微硅粉在萬軍迴鐵路隧道施工中的應用

2  國內(nèi)外微硅粉的使用情況 

從二十世紀八十年代至今，在歐美噴射砼的75%為微硅粉噴射砼，北歐國家挪威、 瑞典的噴射砼則100%摻添微硅粉。大量資料顯示，微硅粉被廣泛用在高層建筑、預制構件、公路路面、橋梁及隧道中的噴射砼等，而絕大部分均為高強砼(80MPa—130Mpa)。 近年來，國內(nèi)應用比較成功的是山西萬家寨引黃工程及廣東汕頭LPG碼頭地下儲氣洞室。表1是國內(nèi)外隧道施工的部分典型實例。

3  微硅粉的物理特性及化學成份 

微硅粉是熔爐氣煙中過濾出來的，含有大量細小的非晶體二氧化硅（SiO2）的顆粒。它是硅鐵或金屬硅生產(chǎn)過程中由電弧爐中的高純石英、焦炭和木屑還原產(chǎn)生的副產(chǎn)品。表2可充分說明其物理特性及化學成份。

從表2中細度一項可以看出，微硅粉細度均比其它三種物質小20-50倍，約為水泥的1/50。挪威�？希‥IKem）硅粉顆粒的平均粒徑為0.15微米，比普通水泥粒徑小100倍，對水泥而言具有良好的充填效應。而微硅粉中大量的高活性的SiO2與水泥溶液中的Ca(OH)2結合，生成水化硅酸鈣(C-S-H)，使砼具有較高的強度與耐久性,并同時增加砼粘性,從而降低其回彈量。 

4  萬軍迴鐵路雙線隧道的應用 

4．1 工程概況 

萬軍迴隧道是新建西安南京鐵路西安南陽段的一座雙線鐵路隧道，位于陜西省藍田縣境內(nèi)，屬秦嶺中山區(qū)，隧道全長750米。該隧道地層結構單一，主要由片麻巖夾片巖構成，無不良地質影響。隧道地下水主要為基巖裂隙水，水量較小，水質較好且對砼無侵蝕性。全隧除進口145米、出口35米為Ⅲ類圍巖洞口加強段（施工支護加二次模筑襯砌）外，其余均為Ⅳ類圍巖鋼纖維噴砼作永久支護，共計長度570米，噴射量為2800 立方米。 

我國采用鋼纖維噴砼作永久襯砌的鐵路隧道，是從西康線發(fā)展而來，當時設計采用的3座隧道（秦嶺隧道部分地段、椅子山隧道及高碥溝隧道）尚屬首次試驗階段，從試驗到實際應用，均未見有摻添硅粉的記載。由于國內(nèi)至今仍未見有關鋼纖維噴射砼的規(guī)范和標準，西安南京鐵路設計所采用的鋼纖維噴射砼仍按試驗段考慮，采用國外標準。鋼纖維噴砼設計技術要求見表3

4.2  設計推薦參考配合比 

參照西康鐵路三座隧道的經(jīng)驗,設計給出了不摻硅粉時的參考配合比.表（4）

4.3  理論配合比確定 

參照設計參考配合比，結合現(xiàn)場情況，細骨料采用霸橋河砂（Ⅱ區(qū)），級配為1mm~5mm，細度模數(shù)為Mx=2.9。粗骨料分為0~10mm及0~15mm兩種，分別用于拱部和邊墻噴射砼。下表列出了幾組室內(nèi)試驗情況 (見表5)。 

從表中看出，不摻速凝劑時各齡期抗壓強度均大幅整體提高，而速凝劑摻量增加時，各齡期抗壓強度隨之減小。

4.4  現(xiàn)場試噴 

采用中鐵西南研究分院生產(chǎn)的TK961濕噴機，人工進料及噴射，不摻速凝劑時，水膠比0.47，微硅粉摻量38Kg/m3，鋼纖維摻量50 Kg/m3。通過測試，設計為15cm~20cm厚度的鋼纖維噴射砼，邊墻一次噴射完成，拱部因回彈量較大，可分二次完成。為減少拱部回彈量，增加一次噴射厚度，噴射拱部時摻2％的速凝劑可提高工作效率，并降低實際工程成本。經(jīng)現(xiàn)場大板取樣，通過試驗，各項指標均滿足設計要求（表7）。

4.5  現(xiàn)場實噴 

4.5.1  每立方米各項材料用量(表9)。 4.5.2  噴射順序根據(jù)隧道工序安排和拱部噴射回彈量 稍大的特點，鋼纖維噴射砼時將邊墻和拱部分開進行，這樣可收到滿意的效果。目前，萬軍回隧道已完成鋼纖維噴射砼永久支護約80米，效果非常明顯。

現(xiàn)場將原裝微硅粉拆裝為７.５Kg～ ８.０Kg的小袋，在投入骨料同時投入微硅粉并加入水泥干拌約１０秒再加水及外加劑．強制式拌合機攪拌時間控制在５～６分鐘。

５  成本比較 

摻添一定量的微硅粉對鋼纖維噴射砼起到增粘作用，從而降低回彈量和提高一次噴層厚度，提高了工作效率。另外，由于摻添微硅粉后減少甚致不用液態(tài)速凝劑，使得在噴射邊墻時這項昂貴（６０００元／t）的材料費用為零，大大降低了工程成本。通過計算，在同等條件下，摻微硅粉時噴射拱部每立方米鋼纖維砼比不摻時可減少材料費用44元；而在噴射邊墻時則可減少材料費用達８８元（表10所述）

６  結束語 

６.１  微硅粉在國內(nèi)作為一種較為新型的添加劑已經(jīng)得到推廣運用，雖然也多用于高強砼，但在挪威法（ＮＴＭ）設計施工的隧道工程也逐漸使用。筆者認為不局限于挪威法（ＮＴＭ）設計施工的隧道，而應廣泛用于普通噴射砼，尤其是初期支護，如不是地震多發(fā)帶或無爆破振動的軟弱圍巖隧道施工，均可少用或不用速凝劑而采用微硅粉取代之．這樣既能保證噴射砼的品質，又能降低工程成本。 

６.２  從大量的國外使用資料看，一般均使用機械手噴射作業(yè)，泵送形式的濕噴機較多，而摻添微硅粉后砼泵送性極強，因此，一次噴層厚度較大而回彈量卻很低（約４％－８％）．我們所采用的ＴＫ９６１型濕噴機則為稀薄流形式，人為控制因素較多，回彈量一次噴層厚度等遠不如機械手。 

６.３  養(yǎng)護對摻添微硅粉后的噴射砼致關重要，即便是隧道，也應區(qū)別于不摻微硅粉砼的隧道而進行養(yǎng)護。也就是說常規(guī)的洞內(nèi)自然養(yǎng)護難以達到噴射微硅粉砼齡期各項指標。在萬軍迴隧道試驗過程中，我們讓一組大板噴射砼試件在取樣后不作任何養(yǎng)護（設計２８天強度為３０MPa ），測得 ２３天抗壓強度為２１MPa，然后將這組試件進行三天標準養(yǎng)護后，測得其抗壓強為31.1MPa,２８天時測得其抗壓強度為３５.１MPa。因此，不及時進行養(yǎng)護的噴射砼極有可能抗壓強度等均達不到設計要求，并且養(yǎng)護期應在７天以上，這是施工中應特別注意的。 

６．４  微硅粉由于顆粒細小而引起揚塵較大，故廠商在生產(chǎn)時為便于運輸和考慮到施工需要，一般都作了特殊的增密處理，以減少損失和對環(huán)境的污染。因此，在拌合時為使增密后的微硅粉恢復原狀，均勻地分散在噴射砼中，攪拌時間應比普通噴射砼長１～２分鐘。