了相關(guān)技術(shù)特點，可為貴州地區(qū)類似下穿隧道工程提供參考。

作者:李科 姜雨生 李軍 單位:中交路橋建設(shè)有限公司