钢纤维喷混凝土在天生桥一级水电站

电力18讯：    1　概　况
　　在国际上，钢纤维混凝土（SFRC）越来越多地应用在公路路面、工业地坪、机场跑道、隧洞支护及衬砌等领域中。根据国外经验，应用钢纤维混凝土可以省时、安全、耐久并可节省混凝土圬工30％。随着我国水利水电地下工程和高边坡工程技术的发展，一种快速、安全而又经济的支护方法――钢纤维喷混凝土应运而生。
　　天生桥一级水电站引水隧洞开挖洞径φ11．6m，通过的地层为三迭系中统边阳组T2b互层状厚层、中厚层泥岩和砂岩，其中泥岩约占2／3，湿抗压强度15～20 MPa，且具有失水崩解的特性。岩层走向与隧洞轴线走向近于平行，倾角45°～50°，倾向山里，岩体质地软弱，层间错动带和节理（共5组，其中一组为反倾向节理，与层面组合于洞顶易形成“屋脊形”塌方）极为发育，且沿线有3条较大的断层（F19、F20、F26）。岩石坚固系数f＝2～4，围岩以Ⅳ类为主，少量为Ⅲ类和Ⅴ类围岩。引水隧洞穿越的10号冲沟除地质构造复杂外，上覆岩层薄，厚度仅18～28 m，其中强风化带宽8～10 m。弱风化带以下（含弱风化带）岩层仅为隧洞开挖洞径的1～1．5倍，隧洞稳定性差。其特殊的地质条件对施工的影响和威胁较大，而喷锚支护好坏是隧洞施工成败的关键。设计方面明确要求引水隧洞的开挖采用“新奥法”进行施工。　　“新奥法”的基本内容概括起来是：在充分考虑围岩自身承载能力的基础上，因地制宜地搞好地下洞室的开挖支护。也就是说，要首先研究充分发挥围岩的自承能力，尽量使围岩遭受到的破坏程度最小和保证它的稳定性；洞室开挖让其产生一定的变形后适时进行柔性支护，使围岩与支护在加以限制的情况下共同变形，并掌握不使它发展到有害的程度。钢纤维喷混凝土良好的抗裂性和韧性等充分体现了“新奥法”的这一支护原则，所以，采用钢纤维喷混凝土代替钢筋网喷混凝土是非常必要的。
2　钢纤维喷混凝土代替钢筋网喷混凝土的设计原理　　
　　天生桥一级水电站引水隧洞开挖支护（钢筋网喷混凝土）设计：喷混凝土20 cm，钢筋网为φ6＠200mm×200 mm和φ6＠150 mm×150 mm两种型式，以φ6＠150 mm×150 mm为计算依据，该喷护厚度最大弯矩为：

M＝0．9×（h／2）σ・A  （1）
                         ＝0．9×0．1×240×188　

＝4 060．8（N・m）
式中　0．9为系数，因钢筋在衬砌混凝土中的位置不在正中央，故取0．9；h为喷混凝土厚度，由于钢筋网喷混凝土中的钢筋位置的不规则性，只按实际喷层厚度的一半计算，即h／2；σ为钢筋抗拉设计强度；A为单位宽度（1 000 mm）内的钢筋横截面积。
    而素混凝土的弯矩计算公式为：　　

M＝（fu／s）bh2／σ  （2）

式中　fu为素混凝土抗弯强度；s为安全系数；b为横截面宽度，通常取1 000 mm。
　　由于钢纤维是作为一种骨料掺入混凝土的，在整个衬砌厚度中起作用，因此，式（2）可变为钢纤维喷混凝土衬砌弯矩计算公式（3）
　　Mp＝febh2／6（3）

式中　fe为钢纤维喷混凝土的等效抗弯强度，此值替代了fu／s，原因是掺加钢纤维后增大了混凝土的弯曲韧性。
　　对素混凝土梁及钢纤维混凝土梁作弯折试验，可分别得出它们的荷载――挠度曲线，见图1，图2。






　　由图2可看出，钢纤维混凝土在达到极限荷载后仍有较大位移量BA，并能承受荷载pe代表混凝土梁开裂后的剩余抗弯强度值，还包括梁的能量吸收值Tb。与图1相比，素混凝土梁在达到极限荷载后只有极小的位移量OA′，能量吸收值T′b也很小。　　钢纤维喷混凝土要达到钢筋网喷混凝土相应的弯距值，可将（1）式的4 060．8 N・m代入（3）式的Mp可得出：
    fe＝6Mp／bh2＝6×4060．8／1×（150）2　＝1．08（MPa）
　　要达到同样的弯距值，只需钢纤维混凝土的等效抗弯强度（弯曲韧性）达到1．08 MPa即可。因此，需通过试验验证一定配合比钢纤维喷混凝土的等效抗弯强度是否大于1．08 MPa。
3　钢纤维喷混凝土试验
　　钢纤维喷混凝土虽然在国外早已得到广泛应用，但在国内还处于试用阶段，所以，在本工程中使用还需进一步进行试验研究。通过配合比、拌和工艺和现场喷射工艺试验，对钢纤维喷混凝土的各项技术和力学指标进一步验证和分析，从而论证并确定钢纤维喷混凝土替代钢筋网喷混凝土支护的可行性。试验工作从1998年1月1日开始，分别进行了钢纤维喷混凝土配合比设计→室内拌和试验→拌和工艺试验和检验→喷混凝土工作面的准备（1号引水隧洞0＋70～0＋80 m）→喷混凝土风、水、电及设备的准备→现场喷混凝土试验及大板试件取样→试件养护→试件切割→力学试验，历时一个半月。
3．1　钢纤维喷混凝土试验的配合比设计

　　根据钢纤维生产厂家提供的参考配合