引水隧洞噴鋼纖維混凝土技術(shù)經(jīng)濟(jì)淺析

鄂廣全 耿鵬云

1 工程概況

洛澤河水電站工程位于云南省昭通市洛澤河下游河段上，裝機(jī)容量65 MW，工程樞紐由攔河壩、引水隧洞、調(diào)壓井、壓力鋼管、地面廠房和升壓站組成。引水隧洞總長約為5.8 km，為無壓引水隧洞，采用城門洞型斷面，斷面尺寸為6.6 m×7.0 m(寬×高)，隧洞縱坡坡度為1‰。

引水隧洞所在右岸山脊地形地貌有利，巖體質(zhì)量大部分較好，但隧洞穿過一條斷層，破碎帶寬度20 m～30 m，由片狀的壓碎巖組成，向兩側(cè)規(guī)模變小，逐漸變?yōu)閾锨Ｋ矶炊词疑细矌r性主要為泥灰?guī)r及少量的粉砂質(zhì)泥巖、鈣質(zhì)泥巖等，根據(jù)隧洞沿線的地形特點(diǎn)、巖性組成、構(gòu)造發(fā)育情況、地下水分布、巖體的透水性等，并依據(jù)SL 55-2005中小型水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范圍巖工程地質(zhì)分類標(biāo)準(zhǔn)，對隧洞及施工支洞圍巖進(jìn)行分段，其中隧洞進(jìn)出口、構(gòu)造破碎等地段屬Ⅳ類圍巖，長度占總長度的20%，其余地段為Ⅲ類圍巖，占總長度的80%。

2 設(shè)計(jì)方案

工程方案設(shè)計(jì)時，對引水隧洞擬定了兩個設(shè)計(jì)方案，一個方案是常規(guī)的掛網(wǎng)噴混凝土襯砌方案，另一個方案是噴鋼纖維混凝土襯砌方案。具體設(shè)計(jì)方案如下:

常規(guī)的掛網(wǎng)噴混凝土襯砌方案為在Ⅲ類圍巖洞段采用錨桿φ22@150 cm×150 cm，掛鋼筋網(wǎng)φ8@15×15，噴15 cm厚混凝土，不襯砌;在Ⅳ類圍巖洞段采用錨桿φ22@150 cm×150 cm，掛鋼筋網(wǎng)φ8@15×15，噴12 cm厚混凝土進(jìn)行臨時支護(hù)，60 cm厚混凝土襯砌。

噴鋼纖維混凝土襯砌方案為在Ⅲ類圍巖洞段采用錨桿φ22@150 cm×150 cm，噴10 cm厚鋼纖維混凝土，不襯砌;在Ⅳ類圍巖洞段采用錨桿φ22@150 cm×150 cm，噴8 cm厚鋼纖維混凝土進(jìn)行臨時支護(hù)，60 cm厚混凝土襯砌。鋼纖維用量為45 kg/m3混凝土。

3 技術(shù)比較

掛網(wǎng)噴混凝土和噴鋼纖維混凝土兩個設(shè)計(jì)方案在技術(shù)特點(diǎn)上有較大差異，對比如下:

1)工程量方面。

鋼纖維混凝土特殊的組成結(jié)構(gòu)和受力機(jī)理決定了它擁有良好的物理力學(xué)性能。它克服了素混凝土抗拉強(qiáng)度低、極限延伸率小和脆性的弱點(diǎn)，具有較高的抗拉、抗壓、抗彎和抗剪強(qiáng)度，也具有良好的抗沖擊性、抗裂性和抗疲勞性能，并且韌性好、適應(yīng)變形能力強(qiáng)。噴鋼纖維混凝土的這些優(yōu)點(diǎn)，使它與掛網(wǎng)噴混凝土相比襯砌厚度可以減少5 cm～8 cm，減少隧洞石方開挖和噴混凝土的工程量。

2)施工質(zhì)量方面。

由于隧洞圍巖開挖后的形狀是不規(guī)則的，掛鋼筋網(wǎng)不可能與圍巖緊密的貼和，在鋼筋和圍巖之間易形成空洞，即噴錨支護(hù)后采取二次襯砌，已經(jīng)脫空的部位仍然得不到加強(qiáng)，仍存在質(zhì)量隱患。另外鋼筋的振動也容易造成鋼筋網(wǎng)和噴混凝土不能緊密結(jié)合。相比之下，噴鋼纖維混凝土則不存在這樣的問題，能夠與圍巖開挖面緊密粘結(jié)在一起，能夠共同變形，可以提供連續(xù)的、可靠的支護(hù)力，減少應(yīng)力集中現(xiàn)象，支護(hù)質(zhì)量更加均勻、可靠、安全。

3)節(jié)約材料方面。

掛網(wǎng)噴混凝土施工過程中，鋼筋網(wǎng)的振動會導(dǎo)致混凝土的回彈加大，尤其在開始噴射的短時間內(nèi)，絕大部分骨料、水泥會被回彈掉。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，掛網(wǎng)噴混凝土的回彈量在30%左右，噴鋼纖維混凝土的回彈量在10%左右。

4)施工進(jìn)度方面。

噴鋼纖維混凝土可省去掛網(wǎng)的人工、設(shè)備及時間，快速及時的對爆破后的巖體實(shí)施支護(hù)。噴鋼纖維混凝土對于處理或加固軟弱圍巖而言是最好、最便捷的支護(hù)手段。另外，由于取消了掛網(wǎng)的工藝，噴鋼纖維混凝土能夠加快施工速度，和掛網(wǎng)噴混凝土相比較，其工期節(jié)約在30%以上。

4 經(jīng)濟(jì)比較

由于采取噴鋼纖維混凝土替代傳統(tǒng)的掛網(wǎng)噴混凝土，不再需要鋼筋網(wǎng);施工速度加快，人工和機(jī)械設(shè)備使用費(fèi)降低，工程量減少，如此其綜合費(fèi)用將低于傳統(tǒng)的掛網(wǎng)噴射工藝。噴鋼纖維混凝土與掛網(wǎng)噴混凝土相比較，在經(jīng)濟(jì)性方面有以下差異:

1)由于噴鋼纖維混凝土具有較高的抗拉、抗壓、抗彎和抗剪強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，噴鋼纖維混凝土的厚度小于掛網(wǎng)噴混凝土，隧洞開挖斷面減小8 cm～10 cm，使隧洞開挖量減少約1.97%。

2)噴鋼纖維混凝土的襯砌厚度小于掛網(wǎng)噴混凝土，使噴混凝土工程量減少約33.3%，噴鋼纖維混凝土與圍巖的良好結(jié)合性也使得混凝土回彈量減少20%，節(jié)約20%混凝土材料。

3)噴鋼纖維混凝土取消掛網(wǎng)鋼筋約480 t，增加鋼纖維約390 t。

4)噴鋼纖維混凝土施工工期比掛網(wǎng)噴混凝土提前3個月完成，節(jié)省人工、機(jī)械設(shè)備使用和管理成本。

經(jīng)詳細(xì)分析計(jì)算，掛網(wǎng)噴混凝土方案引水隧洞投資約1.13億元;未考慮人工和管理成本節(jié)約的情況下，噴鋼纖維混凝土方案投資約1.04億元，節(jié)省投資約943萬元，約節(jié)省8.56%。本工程總投資為4.35億元，施工工期提前3個月完成，節(jié)省建設(shè)期利息約382萬元，節(jié)省工程直接管理成本約120萬元。合計(jì)節(jié)省投資1445萬元，占引水隧洞投資的14.3%，占工程總投資的3.32%。

5 結(jié)語

地下洞室工程中掛鋼筋網(wǎng)噴混凝土是傳統(tǒng)的穩(wěn)定圍巖的支護(hù)方式，在工程施工中應(yīng)用較為廣泛;而目前，噴鋼纖維混凝土作為一種新的支護(hù)形式，滿足“新奧法”的設(shè)計(jì)理論——適時、適當(dāng)?shù)闹ёo(hù);具有更好的物理力學(xué)性能、質(zhì)量可靠，施工進(jìn)度快，節(jié)省投資和方便安全等優(yōu)點(diǎn)，隨著對鋼纖維混凝土材料物理力學(xué)性能認(rèn)識的逐步深入以及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的不斷積累，噴鋼纖維混凝土必將在土木、水利、水電工程中得到更為廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。