喷射混凝土技术在陆水枢纽除险加固中的应用

刘天津,李祖彪,何继平,黄 伟

(长江水利委员会陆水枢纽工程局,湖北 赤壁 437302)

1 工程地质概况

陆水水利枢纽位于长江中游南岸一级支流陆水干流山谷出口处,随着运行时间延长日渐暴露出诸多隐患。3号副坝下游左岸边坡垂直高20～45m,边坡坡度约为80°。岩石风化加剧,局部地方出现了垮塌等不安全迹象,除险加固十分必要和迫切。

2 防护方案

该工程在具体实施前,由业主、设计院、监理部及施工单位组成联合小组,本着从严要求的精神,经过反复探讨,制定出了详细周密的分步实施计划。

(1)锚杆采用直径为 Φ25钢筋;锚固深度3m;锚杆孔的深度应大于锚固深度20cm,并用1:1水泥砂浆固结;锚杆间距采用1.5m×1.5m,梅花型布置。坡面排水管采用Φ50PVC排水,孔深1.5m,间距2m×2m,梅花型布置。

(2)初次喷射混凝土厚度采用5 cm,喷射混凝土等级为C20细石混凝土。初喷完毕后布置钢筋网。钢筋网的孔眼尺寸采用20cm×20cm的方孔,钢筋直径为6mm。

(3)钢筋网安装完毕进行再次喷射5 cm厚C20细石混凝土。

2.1 材料选定

2.1.1 骨料

(1)骨料的强度。采用高强度岩石碎粒骨料,无疑是高性能喷射混凝土的首选。

(2)骨料的粒径。试验表明,混凝土的强度随着骨料粒径的减小而提高。骨料最大粒径减小,不仅增加了骨料与水泥浆的粘结面积,而且容易拌和均匀,骨料周围水膜减薄,从而提高了混凝土强度。因此,使用小粒径的骨料较好。

(3)骨料与水泥浆的相容性。要想获得较好的界面结构,骨料与水泥浆在化学性质和结构上应是相容的。只有这样,水泥水化形成的产物才能与骨料表面物质互相接触连生而形成一个整体。试验表明,硅酸盐水泥与硅质骨料相容较好。

陆水河下游有一个天然的河床砂石料场,对料场取样实验检测资料表明,粗细骨料均能满足工程需要。另外,天然的河床卵石骨料外形圆滑,可泵性良好,能节约大量水泥。喷射混凝土的粗骨料最大粒径为15mm,级配良好;细骨料采用细度模数2.8的天然河沙,含水率控制在5%～7%。

2.1.2 水泥

水泥选用赤壁市交通水泥厂生产的42.5普通硅酸盐水泥,经检验,标准稠度、凝结时间、安全性等符合要求。

2.1.3 速凝剂

为了降低用水量,降低回弹率和粉尘率,使喷射混凝土早凝早强,必须使用外加剂。经现场试验,我们选用安徽省皖科新科技发展有限公司生产的782型混凝土速凝剂,添加量为胶凝材料的4.5%。

2.1.4 水

为了保证喷射混凝土的正常凝结和硬化,保证强度和稳定,喷射用水采用生活饮用水。

2.2 配合比试验

由于喷射混凝土是通过压缩空气将混凝土喷射到坡面岩体上,不能象普通混凝土那样进行振捣,因此其配合比具有如下特点:①粗骨料最大粒径不宜大于2cm,以防堵塞输料管;②粗细集料级配要好,以减少混凝土孔隙;③为保证混凝土有较好的稠度和粘着性,必须加大水泥用量和砂率。根据上述特点,进行喷射混凝土强度配合比设计,并通过实地调整。最后取施工配合比(重量比)为:水泥∶砂∶碎石=1∶2.3∶2.3,水灰比为0.4～0.5,每立方米混凝土材料用量为:水泥420kg、砂966kg、碎石966kg。

3 施工方法及技术措施

喷锚网支护的施工程序如图1所示。

图1 网喷混凝土支护施工流程图

3.1 搭设脚手架

脚手架搭设前必须先对现有边坡的稳定情况进行观察,确定安全后再搭设脚手架。钢管支架立柱应置于坚硬稳定的岩石上,不得置于浮渣上;立柱间距1.5m。架子宽度1.2～1.5 m;横杆高度1.8m,以满足施工操作;搭设管扣要牢固和稳定;相邻钢管之间应连接牢靠,以确保施工安全。

3.2 坡面整修

由于现有的岩石边坡风化破碎,故必须将风化岩渣和松动危石清除干净。处理好光滑岩面;用高压水冲洗受喷面;在边坡上设置一定数量的排水孔。

3.3 喷射混凝土作业

喷射混凝土有干喷、潮喷、湿喷和混合喷等四种作业方法。

本工程采用干喷法作业施工。干喷法工艺流程如图2所示。

图2 干喷法施工流程图

3.3.1 喷射过程控制

(1)喷射距离及喷射角度。喷头与受喷岩面的垂直距离控制在0.8～1.0m,喷头与受喷面的夹角应控制在 75°～ 90°。

(2)工作风压。根据湿喷机与作业面的距离,工作风压一般控制在0.3～0.4MPa。

(3)一次喷射厚度及速凝剂掺量。一次喷射厚度主要取决于混凝土的内聚力和它与岩面的粘结力。一次最佳喷射厚度控制在5～6 cm。速凝剂掺量为4%。

(4)喷射顺序及方法。喷射时应按照分段、分部位顺序进行;喷射顺序为自下而上。喷射时喷头应作S形往返移动前进。

3.4 锚杆钻孔及注浆

(1)锚杆钻孔在混凝土喷射第一层后才进行定位;采用气腿式凿岩机钻孔,孔径50mm;锚杆深度为3m,钻孔垂直边坡面。锚杆直径25 mm,间排距1.5m,梅花型布置。

(2)采用压力泵将1:1的水泥砂浆注入锚孔。如遇空洞不能加压太大,要保持0.1 MPa的工作压力。注浆时注浆管应插至孔底5～10cm处,随砂浆的注入缓慢匀速拔出。注浆要保证砂浆饱满,不得有里空外满的现象。

(3)注完浆后,立即插入锚杆,若孔口无砂浆溢出,应及时补注砂浆。

3.5 挂 网

(1)先将直径6mm圆盘钢筋调直,按边坡形状状尺寸取料加工,按网孔20 cm×20cm的规格编织好钢筋网,分布要均匀,绑扎要牢固。

(2)编好钢筋网后,与锚杆交接处必须进行焊接,以保证喷射混凝土时钢筋不晃动。

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(3)钢筋网必须紧贴混凝土表面,以保证钢筋网保护层厚度。

3.6 养 生

(1)当最后一次喷射的混凝土终凝2h后,立即喷水养护,每天至少喷水4次。养护时间一般不得少于7d。

(2)在终凝后第一次喷水养生时,压力不宜过大,以防止冲坏喷射混凝土防护层表面。

(3)在养生过程中如果发现剥落、外鼓、裂纹、局部潮湿、色泽不均等不良现象,应分析原因、采取措施进行修补,以防后患。

3.7 现场质量管理与检测

3.7.1 现场质量管理措施

(1)严把钢筋、水泥、砂石、速凝剂等原材料质量关,并严格按配合比施工。

(2)严格操作规程。我们根据生产需要,专门制订出锚杆施工操作规程、喷射混凝土操作规程以及化验制度、机具测试维修制度、新工艺和新技术的推广制度等,使每一位施工人员都熟悉并掌握操作规程和技术要求,要求工人严格按操作规程施工。

3.7.2 现场质量检测

(1)强度检测。喷射混凝土必须做抗压强度试验,试块在工程施工中抽样制取,在喷射作业面附近,将模具敞开一侧朝下,以80°(与水平面的夹角)左右置于墙脚:先在模具外的边墙上喷射,待操作正常后,将喷头移至模具位置,由下而上,逐层向模具内喷满混凝土。将喷满混凝土的模具移至安全地方,用三角抹刀刮平混凝土表面。在标准养护条件下养护7d后,将混凝土加工成边长为100 mm的立方体试块。继续在标准条件下养护至28d龄期后,进行抗压强度试验。

(2)混凝土厚度控制。混凝土的厚度控制要满足设计要求。一般情况下,采用在施喷前喷面埋设标志物的方法,埋设数量基本能反映喷层厚度。

(3)锚杆间排距检测。锚杆间排距是锚杆施工质量的一项主要考核指标,是锚杆能否发挥支护作用的保证条件之一。在锚杆被喷射混凝土覆盖前,主要采用在工作面用尺直接量测的方式进行检测。

(4)外观感检测。观感检测一般采用人工观测的方法,包括目测法和实测法两种。工程完工后,该工程坡面平顺、线型流畅,无漏喷、空鼓、钢筋网外露现象,地表及坡面排水处理得当,无漏水现象,符合规范要求。