CN114956744A - 一种纳米改性高致密喷射混凝土及利用其的富水隧道的施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纳米改性高致密喷射混凝土及利用其的富水隧道的施工方法，属于隧道施工领域。本发明的纳米改性高致密喷射混凝土，早期强度、后期强度均有大幅度提升，与围岩粘结性强，可泵性强，前期硬化速度快，可将地下水快速封住，有效抵抗在建隧道强溶蚀过程；后期结构致密性好，孔隙率低，均匀性好，可以有效地减少地下水对衬砌的侵蚀作用。本发明的施工方法，当临空面水量较小时，直接进行喷射混凝土施工，快速封闭围岩内的水，形成早期强度很高的混凝土层。水量很大时，控制性的永久排水管的设置一方面可以起到限制排水、后期检查处治的效果，另一方面，会截断大量的水通过初支支护喷射混凝土，很大程度上避免了地下水对混凝土的侵蚀作用。
Description
技术领域
本发明属于隧道施工领域，尤其是一种纳米改性高致密喷射混凝土及利用其的富水隧道的施工方法。
背景技术
高速公路建设在突飞猛进式发展的过程中，隧道渗漏水等病害也不断增多，同时，隧道渗流结晶病害问题越来越突出。在富含地下水地区，喷射混凝土抗渗性较差且在施作初期就不断受到地下水的侵蚀，地下水易渗透喷射混凝土侵入隧道内部，影响隧道结构耐久性及施工进程。在喷射混凝土中凝胶材料不断水化生成氢氧化钙、水化硅酸钙等水化产物，当富含侵蚀性离子的地下水不断穿过混凝土内部时，溶蚀混凝土中的钙离子，使钙离子随侵蚀液流入隧道排水系统内，加速排水系统发生结晶堵塞，这种现象称为隧道渗流结晶现象。随着地下水对隧道初期支护喷射混凝土的不断侵蚀，会将混凝土中的有效成分带入到排水系统中，逐步在排水系统中堆积，从而逐步堵塞排水管。隧道渗流结晶现象，一方面会逐步“掏空”初期支护混凝土内部有效成分，最终使初期支护失去强度；另一方面会逐步堵塞排水系统。一旦排水系统发生堵塞，衬砌背后的地下水不能及时排走，进而以压力的形式作用于支护结构外侧与路面底部，使得衬砌与路面承受了额外的附加水压，导致大量隧道建成后短时间就出现了衬砌开裂、渗漏水及路面冒水等病害现象，严重危及隧道营运安全。
常用的隧道喷射混凝土早期强度低，回弹量大，耐久性差，使得富水隧道施工困难，喷射混凝土与围岩粘附很差，再加上早龄期水泥水化程度不高，地下水对初期支护混凝土的侵蚀作用会成倍的增加，这也是当前很多隧道在建期间就出现严重的隧道结晶的主要原因。隧道建设期间出现严重的结晶病害，会严重影响施工工期，由于结晶体最终都会流入排水管/排水沟内，对排水管/排水沟结晶堵塞的处理会耗费大量的资金。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种纳米改性高致密喷射混凝土及利用其的富水隧道的施工方法。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种纳米改性高致密喷射混凝土，以重量份数计，包括以下组分：快硬硫铝酸盐水泥180份、普通硅酸盐水泥200～240份、水183份、碎石807份、机制砂813份、纳米硅钙聚合体54份、粉煤灰36份、速凝剂18份及减水剂18份；
所述纳米硅钙聚合体由以下方法制备得到：
将球形纳米二氧化硅、纳米碳酸钙和高分子乳液分散混合，混合后置入喷雾干燥箱中进行烘干，得到纳米硅钙聚合体；
所述纳米硅钙聚合体平均粒径20～100nm，比表面积为20000～25000m2·kg-1；
所述高分子乳液为丙烯酸乳液、氯丁乳液、醋酸乙烯乳液中的一种或多种。
进一步的，球形纳米二氧化硅、纳米碳酸钙和高分子乳液的质量比为(3～1):(1～1):(5～3)。
进一步的，所述快硬硫铝酸盐水泥为42.5级快硬硫铝酸盐水泥，比表面积为371m2·kg-1，初凝时间为25min，终凝时间为34min；
所述普通硅酸盐水泥为P·O 42.5级的普通硅酸盐水泥，比表面积为355m2·kg-1，初凝时间为208min；
所述碎石粒径为5～8mm，细度模数为2.2～2.6；
所述机制砂，细度模数为2.6；
所述粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰，比表面积为360m2·kg-1；
所述速凝剂为无碱液体速凝剂；
所述减水剂为聚羧酸减水剂。
一种富水隧道的施工方法，包括以下操作：
当隧道爆破出渣时，先对裸露围岩进行渗漏水处理，若临空面呈点状渗水或局部线状渗水，利用本发明所述的纳米改性高致密喷射混凝土进行喷射施工；
若临空面局部面状渗水，进行堵水或排水，待临空面干燥或湿润状态时，利用本发明所述的纳米改性高致密喷射混凝土进行喷射施工；
若临空面呈涌水状态，利用探测雷达找到水源，安装控制性的永久排水管，对涌水点周围进行注浆封闭处理，待临空面为干燥或湿润状态时，利用权利要求1-3任一项所述的纳米改性高致密喷射混凝土进行喷射施工。
进一步的，对隧道采用弱爆破方式进行开挖。
进一步的，对隧道采用机械与弱爆破相结合的分层开挖方式，分层开挖采用三台阶法逐步开挖；
喷射混凝土在隧道完整断面施工工序与三台阶法保持一致，依次为上、中、下台阶喷射施工。
进一步的，所述控制性的永久排水管为带孔的排水管，所述排水管出口上方设有可拆卸管帽，所述排水管出口下方设有流量调节阀门；
利用钻孔方式将所述排水管打入基岩渗水处，使得地下水通过所述排水管排出隧道。
进一步的，所述探测雷达为TGP型雷达。
进一步的，喷射施工采用湿喷工艺，将本发明所述的快硬硫铝酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、水、碎石、机制砂、纳米硅钙聚合体、粉煤灰、减水剂拌和均匀的混合物与速凝剂在喷头处共同喷射到待施工部位。。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的纳米改性高致密喷射混凝土，早期强度、后期强度均有大幅度提升，与围岩粘结性强，可泵性强，前期硬化速度快，可将地下水快速封住，有效抵抗在建隧道强溶蚀过程；后期结构致密性好，孔隙率低，均匀性好，可以有效地减少地下水对衬砌的侵蚀作用，降低隧道运营风险。
本发明提供的富水隧道的施工方法，根据围岩渗水量大小进行施工，当临空面水量较小时，可直接进行喷射混凝土施工，快速封闭围岩内的水，形成早期强度很高的混凝土层，对隧道建设期间渗流结晶病害有很大的改善效果。水量很大时，控制性的永久排水管的设置一方面可以起到限制排水、后期检查处治的效果，另一方面，会截断大量的水通过初支支护喷射混凝土，很大程度上避免了地下水对混凝土的侵蚀作用。
附图说明
图1为纳米硅钙聚合体电镜扫描图；
图2为控制性的永久排水管。
其中：1-初期支护；2-防水板及土工织物；3-二次衬砌；4-阀门；5-可拆卸套帽；6-泄水孔。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
实施例1
一种纳米改性高致密喷射混凝土，以隧道喷射混凝土的重量为基准，包括以下组分：快硬硫铝酸盐水泥180份、普通硅酸盐水泥200份、水183份、碎石807份、机制砂813份、纳米硅钙聚合体54份、粉煤灰36份、速凝剂18份、减水剂18份。
所述纳米硅钙聚合体，其制备方法是将球形纳米二氧化硅、纳米碳酸钙和高分子乳液高速分散混合，其中球形纳米二氧化硅为40份、纳米碳酸钙为14份、高分子乳液60份，混合后置入喷雾干燥箱中，充分烘干，得到纳米硅钙聚合体。参见图1，图1为实施例的扫描电镜图，从图中可以看出，纳米硅钙聚合体干燥后分散性良好。
实施例2
一种纳米改性高致密喷射混凝土，以隧道喷射混凝土的重量为基准，包括以下组分：快硬硫铝酸盐水泥180份、普通硅酸盐水泥204份、水183份、碎石807份、机制砂813份、纳米硅钙聚合体54份、粉煤灰36份、速凝剂18份、减水剂18份。
所述纳米硅钙聚合体，其制备方法是将球形纳米二氧化硅、纳米碳酸钙和高分子乳液高速分散混合，其中球形纳米二氧化硅为36份、纳米碳酸钙为18份、高分子乳液60份，混合后置入喷雾干燥箱中，充分烘干，得到纳米硅钙聚合体。
实施例3
一种纳米改性高致密喷射混凝土，以隧道喷射混凝土的重量为基准，包括以下组分：快硬硫铝酸盐水泥180份、普通硅酸盐水泥208份、水183份、碎石807份、机制砂813份、纳米硅钙聚合体54份、粉煤灰36份、速凝剂18份、减水剂18份。
所述纳米硅钙聚合体，其制备方法是将球形纳米二氧化硅、纳米碳酸钙和高分子乳液高速分散混合，其中球形纳米二氧化硅为32份、纳米碳酸钙为22份、高分子乳液60份，混合后置入喷雾干燥箱中，充分烘干，得到纳米硅钙聚合体。
实施例4
一种纳米改性高致密喷射混凝土，以隧道喷射混凝土的重量为基准，包括以下组分：快硬硫铝酸盐水泥180份、普通硅酸盐水泥212水183份、碎石807份、机制砂813份、纳米硅钙聚合体54份、粉煤灰36份、速凝剂18份、减水剂18份。
所述纳米硅钙聚合体，其制备方法是将球形纳米二氧化硅、纳米碳酸钙和高分子乳液高速分散混合，其中球形纳米二氧化硅为28份、纳米碳酸钙为36份、高分子乳液60份，混合后置入喷雾干燥箱中，充分烘干，得到纳米硅钙聚合体。
实施例1～4主要性能指标，如表1所示。
表1实施例1～4主要性能指标
如表1所示，本发明实施例1～4提供的一种纳米改性高致密喷射混凝土，5h抗压强度可达到28.33MPa以上；7d抗压强度可达到44.68MPa以上，28d平均抗压强度可达到49.62MPa以上；回弹率均小于5％；与围岩的粘结强度可达到2.92MPa以上；渗透系数均小于0.36×10-9cm·s-1。尤其是实施例1，在使用了纳米改性高致密喷射混凝土后，前期强度和后期强度有了非常明显的提升，5h抗压强度达到33.15MPa，7d抗压强度达到48.85MPa以上，28d抗压强度达到52.41MPa以上，回弹率为2.6％，与围岩的粘结强度达到3.31MPa。说明添加纳米硅钙聚合体使得喷射混凝土结构致密性好，孔隙率低，可以有效地减少地下水对衬砌的侵蚀作用，降低隧道运营风险。
综上所述，本发明实施例提供了一种纳米改性高致密喷射混凝土，早期强度、后期强度均有大幅度提升，与围岩粘结性强，可泵性强，前期硬化速度快，可将地下水快速封住，有效抵抗在建隧道强溶蚀过程；后期结构致密性好，孔隙率低，均匀性好，可以有效地减少地下水对衬砌的侵蚀作用，降低隧道运营风险。
以台阶法为例，介绍本发明喷射混凝土用于富水隧道施工现场的实施案例。
(1)采用机械+弱爆破组合开挖方式，当地下水较小时可采用弱爆破方式，地下水较大时，需采用机械+弱爆破分层开挖方式，分层开挖采用三台阶方法逐步开挖。以上台阶为例，隧道上台阶开挖出渣完成后，首先对裸露围岩进行渗漏水处理，当临空面呈点状渗水或局部线状渗水，可直接进行喷射混凝土施工。其中，初期支护喷射混凝土施工工艺为常用的隧道施工工艺，主要工序包括架设钢拱架、设置锚杆、设置锁脚锚杆、挂设钢筋网、喷射混凝土。临空面局部面状渗水时，根据现场情况选择堵水或临时排水措施，临空面干燥或湿润状态时，即可进行喷射混凝土施工。若临空面呈涌水状态，利用探测雷达找到水源，安装控制性的永久排水管，对涌水点周围衬砌进行注浆处理，临空面干燥或湿润状态即可进行喷射混凝土施工。其中，控制性的永久排水管是一种带孔的排水管，如附图2所示，衬砌结构由初期支护喷射混凝土1、防水板与土工织物2、二次衬砌3组成，施工方法是利用钻孔方式将排水管打入基岩渗水处，使得地下水直接通过排水管排出隧道，隧道运营后该排水管可作为隧道结构永久性排水管，排水管进口处开孔6，更易将基岩渗水部位的水排出，排水管出口上方设置可拆卸管帽5，可用于隧道运营过程中检查排水管是否堵塞，若排水管发生堵塞，该口可作为清理管道的投药口；下方设置可调节流量大小的阀门4，可根据隧道排水要求限制排水量。
(2)中台阶、下台阶施工方法与上述上台阶施工方法相同，两台阶交接处钢拱架间的连接需要牢固。
(3)本发明提供的富水隧道的施工方法根据围岩渗水量大小进行施工。当临空面水量较小时，可直接进行喷射混凝土施工，快速封闭围岩内的水，形成早期强度很高的混凝土层，对隧道建设期间渗流结晶病害有很大的改善效果。水量很大时，控制性的永久排水管的设置一方面可以起到限制排水、后期检查处治的效果，另一方面，会截断大量的水通过初期支护喷射混凝土，很大程度上避免了地下水对混凝土的侵蚀作用。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种纳米改性高致密喷射混凝土，其特征在于，以重量份数计，包括以下组分：快硬硫铝酸盐水泥180份、普通硅酸盐水泥200～240份、水183份、碎石807份、机制砂813份、纳米硅钙聚合体54份、粉煤灰36份、速凝剂18份及减水剂18份；
所述纳米硅钙聚合体由以下方法制备得到：
将球形纳米二氧化硅、纳米碳酸钙和高分子乳液分散混合，混合后置入喷雾干燥箱中进行烘干，得到纳米硅钙聚合体；
所述纳米硅钙聚合体平均粒径20～100nm，比表面积为20000～25000m2·kg-1；
所述高分子乳液为丙烯酸乳液、氯丁乳液、醋酸乙烯乳液中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的纳米改性高致密喷射混凝土，其特征在于，球形纳米二氧化硅、纳米碳酸钙和高分子乳液的质量比为(3～1):(1～1):(5～3)。
3.根据权利要求1所述的纳米改性高致密喷射混凝土，其特征在于，所述快硬硫铝酸盐水泥为42.5级快硬硫铝酸盐水泥，比表面积为371m2·kg-1，初凝时间为25min，终凝时间为34min；
所述普通硅酸盐水泥为P·O 42.5级的普通硅酸盐水泥，比表面积为355m2·kg-1，初凝时间为208min；
所述碎石粒径为5～8mm，细度模数为2.2～2.6；
所述机制砂，细度模数为2.6；
所述粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰，比表面积为360m2·kg-1；
所述速凝剂为无碱液体速凝剂；
所述减水剂为聚羧酸减水剂。
4.一种富水隧道的施工方法，其特征在于，包括以下操作：
当隧道爆破出渣时，先对裸露围岩进行渗漏水处理，若临空面呈点状渗水或局部线状渗水，利用权利要求1-3任一项所述的纳米改性高致密喷射混凝土进行喷射施工；
若临空面局部面状渗水，进行堵水或排水，待临空面干燥或湿润状态时，利用权利要求1-3任一项所述的纳米改性高致密喷射混凝土进行喷射施工；
若临空面呈涌水状态，利用探测雷达找到水源，安装控制性的永久排水管，对涌水点周围进行注浆封闭处理，待临空面为干燥或湿润状态时，利用权利要求1-3任一项所述的纳米改性高致密喷射混凝土进行喷射施工。
5.根据权利要求4所述的富水隧道的施工方法，其特征在于，对隧道采用弱爆破方式进行开挖。
6.根据权利要求4所述的富水隧道的施工方法，其特征在于，对隧道采用机械与弱爆破相结合的分层开挖方式，分层开挖采用三台阶法逐步开挖；
喷射混凝土在隧道完整断面施工工序与三台阶法保持一致，依次为上、中、下台阶喷射施工。
7.根据权利要求4所述的富水隧道的施工方法，其特征在于，所述控制性的永久排水管为带孔的排水管，所述排水管出口上方设有可拆卸管帽，所述排水管出口下方设有流量调节阀门；
利用钻孔方式将所述排水管打入基岩渗水处，使得地下水通过所述排水管排出隧道。
8.根据权利要求4所述的富水隧道的施工方法，其特征在于，所述探测雷达为TGP型雷达。
9.根据权利要求4所述的富水隧道的施工方法，其特征在于，喷射施工采用湿喷工艺，将权利要求1-3任一项所述的快硬硫铝酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、水、碎石、机制砂、纳米硅钙聚合体、粉煤灰、减水剂的混合物与速凝剂在喷头处共同喷射到待施工部位。
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