高原地下工程富水段高強高滲材料排水新通道研究

李江華（中鐵十四局集團第一工程發(fā)展有限公司，山東日照276800）

西藏高原地下工程建設(shè)，是鞏固邊防、反恐維穩(wěn)和推動西藏經(jīng)濟發(fā)展的重大保障。西藏高原地質(zhì)極為復(fù)雜，地下工程建設(shè)具有高海拔高差、高地震烈度、高地應(yīng)力、高水壓、高地溫、斷裂帶活躍、凍土與凍害破壞活躍等惡劣地質(zhì)問題。在多重復(fù)合作用下，西藏高原地下工程富水地段存在突水突泥災(zāi)害、大水量排水和排水通道抗凍等綜合難題，完整、有效的防排水體系是西藏高原地下工程設(shè)計和施工的關(guān)鍵。我國高原區(qū)和寒冷地區(qū)的隧道中，大部分未能有效解決排水和凍害問題，施工極為艱難，成本很高，影響工程的正常使用直至廢棄。因此，本文結(jié)合具體高原地下工程富水段排水問題，對影響排水通道長期有效性的問題開展分析，提出針對性的解決方法，可為高原地下工程規(guī)劃、選線、設(shè)計和科研提供科學(xué)依據(jù)，對保障高原地下工程安全施工和安全運營具有十分重要的意義。

1 高原地下工程高強高滲材料排水新技術(shù)

高原高海拔隧道富水段地下水排放不暢，凍融圈往復(fù)凍脹力作用下，襯砌嚴(yán)重開裂，甚至破損，需要尋求一種新型材料，使其既能通暢地排除洞庫周邊地下水，也能提高洞庫的自身強度，實現(xiàn)洞庫襯砌和圍巖的有效過渡，充分發(fā)揮其減震層的作用，提高洞庫的抗震性能。根據(jù)高原地下工程建設(shè)需要，提出采用一種高滲高強混凝土材料作為高原地下工程初襯與二襯之間的過渡層，充分發(fā)揮高滲高強混凝土材料的高滲透、高強度及多孔保溫等特性，實現(xiàn)排水、增強、保溫等多種功能。

采用高強高滲材料排水新技術(shù)的高原地下工程結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中從外到里分別為：初襯、高強高滲材料層、二襯，中間的高強高滲材料層能夠排出大量地下水，增強地下工程抗震穩(wěn)定性，保持地下工程合理溫度。

圖1 高原地下工程高強高滲材料排水新技術(shù)示意圖

2 高強高滲材料的研制

2.1 原材料選擇

2.1.1 骨料選擇

高強高滲材料骨料應(yīng)選用潔凈、質(zhì)地堅硬、表面粗糙的碎石。由于高強高滲材料水泥用量的限制，骨料之間的粘結(jié)強度是需要重點關(guān)注的指標(biāo)參量，選材時應(yīng)盡量減少骨料中的有機質(zhì)等有害雜質(zhì)，其含泥量及針片狀含量應(yīng)滿足表1要求。骨料之間的接觸方式為點接觸，需強調(diào)使用過程中骨料的完整性，其壓碎值應(yīng)該滿足相關(guān)要求，見表1。

表1 高滲高強混凝土粗骨料技術(shù)要求

根據(jù)骨料級配選取原理可知，當(dāng)骨料粒徑為同樣大小的情況下，即均勻系數(shù)為1時，混凝土的孔隙最大，然而實際工程中想要達到粒徑均勻一致是很難實現(xiàn)的，所以考慮采用有效粒徑來表征粒徑大小。根據(jù)試驗結(jié)果，擬采用改進孔徑的篩分試驗篩選試驗所需粗骨料。粗骨料在振實或搗實狀態(tài)下的骨架間隙率為：

式中VCADRC-振實或搗實狀態(tài)下粗骨料的骨架間隙率，%；

ρb-粗骨料的毛體積密度，kg/m3；

ρ-按振動密實或插搗密實測定的粗骨料的毛體積密度，kg/m3。

由于高滲高強混凝土主要由等粒徑的粗骨料、水泥漿及聚合物拌制而成，所以該高滲高強混凝土的孔隙率與水泥漿及聚合物所占體積關(guān)系密切，但是骨架的間隙率主要決定了高滲高強混凝土成型以后的孔隙率。

此外，骨料的最大粒徑應(yīng)滿足相應(yīng)的要求，本研究選取四種等粒徑d=10mm，15mm，20mm，25mm，骨料外形如圖2所示。

圖2 篩選等粒徑骨料（d=25mm）

2.1.2 水泥

工程中常用的水泥有普通硅酸鹽水泥、硅酸鹽水泥、火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥和粉煤灰硅酸鹽水泥等。隨著高寒高海拔區(qū)域地下工程的發(fā)展，對水泥品質(zhì)的要求不斷提高。綜合考慮高滲高強混凝土的力學(xué)特征，擬采用42.5級普通硅酸鹽水泥，當(dāng)強度要求更高時，可相應(yīng)選用更高等級的水泥材料。

2.1.3 外加劑

高效減水劑可提高高滲高強混凝土的和易性，滿足攪拌粘滯性的要求，同時提高高強高滲材料的早期強度。

本文選用萘系高效減水劑，其以工業(yè)萘為原料，經(jīng)磺化縮合反應(yīng)而制成的萘磺酸鹽甲醛縮合物。該減水劑對水泥的適應(yīng)性較好，有較強的分散作用，不緩凝、低引氣、減水率高、保塑早強增強，可大幅度提高新拌混凝土的和易性，增大坍落度，減小水灰比，增加混凝土的密實性，能適應(yīng)各種條件下混凝土的施工，確保混凝土的各項性能。

考慮高原地下工程的地震破壞的主要形式為剪力破壞與拉力破壞，故在選擇聚合物時需考慮材料的抗剪或抗拉強度。添加聚合物對混凝土進行改性，提高材料的抗拉強度。綜合比選現(xiàn)行使用的聚合物為聚丙烯酸酯（PAE-2型），其相應(yīng)的試驗對比參數(shù)見表2。

表2 不同類型聚合物材料對混凝土的強度影響

2.2 高強高滲混凝土結(jié)構(gòu)組成

高強高滲混凝土材料在一定范圍內(nèi)的骨料粒徑越小，孔隙率就越小；骨料表面裹覆泥漿層厚度越厚，則孔隙率越小。所以，在配制高強高滲混凝土材料時，需要根據(jù)工程需要綜合考慮骨料粒徑與泥漿層厚度兩個因素對孔隙結(jié)構(gòu)的影響，選擇最優(yōu)方案。同時，由于泥漿層厚度大小與其水灰比及施工工藝密切相關(guān)，若水灰比偏大，則水泥漿拌合物的稠度較小，裹覆骨料表面的水泥漿厚度就越小，其水化后內(nèi)部空隙越大。若水灰比小于一定值，泥漿稠度偏小，導(dǎo)致泥漿隨骨料表面向下流動，形成水泥石后，堵塞將來所需要向下排水的通道，從而喪失高滲透性的優(yōu)勢，如圖3所示。

圖3 泥漿發(fā)生離析與未發(fā)生離析對比圖

因此，根據(jù)高滲高強混凝土的孔隙形成要素分析，進行該材料的配制，重點控制粗骨料的粒徑大小、水灰比以及灰集比等，尋求滿足最佳排水條件的配合比方案。

2.3 配合比設(shè)計

在配合比試驗設(shè)計時，由于考慮影響高強高滲混凝土強度及滲透性的影響因素較多，對3個因素分析時，每個因素取4個水平，所有試驗需要進行次，當(dāng)因素和水平繼續(xù)增加時，試驗次數(shù)將會成倍增加。但是由于條件限制，無法完成所有的試驗過程，其實也是完全沒有必要的。所以，為了較為全面地反映各因素在不同水平下，對高滲高強混凝土強度及滲透性的影響，采取正交試驗的方法進行。

由于影響高滲高強混凝土的強度及滲透性的因素較多，這里主要研究水泥用量、水灰比、聚灰比及骨料粒徑四個因素，且各因素根據(jù)實踐經(jīng)驗取四個參數(shù)，得到高強高滲混凝土配合比試驗正交設(shè)計因素水平表，見表3。

表3 高強高滲混凝土配合比試驗正交設(shè)計因素水平表

根據(jù)正交設(shè)計因素水平表安排試驗，得到高強高滲混凝土配合比試驗正交設(shè)計水平表，見表4。

表4 高強高滲混凝土配合比試驗正交設(shè)計水平表

根據(jù)上述配合比，配置符合試驗要求的試件并澆筑成型，并進行分組，每個編號制作6個標(biāo)準(zhǔn)試塊，混凝土試件澆筑后采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護，齡期為28d。

3 材料性能

3.1 高強高滲材料的滲透性-孔隙率指標(biāo)分析

根據(jù)正交試驗安排，測得各因素水平下高滲高強混凝土的有效孔隙率和全孔隙率指標(biāo)值，見表5。

表5 高滲高強混凝土各水平下的有效孔隙率與全孔隙率指標(biāo)

對于高滲高強混凝土的有效孔隙率指標(biāo)，各因素對其影響的變化規(guī)律為：粗骨料的粒徑越大，則有效孔隙率越大；聚灰比越大，則有效孔隙率越大；隨著水灰比的增大，有效孔隙率隨之增大；灰集比由大變小，有效孔隙率先增后減。所以對有效孔隙率而言，根據(jù)極差分析結(jié)果知：

根據(jù)有效孔隙率變化規(guī)律來看，大孔隙選擇的最優(yōu)組合為A4B4C4D3。

3.2 材料的強度指標(biāo)分析-標(biāo)準(zhǔn)試驗抗壓強度指標(biāo)分析

根據(jù)正交試驗方案進行的強度試驗結(jié)果計算，主要考察28d抗壓強度和抗劈裂強度兩項指標(biāo)值。所考慮的16組試件中28d抗壓強度指標(biāo)最大值可以達到15.61MPa，相當(dāng)于C15等級的混凝土，但是抗劈裂強度卻高于同等級的混凝土的抗拉強度，證明在高滲高強混凝土中添加了聚丙烯酸酯進行改性后，效果比較顯著，能夠達到初期提出的增加材料的抗剪切和抗拉能力。

同理，根據(jù)高強高滲混凝土考察的28d抗壓強度試驗指標(biāo)進行極差分析，各因素對其影響的變化規(guī)律為：粗骨料的粒徑越大，則抗壓強度越小；聚灰比越大，則抗壓強度越大；隨著水灰比的由小變大，抗壓強度則先變大后減小；灰集比越小，強度也隨之變小。極差分析結(jié)果知：

根據(jù)28d強度變化規(guī)律來看，高強度選擇的最優(yōu)組合為A1B4C2D1，且對強度影響最為顯著的因素為粒徑的大小。

顯然高強高滲材料的強度與滲透性的材料配比要求是不同的,應(yīng)該在確保強度的前提下，盡量提高材料的滲透性能。

圖4 各因素變化對有效孔隙率指標(biāo)的影響

根據(jù)工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)GB/T50218-2014,高強高滲材料是人工嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)填筑的，從巖體完整程度來看，可以定義其巖體完整性指數(shù)Kv=1，但巖體完整性指數(shù)有一個巖石堅硬程度的限制：

也就是只有時的高強高滲材料巖體完整性指數(shù)Kv可取1，此時巖體基本質(zhì)量指標(biāo)：

根據(jù)基本巖體質(zhì)量分級為III級，從地下工程安全與抗震要求來說，低于這個標(biāo)準(zhǔn)是不合理的。最終建議高寒高海拔強震威脅區(qū)域的高強高滲材料配比采用A1B4C2D1，此時單軸抗壓強度為15.61MPa，有效孔隙率為28.53。

圖5 高滲高強混凝土實物切片圖（骨料粒徑=10mm）

4 工程應(yīng)用

4.1 工程概況

某地下工程位于西藏中部，雅魯藏布江中游河谷地帶，受歷次大地構(gòu)造運動的作用以及雅魯藏布江一級支流拉薩河，及其支流堆龍曲等水系切割的影響，區(qū)內(nèi)形成了梁谷相間的地形特征，地勢總體呈現(xiàn)南高北低、梁高谷深的特點，屬岡底斯山脈東延部分的藏南高山寬谷地貌單元，總體為高山挾持溝谷扇形的地貌形態(tài)。其中，高山呈條帶狀分布于溝谷兩側(cè)，海拔多在4000m～4300m。

地下工程涉及的地層巖性主要有：第四系全新統(tǒng)坡積角礫、碎石、強風(fēng)化板巖、中風(fēng)化板巖、微風(fēng)化板巖、石英砂巖。

4.2 富水段地下工程排水新通道應(yīng)用

工程范圍內(nèi)地表水為一級常年性溪流，位于區(qū)域內(nèi)溝谷中，為主要水體，徑流長度約13km，平均縱坡降8.6‰，為典型的山區(qū)支流。地表徑流主要受大氣降水和冰雪融水的補給，多形成于6～9月，少數(shù)為5～10月，具有顯著的暴漲暴落特點，冬季水量約0.15m3/s，汛期水量達5m3/s。

工程場區(qū)地下水的賦存條件與分布規(guī)律嚴(yán)格受地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造和氣象水文等因素的綜合控制，按含水介質(zhì)和水力性質(zhì)可分為：第一類第四系松散巖類孔隙水、第二類第四系松散巖類孔隙水、基巖裂隙水。山體中、上部山梁較平緩，分布面積較大，風(fēng)化裂隙與構(gòu)造裂隙較發(fā)育，補給條件較好，是基巖裂隙水的主要補給區(qū)域。

在地下工程進口約120m處，發(fā)現(xiàn)大量地下水涌出，涌水量為321m3/d，因為這是在1月，正值枯水季節(jié)。這應(yīng)該是揭露了和分布面積較大的上部平緩山梁連通的基巖裂隙水，構(gòu)造裂隙較發(fā)育，補給條件較好，使涌水量大大超出預(yù)計值。根據(jù)地面降雨量補給水平計算，冬季旱季降雨量只有夏天雨季的1%，該位置夏天最大涌水量可達30000m3/d以上。

該區(qū)域地下工程采用傳統(tǒng)的隧道防排水設(shè)計，如圖6所示，即便加上適當(dāng)?shù)亩滤彩遣粔虻模瑸榇瞬捎酶邚姼邼B材料排水新通道，在初支與防水層之間加一層高強高滲排水層，使其既能通暢地排除洞庫周邊地下水，也能提高洞庫的自身強度，使洞庫襯砌和圍巖可以有效過渡，充分發(fā)揮其減震層的作用，提高洞庫的抗震性能，充分發(fā)揮高滲高強混凝土材料的高滲透、高強度及多孔保溫等特性，實現(xiàn)排水、增強、保溫等多種功能。

圖6 傳統(tǒng)防排水系統(tǒng)

5 結(jié)語

提出采用一種高滲高強混凝土材料作為高原地下工程初襯與二襯之間的過渡層，充分發(fā)揮高滲高強混凝土材料的高滲透、高強度及多孔保溫等特性，實現(xiàn)排水、增強、保溫等多種功能，解決高原地下工程富水段排水通道的長期有效性問題。給出了高強高滲材料骨料、水泥、外加劑的選擇要求與標(biāo)準(zhǔn)，采用正交試驗設(shè)計，通過試驗，綜合考慮高強高滲混凝土強度及滲透性，最終確定了高寒高海拔強震威脅區(qū)域的高強高滲材料的合理配比。