微矽粉在萬軍迴鐵路隧道施工中的應用

1  引言 
目前│☁,世界各國的微矽粉多用於高強砼(HSC)│☁,一般均在80MPa以上│☁,但如追述其研究及首次應用在工程上│☁,則應歸功於隧道(1952年奧斯陸市的Blindtarmen隧道)在二十世紀七☁▩✘•、八十年代│☁,隨著北歐和北美等隧道工程大國先後頒佈了在混凝土中摻添微矽粉的標準│☁,使得微矽粉的研究和應用在世界範圍內迅猛發展₪↟·。
由於砼及噴射砼中摻添微矽粉具備諸多的優越性│☁,我國在二十世紀九十年代開始引進☁▩✘•、研究並使用│☁,但也僅有少例使用在水工及公路│☁,鐵路隧道則無人問津│☁,國內也尚未制定統一的相關標準₪↟·。

2  國內外微矽粉的使用情況 
從二十世紀八十年代至今│☁,在歐美噴射砼的75%為微矽粉噴射砼│☁,北歐國家挪威☁▩✘•、 瑞典的噴射砼則100%摻添微矽粉₪↟·。大量資料顯示│☁,微矽粉被廣泛用在高層建築☁▩✘•、預製構件☁▩✘•、公路路面☁▩✘•、橋樑及隧道中的噴射砼等│☁,而絕大部分均為高強砼(80MPa—130Mpa)₪↟·。 近年來│☁,國內應用比較成功的是山西萬家寨引黃工程及廣東汕頭LPG碼頭地下儲氣洞室₪↟·。表1是國內外隧道施工的部分典型例項₪↟·。

3  微矽粉的物理特性及化學成份 
微矽粉是熔爐氣煙中過濾出來的│☁,含有大量細小的非晶體二氧化矽(SiO2)的顆粒₪↟·。它是矽鐵或金屬矽生產過程中由電弧爐中的高純石英☁▩✘•、焦炭和木屑還原產生的副產品₪↟·。表2可充分說明其物理特性及化學成份₪↟·。

表2  微矽粉☁▩✘•、粉煤灰☁▩✘•、礦碴和普通水泥的物理特性及化學成分比較
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從表2中細度一項可以看出│☁,微矽粉細度均比其它三種物質小20-50倍│☁,約為水泥的1/50₪↟·。挪威埃肯(EIKem)矽粉顆粒的平均粒徑為0.15微米│☁,比普通水泥粒徑小100倍│☁,對水泥而言具有良好的充填效應₪↟·。而微矽粉中大量的高活性的SiO2與水泥溶液中的Ca(OH)2結合│☁,生成水化矽酸鈣(C-S-H)│☁,使砼具有較高的強度與耐久性,並同時增加砼粘性,從而降低其回彈量₪↟·。 

4  萬軍迴鐵路雙線隧道的應用 

4.1 工程概況 
萬軍迴隧道是新建西安南京鐵路西安南陽段的一座雙線鐵路隧道│☁,位於陝西省藍田縣境內│☁,屬秦嶺中山區│☁,隧道全長750米₪↟·。該隧道地層結構單一│☁,主要由片麻岩夾片岩構成│☁,無不良地質影響₪↟·。隧道地下水主要為基岩裂隙水│☁,水量較小│☁,水質較好且對砼無侵蝕性₪↟·。全隧除進口145米☁▩✘•、出口35米為Ⅲ類圍巖洞口加強段(施工支護加二次模築襯砌)外│☁,其餘均為Ⅳ類圍巖鋼纖維噴砼作永久支護│☁,共計長度570米│☁,噴射量為2800 立方米₪↟·。 
我國採用鋼纖維噴砼作永久襯砌的鐵路隧道│☁,是從西康線發展而來│☁,當時設計採用的3座隧道(秦嶺隧道部分地段☁▩✘•、椅子山隧道及高碥溝隧道)尚屬首次試驗階段│☁,從試驗到實際應用│☁,均未見有摻添矽粉的記載₪↟·。由於國內至今仍未見有關鋼纖維噴射砼的規範和標準│☁,西安南京鐵路設計所採用的鋼纖維噴射砼仍按試驗段考慮│☁,採用國外標準₪↟·。鋼纖維噴砼設計技術要求見表3

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4.2  設計推薦參考配合比 
參照西康鐵路三座隧道的經驗,設計給出了不摻矽粉時的參考配合比.表(4)

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4.3  理論配合比確定 
參照設計參考配合比│☁,結合現場情況│☁,細骨料採用霸橋河砂(Ⅱ區)│☁,級配為1mm~5mm│☁,細度模數為Mx=2.9₪↟·。粗骨料分為0~10mm及0~15mm兩種│☁,分別用於拱部和邊牆噴射砼₪↟·。下表列出了幾組室內試驗情況 (見表5)₪↟·。 
從表中看出│☁,不摻速凝劑時各齡期抗壓強度均大幅整體提高│☁,而速凝劑摻量增加時│☁,各齡期抗壓強度隨之減小₪↟·。

4.4  現場試噴 
採用中鐵西南研究分院生產的TK961溼噴機│☁,人工進料及噴射│☁,不摻速凝劑時│☁,水膠比0.47│☁,微矽粉摻量38Kg/m3│☁,鋼纖維摻量50 Kg/m3₪↟·。透過測試│☁,設計為15cm~20cm厚度的鋼纖維噴射砼│☁,邊牆一次噴射完成│☁,拱部因回彈量較大│☁,可分二次完成₪↟·。為減少拱部回彈量│☁,增加一次噴射厚度│☁,噴射拱部時摻2%的速凝劑可提高工作效率│☁,並降低實際工程成本₪↟·。經現場大板取樣│☁,透過試驗│☁,各項指標均滿足設計要求(表7)₪↟·。


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4.5  現場實噴 
4.5.1  每立方米各項材料用量(表9)₪↟·。 4.5.2  噴射順序根據隧道工序安排和拱部噴射回彈量 稍大的特點│☁,鋼纖維噴射砼時將邊牆和拱部分開進行│☁,這樣可收到滿意的效果₪↟·。目前│☁,萬軍回隧道已完成鋼纖維噴射砼永久支護約80米│☁,效果非常明顯₪↟·。
現場將原裝微矽粉拆裝為7.5Kg~ 8.0Kg的小袋│☁,在投入骨料同時投入微矽粉並加入水泥幹拌約10秒再加水及外加劑.強制式拌合機攪拌時間控制在5~6分鐘₪↟·。

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5  成本比較 
摻添一定量的微矽粉對鋼纖維噴射砼起到增粘作用│☁,從而降低迴彈量和提高一次噴層厚度│☁,提高了工作效率₪↟·。另外│☁,由於摻添微矽粉後減少甚致不用液態速凝劑│☁,使得在噴射邊牆時這項昂貴(6000元/t)的材料費用為零│☁,大大降低了工程成本₪↟·。透過計算│☁,在同等條件下│☁,摻微矽粉時噴射拱部每立方米鋼纖維砼比不摻時可減少材料費用44元;而在噴射邊牆時則可減少材料費用達88元(表10所述)

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6  結束語 
6.1  微矽粉在國內作為一種較為新型的新增劑已經得到推廣運用│☁,雖然也多用於高強砼│☁,但在挪威法(NTM)設計施工的隧道工程也逐漸使用₪↟·。筆者認為不侷限於挪威法(NTM)設計施工的隧道│☁,而應廣泛用於普通噴射砼│☁,尤其是初期支護│☁,如不是地震多髮帶或無爆破振動的軟弱圍巖隧道施工│☁,均可少用或不用速凝劑而採用微矽粉取代之.這樣既能保證噴射砼的品質│☁,又能降低工程成本₪↟·。 
6.2  從大量的國外使用資料看│☁,一般均使用機械手噴射作業│☁,泵送形式的溼噴機較多│☁,而摻添微矽粉後砼泵送性極強│☁,因此│☁,一次噴層厚度較大而回彈量卻很低(約4%-8%).我們所採用的TK961型溼噴機則為稀薄流形式│☁,人為控制因素較多│☁,回彈量一次噴層厚度等遠不如機械手₪↟·。 
6.3  養護對摻添微矽粉後的噴射砼致關重要│☁,即便是隧道│☁,也應區別於不摻微矽粉砼的隧道而進行養護₪↟·。也就是說常規的洞內自然養護難以達到噴射微矽粉砼齡期各項指標₪↟·。在萬軍迴隧道試驗過程中│☁,我們讓一組大板噴射砼試件在取樣後不作任何養護(設計28天強度為30MPa )│☁,測得 23天抗壓強度為21MPa│☁,然後將這組試件進行三天標準養護後│☁,測得其抗壓強為31.1MPa,28天時測得其抗壓強度為35.1MPa₪↟·。因此│☁,不及時進行養護的噴射砼極有可能抗壓強度等均達不到設計要求│☁,並且養護期應在7天以上│☁,這是施工中應特別注意的₪↟·。 
6.4  微矽粉由於顆粒細小而引起揚塵較大│☁,故廠商在生產時為便於運輸和考慮到施工需要│☁,一般都作了特殊的增密處理│☁,以減少損失和對環境的汙染₪↟·。因此│☁,在拌合時為使增密後的微矽粉恢復原狀│☁,均勻地分散在噴射砼中│☁,攪拌時間應比普通噴射砼長1~2分鐘₪↟·。

常見問題✘·│₪:

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