陳 創(chuàng)

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 湖北武漢 430063)

在建蒼稼嶺和巖鷹鞍等隧道洞段含炭質(zhì)板巖，局部有頁(yè)巖氣游離賦存于板巖裂隙中，需采取措施處理在開挖時(shí)控制頁(yè)巖氣的釋放速度。噴射混凝土作為隧道初期支護(hù)的主要手段，傳統(tǒng)配比需考慮到混凝土強(qiáng)度砂率較低，為此需對(duì)能夠用于在隧道爆破后立即進(jìn)場(chǎng)噴射巖面封閉巖層裂隙的密實(shí)性噴射混凝土進(jìn)行研究，以快速凝固用以減小裂隙內(nèi)頁(yè)巖氣的逸出速度，從而為通風(fēng)創(chuàng)造良好的基礎(chǔ)條件，通過(guò)強(qiáng)力的通風(fēng)稀釋洞內(nèi)殘存的頁(yè)巖氣，獲取良好的安全作業(yè)環(huán)境，進(jìn)而取消洞內(nèi)機(jī)械設(shè)備的防爆設(shè)置，節(jié)約大量的投資。

1 氣密性噴射混凝土現(xiàn)狀分析

目前就水泥對(duì)混凝土抗?jié)B透性已達(dá)成一點(diǎn)共識(shí)即不能認(rèn)為強(qiáng)度高的水泥就一定能配制出高耐久性的混凝土[1-3]。發(fā)達(dá)國(guó)家的水泥標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于水泥的強(qiáng)度規(guī)定了最高值的限制強(qiáng)度超過(guò)規(guī)定也不合格而我國(guó)水泥標(biāo)準(zhǔn)則沒(méi)有最高值的限制；水泥的形態(tài)水泥顆粒的良好級(jí)配有利于混凝土中的水泥石達(dá)到最密實(shí)的狀態(tài)，但是一般的水泥生產(chǎn)工藝卻不易達(dá)到水泥的理想級(jí)配，所以為了得到密實(shí)較好、高抗?jié)B的混凝土摻加超細(xì)礦物摻合料是調(diào)整水泥顆粒級(jí)配的很有效的方法。因此選用普通硅酸鹽水泥是一個(gè)好的選擇并且是目前市場(chǎng)的主流在經(jīng)濟(jì)、來(lái)源等方面也是很合適的。

水泥石和混凝土的透氣性的差異主要是由界面和骨料引起的。研究表明普通骨料的滲透性一般都低于水泥石這樣在一定的壓力下氣體滲透過(guò)水泥石到達(dá)界面區(qū)的時(shí)候必定沿著界面區(qū)繞過(guò)骨料顆粒滲透而使的路徑延長(zhǎng)所以從理論上講混凝土中加入低滲透性的骨料可以切斷毛細(xì)管通道的連續(xù)性降低混凝土的滲透性。尤其在高水膠比和高毛細(xì)孔隙率的情況下這種作用應(yīng)該很明顯。然而實(shí)驗(yàn)結(jié)果恰恰相反當(dāng)加入骨料后混凝土的抗?jié)B透性降低了并且骨料粒徑越大透氣系數(shù)越高這是由于漿體與骨料界面處的孔結(jié)構(gòu)和微裂縫造成的。在普通混凝土中由于骨料和水泥漿之間存在界面過(guò)渡區(qū)界面上晶體富集且定向排列界面結(jié)構(gòu)疏松造成了混凝土的透氣性能高，要保證混凝土的抗氣體滲透性骨料應(yīng)均質(zhì)堅(jiān)固、級(jí)配良好。良好的級(jí)配能使骨料的孔隙率和總比表面積均較小從而不僅使水泥漿量較少而且還可以提高混凝土的密實(shí)性。

如果骨料顆粒表面光滑對(duì)混凝土的流動(dòng)性有利然而表面光滑的骨料和水泥石黏結(jié)較差。相反表面粗糙的骨料與水泥石的黏結(jié)較好有助于提高混凝土的密實(shí)性而且骨料粗糙的混凝土可以降低的富集程度。

砂的顆粒較小，一般不考慮其形貌，可是石子必須考慮其針、片狀顆粒含量。針、片狀顆粒不僅受力易折斷而且會(huì)增加骨料間的孔隙，對(duì)砂子來(lái)說(shuō)，宜采用中粗砂，尤其是粗骨料較差時(shí)，砂以粗砂為好。骨料中的黏土顆粒極細(xì)，會(huì)附著在骨料表面，影響水泥石與骨料的膠結(jié)能力，損害界面性能，影響混凝土的抗?jié)B透性能，以使混凝土的抗透水性及不透氣性提高。

綜合以上幾個(gè)方面考慮，在頁(yè)巖氣隧道中采用這種配合比，達(dá)不到封閉的作用，對(duì)頁(yè)巖氣隧道的施工造成很大的風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)多次試驗(yàn)?zāi)M，采用一定量的氣密劑代替水泥，可以起到一定的作用，這是因?yàn)闅饷軇┲泄杌铱梢悦黠@改善硬化混凝土的孔結(jié)構(gòu)及漿集料界面結(jié)構(gòu)。所以采用氣密劑等摻量取代法取代水泥。

2 氣密性噴射混凝土施工對(duì)策與試驗(yàn)

為了能夠獲得氣密性，首先結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行噴射混凝土試驗(yàn)[4-6]。實(shí)驗(yàn)主要是在相同的初始條件(水泥細(xì)度和品種、集料級(jí)配和最大粒徑、混凝土水灰比、外 加劑、含水率)下研究外摻料(氣密劑)對(duì)混凝土氣密性的影響。為此，通過(guò)一系列的實(shí)驗(yàn)研究對(duì)比，選出最優(yōu)的適用于頁(yè)巖氣隧道初期支護(hù)噴射氣密性配合比。

硅灰的高細(xì)度、高含量和高度的無(wú)定形性使硅灰在混凝土中有很好的填充性和火山灰活性有利于提高混凝土的密實(shí)度及抗?jié)B透性。當(dāng)水膠比不變時(shí)摻入硅灰可使界面粒尺寸減小降低取向度提高界面區(qū)密實(shí)度明顯降低硬化水泥漿的孔隙以及骨料與水泥漿之間過(guò)渡區(qū)的孔隙經(jīng)觀測(cè)摻硅灰的混凝土界面孔隙率明顯下降骨料周圍充滿了無(wú)定形致密的相混凝土密實(shí)性得到良好改善其原因是混凝土中的含量隨硅灰的增大而降低剩余的與不含硅灰的硅酸鹽水泥相比易于形成更小的晶粒。同時(shí)摻入氣密劑使得硅酸鹽水泥水化物中的比減小，水泥用量在保證混凝土強(qiáng)度和耐久性的要求的前提下減少單方水泥用量有利于降低混凝土的收縮性進(jìn)而提高了混凝土的抗?jié)B透性。最后得出的混凝土配比為每方增加45 kg氣密劑，對(duì)普通噴射混凝土和氣密性噴射混凝土兩個(gè)配合比進(jìn)行試驗(yàn)，最終性能(外觀質(zhì)量)如圖1、圖2所示。

圖1 普通噴射混凝土

圖2 氣密性噴射混凝土

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)檢測(cè)對(duì)比從芯樣的對(duì)比看出摻加氣密劑的混凝土外觀質(zhì)量明顯密實(shí)，采用專業(yè)的儀器進(jìn)行檢測(cè)做對(duì)比普通噴射混凝土明顯大于摻加氣密劑的噴射混凝土，檢測(cè)儀器及操作如圖3所示。

圖3 氣密性混凝土檢測(cè)儀器及操作

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及分析

經(jīng)過(guò)采用密實(shí)性噴射混凝土施工，在隧道開挖爆破后立即組織進(jìn)行，再加上大功率風(fēng)機(jī)輔助。掌子面及施工區(qū)人員集中地段未發(fā)現(xiàn)有頁(yè)巖氣，徹底解決了高風(fēng)險(xiǎn)頁(yè)巖氣安全風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題，取得了很多經(jīng)驗(yàn)：

(1)爆破前氣密性噴射混凝土一定要準(zhǔn)備到位，車輛統(tǒng)一停至二襯臺(tái)車后面，爆破過(guò)后立即隨挖掘機(jī)至掌子面，當(dāng)挖掘機(jī)排險(xiǎn)完成后立即采用濕噴機(jī)械手對(duì)掌子面裸露基巖進(jìn)行噴射混凝土封閉施工，噴射厚度不小于5 cm。

(2)待出渣完成后繼續(xù)組織對(duì)臺(tái)階下部未噴射支護(hù)的基巖封閉，然后轉(zhuǎn)入下一工序施工。

(3)現(xiàn)場(chǎng)循環(huán)作業(yè)必須設(shè)置一名專職的工序調(diào)度副隊(duì)長(zhǎng)，從而確保時(shí)間和空間不受封閉施工影響。從而為通風(fēng)取得了良好的基礎(chǔ)條件。

(4)洞外設(shè)置24 h值班制度，全權(quán)對(duì)洞外風(fēng)機(jī)進(jìn)行管理操作。

(5)洞內(nèi)專職安全人員來(lái)回巡檢頁(yè)巖氣濃度情況，認(rèn)真嚴(yán)格執(zhí)行一炮三檢制度。利用手機(jī)對(duì)洞外調(diào)度和隊(duì)長(zhǎng)等管理人員隨時(shí)取得聯(lián)系。

(6)制定專項(xiàng)應(yīng)急預(yù)案，并定期組織演練，確保險(xiǎn)情發(fā)生時(shí)能夠立即組織搶險(xiǎn)。

4 結(jié)論

(1)如果隧道含炭質(zhì)板巖或有滲水及頁(yè)巖氣游離逸出，則必須在施工過(guò)程中控制氣體釋放速度，最好采用較為特殊的噴射混凝土作為隧道初期支護(hù)和封閉巖層裂隙，才能保證施工安全。

(2)綜合國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)，為了能夠獲得氣密性，通過(guò)一系列的實(shí)驗(yàn)研究對(duì)比，選擇混凝土配比且每方增加45 kg氣密劑，發(fā)現(xiàn)摻加氣密劑的混凝土外觀質(zhì)量明顯密實(shí)，可以達(dá)到密閉性要求，能保證工程安全施工。