高性能喷射混凝土研制及其在隧道工程中应用研究

摘要

随着我国经济的高速发展，交通工程和地下工程的建设逐渐增多。隧道作为地下通道的工程建筑物，更是呈现出明显的增长趋势。喷射混凝土技术作为隧道初期支护的一种必须手段，对围岩稳定性控制起着重要的作用。由于一些隧道的大埋深、高应力、岩体结构复杂，地质构造活动强烈，造成了大量的喷射混凝土层存在开裂、渗水、脱落等现象，进而引起整个支护系统的失效，导致隧道大变形和塌方，造成人员伤亡，环境破坏严重，经济损失巨大。目前，喷射混凝土用液体速凝剂存在掺量大、稳定性差、适应性差的问题，严重影响喷射混凝土性能;且喷射混凝土层易开裂、支护强度低，难以保证隧道稳定。因此，开展高性能喷射混凝土材料研制，以及喷射混凝土与围岩作用机理的研究，可为隧道高效支护和安全施工提供重要的科学依据，具有重要的理论意义和工程应用价值。
　　本文以长岗隧道V级碎裂块体围岩为工程背景，对喷射混凝土的材料组成及其与围岩作用机理进行深入研究，开展了两种液体速凝剂材料的研发、高性能喷射混凝土的配制，并采用理论、数值分析和工程试验相结合的手段，考虑动荷载作用、喷射混凝土硬化、围岩超欠挖等因素，研究高性能喷射混凝土与围岩的相互作用关系。本文的主要研究内容如下:
　　(1)开展了液体速凝剂材料的研发，通过材料配比、沉淀量测定、工艺合成、水泥净浆凝结时间和水泥砂浆强度测定等试验，配制出两种新型液体速凝剂:低掺量钾盐液体速凝剂和无碱高效液体速凝剂，具有掺量低、促凝效果好、稳定性强、与水泥适应性强的特点，并通过XRD和扫描电镜SEM图谱分析，得到了两种液体速凝剂的促凝机理。
　　(2)基于塑钢纤维混凝土增强机理，通过力学试验，分析了不同掺量和不同长径比的塑钢纤维对混凝土力学性能的影响，并得到了塑钢纤维的最佳掺量和长径比;通过硅灰、粉煤灰与两种液体速凝剂单掺试验和正交试验，分析了硅灰、粉煤灰对掺有液体速凝剂的水泥凝结时间和砂浆强度的影响规律，得到了各因素影响主次顺序和最优掺量组合。结合喷射混凝土配合比设计原理，最终研制出高性能喷射混凝土，并进行了力学试验和耐久性试验。
　　(3)基于块体理论，并考虑动荷载的作用，建立了关键块体的滑动模式;考虑围岩超欠挖，对超欠挖和支护形态进行简化并建立了力学模型，得到了等效喷层厚度。基于收敛约束原理，得到了考虑喷射混凝土硬化和超欠挖的围岩-支护特征曲线，并分析了高性能喷射混凝土与围岩的相互作用关系。
　　(4)采用UDEC和3DEC离散元数值软件，分析了块体围岩在动、静荷载作用下的破坏形式;研究了普通喷射混凝土和高性能喷射混凝土对围岩的支护作用;以及考虑喷射混凝土硬化、不同围岩超欠挖形态和不同喷层厚度的围岩-支护相互作用关系。
　　(5)采用本文研发的两种液体速凝剂及配制的高性能喷射混凝土，配套湿喷工艺进行现场试验，并结合现场监测数据，通过与普通喷射混凝土进行对比分析，验证了本文研制的液体速凝剂和高性能喷射混凝土能有效降低施工中回弹、粉尘、提高支护强度、控制围岩变形。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 速凝剂研究现状

1．2．2 高性能喷射混凝土研究现状

1．2．3 喷射混凝土与围岩相互作用机理研究现状

1．3 主要研究内容

1．4 研究思路

1．5 创新点

第二章 低掺量高效液体速凝剂研发与性能试验研究

2．1 引言

2．2 原材料与实验方法

2．2．1 原材料

2．2．2 实验方法

2．2．3 试验仪器与设备

2．3 低掺量钾盐液体速凝剂的研发

2．3．1 理论基础

2．3．2 母液的合成试验结果及分析

2．3．3 母液的复配试验结果及分析

2．3．4 低掺量钾盐液体速凝剂的性能试验研究

2．3．5 低掺量钾盐液体速凝剂促凝机理分析

2．4 无碱高效液体速凝剂的研发

2．4．1 理论基础

2．4．2 合成试验结果及分析

2．4．3 促凝机理分析

2．5 本章小结

第三章 高性能喷射混凝土试验研究

3．1 引言

3．2 塑钢纤维混凝土增强机理

3．2．1 复合材料理论

3．2．2 纤维间距理论

3．3 塑钢纤维混凝土力学性能试验

3．3．1 试验材料

3．3．2 试验设计

3．3．3 试验过程

3．3．4 试验结果及分析

3．4 硅灰和粉煤灰对混凝土性能影响研究

3．4．1 原材料

3．4．2 试验方法

3．4．3 单掺硅灰粉煤灰试验结果及分析

3．4．4 正交试验结果及分析

3．5 高性能喷射混凝土的配比及试验研究

3．5．1 配合比设计

3．5．2 高性能喷射混凝土试验研究

3．6 本章小结

第四章 高性能喷射混凝土与围岩相互作用机理研究

4．1 引言

4．2 基于块体理论的围岩稳定性分析

4．2．1 块体分类与可动判别

4．2．2 块体可动性的矢量运算方法

4．2．3 块体运动模式及其受力

4．2．4 动荷载的作用

4．3 考虑超欠挖的围岩稳定性分析

4．3．1 超欠挖及喷层表面形态

4．3．2 等效力学效应

4．4 基于收敛-约束原理的围岩与支护相互作用分析

4．4．1 隧道围岩特征曲线

4．4．2 隧道支护特征曲线

4．4．3 考虑喷射混凝土强度硬化

4．4．4 基于收敛约束原理的围岩-支护特征曲线

4．5 本章小结

第五章 高性能喷射混凝土与围岩相互作用数值模拟分析

5．1 引言

5．2 数值模拟方案设计

5．2．1 计算参数

5．2．2 边界条件

5．2．3 模拟过程

5．3 喷射混凝土对块体围岩支护作用数值分析

5．3．1 静动荷载下无支护计算结果及分析

5．3．2 动荷载下喷射混凝土支护计算结果及分析

5．3．3 是否考虑喷层硬化支护作用分析

5．4 喷射混凝土对超欠挖围岩支护作用数值分析

5．4．1 不同超欠挖形态

5．4．2 不同喷射混凝土层厚度

5．5 本章小结

第六章 工程应用

6．1 引言

6．2 工程背景

6．3 高性能喷射混凝土现场试验

6．3．1 回弹量和粉尘量的测定

6．3．2 喷射混凝土强度测定

6．4 现场监控量测

6．5 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

致谢

在读期间取得的科研成果

在读期间参与的科研项目