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    微硅粉在万军迴铁路隧道施工中的应用

    1  引言 
    目前,世界各国的微硅粉多用于高强砼(HSC),一般均在80MPa以上,但如追述其研究及首次应用在工程上,则应归功于隧道(1952年奥斯陆市的Blindtarmen隧道)在二十世纪七、八十年代,随着北欧和北美等隧道工程大国先后颁布了在混凝土中掺添微硅粉的标准,使得微硅粉的研究和应用在世界范围内迅猛发展。
    由于砼及喷射砼中掺添微硅粉具备诸多的优越性,我国在二十世纪九十年代开始引进、研究并使用,但也仅有少例使用在水工及公路,铁路隧道则无人问津,国内也尚未制定统一的相关标准。

    2  国内外微硅粉的使用情况 
    从二十世纪八十年代至今,在欧美喷射砼的75%为微硅粉喷射砼,北欧国家挪威、 瑞典的喷射砼则100%掺添微硅粉。大量资料显示,微硅粉被广泛用在高层建筑、预制构件、公路路面、桥梁及隧道中的喷射砼等,而绝大部分均为高强砼(80MPa—130Mpa)。 近年来,国内应用比较成功的是山西万家寨引黄工程及广东汕头LPG码头地下储气洞室。表1是国内外隧道施工的部分典型实例。

    3  微硅粉的物理特性及化学成份 
    微硅粉是熔炉气烟中过滤出来的,含有大量细小的非晶体二氧化硅(SiO2)的颗粒。它是硅铁或金属硅生产过程中由电弧炉中的高纯石英、焦炭和木屑还原产生的副产品。表2可充分说明其物理特性及化学成份。

    表2  微硅粉、粉煤灰、矿碴和普通水泥的物理特性及化学成分比较
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    从表2中细度一项可以看出,微硅粉细度均比其它三种物质小20-50倍,约为水泥的1/50。挪威埃肯(EIKem)硅粉颗粒的平均粒径为0.15微米,比普通水泥粒径小100倍,对水泥而言具有良好的充填效应。而微硅粉中大量的高活性的SiO2与水泥溶液中的Ca(OH)2结合,生成水化硅酸钙(C-S-H),使砼具有较高的强度与耐久性,并同时增加砼粘性,从而降低其回弹量。 

    4  万军迴铁路双线隧道的应用 

    4.1 工程概况 
    万军迴隧道是新建西安南京铁路西安南阳段的一座双线铁路隧道,位于陕西省蓝田县境内,属秦岭中山区,隧道全长750米。该隧道地层结构单一,主要由片麻岩夹片岩构成,无不良地质影响。隧道地下水主要为基岩裂隙水,水量较小,水质较好且对砼无侵蚀性。全隧除进口145米、出口35米为Ⅲ类围岩洞口加强段(施工支护加二次模筑衬砌)外,其余均为Ⅳ类围岩钢纤维喷砼作永久支护,共计长度570米,喷射量为2800 立方米。 
    我国采用钢纤维喷砼作永久衬砌的铁路隧道,是从西康线发展而来,当时设计采用的3座隧道(秦岭隧道部分地段、椅子山隧道及高碥沟隧道)尚属首次试验阶段,从试验到实际应用,均未见有掺添硅粉的记载。由于国内至今仍未见有关钢纤维喷射砼的规范和标准,西安南京铁路设计所采用的钢纤维喷射砼仍按试验段考虑,采用国外标准。钢纤维喷砼设计技术要求见表3

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    4.2  设计推荐参考配合比 
    参照西康铁路三座隧道的经验,设计给出了不掺硅粉时的参考配合比.表(4)

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    4.3  理论配合比确定 
    参照设计参考配合比,结合现场情况,细骨料采用霸桥河砂(Ⅱ区),级配为1mm~5mm,细度模数为Mx=2.9。粗骨料分为0~10mm及0~15mm两种,分别用于拱部和边墙喷射砼。下表列出了几组室内试验情况 (见表5)。 
    从表中看出,不掺速凝剂时各龄期抗压强度均大幅整体提高,而速凝剂掺量增加时,各龄期抗压强度随之减小。

    4.4  现场试喷 
    采用中铁西南研究分院生产的TK961湿喷机,人工进料及喷射,不掺速凝剂时,水胶比0.47,微硅粉掺量38Kg/m3,钢纤维掺量50 Kg/m3。通过测试,设计为15cm~20cm厚度的钢纤维喷射砼,边墙一次喷射完成,拱部因回弹量较大,可分二次完成。为减少拱部回弹量,增加一次喷射厚度,喷射拱部时掺2%的速凝剂可提高工作效率,并降低实际工程成本。经现场大板取样,通过试验,各项指标均满足设计要求(表7)。


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    4.5  现场实喷 
    4.5.1  每立方米各项材料用量(表9)。 4.5.2  喷射顺序根据隧道工序安排和拱部喷射回弹量 稍大的特点,钢纤维喷射砼时将边墙和拱部分开进行,这样可收到满意的效果。目前,万军回隧道已完成钢纤维喷射砼永久支护约80米,效果非常明显。
    现场将原装微硅粉拆装为7.5Kg~ 8.0Kg的小袋,在投入骨料同时投入微硅粉并加入水泥干拌约10秒再加水及外加剂.强制式拌合机搅拌时间控制在5~6分钟。

    Image 9.jpg

    5  成本比较 
    掺添一定量的微硅粉对钢纤维喷射砼起到增粘作用,从而降低回弹量和提高一次喷层厚度,提高了工作效率。另外,由于掺添微硅粉后减少甚致不用液态速凝剂,使得在喷射边墙时这项昂贵(6000元/t)的材料费用为零,大大降低了工程成本。通过计算,在同等条件下,掺微硅粉时喷射拱部每立方米钢纤维砼比不掺时可减少材料费用44元;而在喷射边墙时则可减少材料费用达88元(表10所述)

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    6  结束语 
    6.1  微硅粉在国内作为一种较为新型的添加剂已经得到推广运用,虽然也多用于高强砼,但在挪威法(NTM)设计施工的隧道工程也逐渐使用。笔者认为不局限于挪威法(NTM)设计施工的隧道,而应广泛用于普通喷射砼,尤其是初期支护,如不是地震多发带或无爆破振动的软弱围岩隧道施工,均可少用或不用速凝剂而采用微硅粉取代之.这样既能保证喷射砼的品质,又能降低工程成本。 
    6.2  从大量的国外使用资料看,一般均使用机械手喷射作业,泵送形式的湿喷机较多,而掺添微硅粉后砼泵送性极强,因此,一次喷层厚度较大而回弹量却很低(约4%-8%).我们所采用的TK961型湿喷机则为稀薄流形式,人为控制因素较多,回弹量一次喷层厚度等远不如机械手。 
    6.3  养护对掺添微硅粉后的喷射砼致关重要,即便是隧道,也应区别于不掺微硅粉砼的隧道而进行养护。也就是说常规的洞内自然养护难以达到喷射微硅粉砼龄期各项指标。在万军迴隧道试验过程中,我们让一组大板喷射砼试件在取样后不作任何养护(设计28天强度为30MPa ),测得 23天抗压强度为21MPa,然后将这组试件进行三天标准养护后,测得其抗压强为31.1MPa,28天时测得其抗压强度为35.1MPa。因此,不及时进行养护的喷射砼极有可能抗压强度等均达不到设计要求,并且养护期应在7天以上,这是施工中应特别注意的。 
    6.4  微硅粉由于颗粒细小而引起扬尘较大,故厂商在生产时为便于运输和考虑到施工需要,一般都作了特殊的增密处理,以减少损失和对环境的污染。因此,在拌合时为使增密后的微硅粉恢复原状,均匀地分散在喷射砼中,搅拌时间应比普通喷射砼长1~2分钟。
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