研究背景和立项依据

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1、（一）立项依据与研究内容1项目的立项依据（研究意义、国内外研究现状及发展动态分析， 需结合科学研究发展趋势来论述科学意义；或结合国民经济和社会发 展中迫切需要解决的关键问题来论述其应用前景。附主要参考文献） 1.1研究意义因为喷射混凝土在力学与工艺方面具有一系列现浇混凝土不能比拟的特点 和优点，使得它广泛应用于地下工程的支护衬砌和岩土工程的护壁等。一方面， 随着隧道施工技术的不断进步，隧道建设逐渐向长大深埋方向发展。深埋长隧道 由于其埋深大，穿越的不同地质单元多，因而除了具有一般浅埋隧道的工程地质 问题外，还有一系列特殊的比浅埋隧道更为严重的地质灾害问题，其中较为突出 的就是高温地热问题。通常

2、，当地温超过30C时，便称为高地温，隧道工程中 若发生高地温问题，一方面将恶化作业环境，降低劳动生产率，并严重威胁到施 工人员的生命安全；另一方面将影响到施工材料的选取和混凝土的耐久性，而且 由于产生的附加温度应力还将引起衬砌开裂，严重影响隧道的稳定性。另外，随 着矿井开采深度的增加，地温随之升高，加上其他热源的放热作用，使得受到高 温热害威胁的矿井日益增多。在高温矿井下作业，不但劳动生产率会下降，损害 工人身体健康，而且严重威胁井下安全，并易引发灾害和事故。同样，对于其他 地下工程或岩土工程也存在相似的热害问题。喷混凝土在湿热环境条件下施工工艺参数和物理力学指标与常温状态下不 同，因此，高地

3、热及高温水（汽）作用可能导致喷射混凝土回弹量增大，后期强 度大幅下降等问题。而喷射混凝土作为直接与基层（岩石、混凝土）粘接起支护 的结构，其性能和效果直接反映的是本身所发挥的支护作用，而间接上还会影响 到防水、隔热以及衬砌混凝土的性能和耐久性问题。所以，喷射混凝土的热害问 题势待研究。为了剖析高地温对喷射混凝土的影响机理并找出有效的防治措施， 需要从微观机理和宏观性能两方面进行研究。1.2研究现状及分析由于在土木工程建筑领域内喷射混凝土用于矿山井巷与地下工程的支护衬 砌、建筑结构的补强加固等均显示出其独特的功能和显著的效益，国内外学者对 喷射混凝土技术做了一定的相关研究。针对热害问题的研究，矿

4、井热害方面，主 要在通过外部措施进行降温防治方面做了相关研究；对于高温隧道高地温难题， 国内外针对性的研究更少，而且也仅是从降温措施方面做了一些探索。对于直接 与基层（岩石、混凝土）粘接的喷射混凝土，还未有文献对其高温情况下的微观 机理和宏观性能做实质性的研究。（1）喷射混凝土研究与进展喷射混凝土是由喷射水泥砂浆发展起来的。1914年美国在矿山和土木建筑 工程中首先使用了喷射水泥砂浆。1942年瑞士阿利瓦（Aliva）公司研制成转子 式混凝土喷射机，能喷射含最大粒径25mm骨料的混凝土； 1947年德国BSM公司 研制成双罐式混凝土喷射机。1948年至1953年间兴建的奥地利卡普隆水力发电 站

5、的米尔隧洞最早使用了喷射混凝土支护。以后，瑞士、德国、法国、瑞典、美 国、英国、加拿大、日本等国相继在土木建筑工程中采用了喷射混凝土技术。我国冶金、水电部门于60年代初期，即着手研究混凝土喷射机械及喷射混 凝土技术，随后几年，取得了一定的成果，为我国早期喷射混凝土技术的开发奠 定了基础14。20世纪70年代以后，国内外加强了喷射混凝土技术的研发工作，技术上取 得了许多突破。这一期间，国际间对喷射混凝土的学术交流也异常活跃59。同 时，关于喷射混凝土技术标准化建设工作，许多国家都很重视。美国混凝土学会 于19966年首先制定了喷射混凝土施工规范（ACI506-66），1977年制定了喷 射混凝土

6、的材料、配比与施工规定（ACI506-77）。相继奥地利、德国、芬兰也 颁发了相关规范。自1976年以后，我国冶金、煤炭、铁道、水电、军工等部门 相继制定了有关喷射混凝土锚杆支护的标准。近十多年来，国内外喷射混凝土技术的新进展主要表现在mu： 新型外加 剂、外掺料的开发应用，显著改善了喷射混凝土的性能。国内研制与应用的无碱 粉状或液体速凝剂近年来已有较快的发展，美国也研制了新型非碱性速凝剂，这 样可以使得喷施混凝土后期强度损失减小，同时还可大大减少回弹。喷射混凝土 中掺入微粒尺寸仅为水泥颗粒1/60的硅粉是其最新成就之一，它的好处是可以 减少回弹，增加强度，降低渗透性和显著增强粘接效应而增加一

7、层喷层厚度。 喷射纤维混凝土的研究与应用成效显著。在混合料中掺加纤维，能显著改善喷射 混凝土性能，因而近年来发展迅速，应用量也在不断增加。湿拌法喷射混凝土 技术有新的提升和发展。日本每年平均生产喷射混凝土 100万200万m3，其中 湿拌法占65%。加拿大已形成湿拌、掺硅粉和钢纤维的一整套高性能喷射混凝土 施工方法，在多种场合的工程中已得到广泛使用。我国中铁西南研究院对湿拌、 掺硅粉、钢纤维和高效减水剂的高性能喷射混凝土开展了研究并取得良好成效。 另外，在应用领域方面也有所扩大。（2）热害问题的探索与研究因高温地热问题而产生一系列有关隧道施工、运营维护、洞内设备防护等问 题，而所有的这些有关高

8、地温难题在以往国内的铁路和公路隧道建设中均很少遇 到，国内外相关文献也鲜有报导。通过大量的资料调研、收集，对国内外存在热 害问题的隧道的研究情况进行了总结 1218。法国贝勒多纳隧道长18.13km，最大埋深2000m，两端掘进，岩层温度达35C， 除正常通风外，还在高温地带设置空调器以保证开挖顺利进行。瑞士圣哥达隧道地温达到55.4C，除了采用通风、冷却等施工措施外，比 较有特点的技术措施就是做不同配比的喷混凝土，通过采用适当的配合比（如采 用掺有硅粉的波特兰水泥），减少了高温引起的强度损失，并能达到较高强度。 观察强度变化曲线，可见对拌合料进行预处理和后处理时曲线比较平缓，若拌合 料不作处

9、理，7天后则曲线出现弯折。总的说来，为了获得高质量的喷混凝土， 技术人员非常重视拌合料的预处理和后处理（如暂时冷却和保持湿度）以及保持 低水灰比。日本安房公路隧道长4350m，隧道周围的地质为古生代二叠纪一中生代侏罗 纪的页岩、砂岩、燧石、石灰岩等沉积岩类，并广泛覆盖着新生代第四纪的火山 喷出物、冲积扇沉积物、岩堆等，有最高温度为73C的热水涌出，成为“热水 带”，工程技术人员对“热水带”采用了注浆进行热水截留，并研究了注浆材料 的耐久性及如何确保作业环境，另采用了大型通风设备和辅助施工法，研究认为， 灌注材料中LW（水玻璃水泥系药液）效果最好。为了进一步提高截水效果，LW和 硅溶胶混合灌注。

10、并且，从耐久性来看，水泥浆系的灌注材料比其他的材料效果 好，所以LW的耐久性也能充分发挥截水及改良围岩的作用,此外，水泥中添加了 高炉矿渣。在高温温泉水地带的二次混凝土衬砌施工中，为了提高耐久性，用了 普通水泥、高护矿渣水泥（混合粉碎和分离粉碎）、中热水泥、中热水泥+粉煤灰 水泥等5个种类，用温泉水和自来水进行养护，研究结果是，高炉矿渣水泥（分 离粉碎）几乎不受侵蚀，对温泉水的耐久性明显优越。另外，在防水板和混凝土 衬砌之间设置了隔热材料，因此隔断了从岩体传播来的热量，使混凝土内的温度 应力降低。我国在以往的铁路隧道建设中，由于其埋深都较浅，隧道内原始岩温不是很 高，未遇到过大的热害，因此对于

11、这方面的研究还没有开展起来。秦岭隧道位于 陕西省长安县与柞水县交界处，最大埋深1645m，最大埋深处原始岩温达到40C 以上，加之掌子面的机械散热和爆破时炸药散热，掌子面出现一定的热害，因此 对掌子面施工通风时的温度进行预测，并据此对掌子面采取相应的降温措施。近年来，随着国内西部铁路建设的飞速发展，隧道内也遇到了高温地热水问 题，玉蒙铁路旧寨隧道就遇到了高温地热水问题。旧寨隧道位于云南省滇南地区 蒙自境内，全长4460 m,最大埋深约150 m。2007年6月施工时,洞内温度逐渐 升高，开始掌子面气温43C,当时隧道内未发现有地下热水渗流，仅有季节性的 地下水流出，最初认为是洞内通风效果不佳。

12、随着开挖的进行，洞内气温基本维持 在40C左右，拱顶、边墙、隧底多处出水点，地下水均为热水，水温3747C。黑白水三级电站的引水隧道在施工中遭遇高温高压热水的影响。施工全面进 入高温高压热水区及其影响带后，洞内热水温度高达 57C，洞内气温上升至 43C，通过在工作面加大通风设备功率，降低了洞内气温（降至36-38C），改善 了施工环境。但是随着施工的深入，洞内的热水温度达60C，通风机在不间断 运行的条件下，掌子面气温达43C，洞内人员无法正常作业，施工缓慢。最后 采取加强排水，加强通风，增加冷水掺入量、局部冷水喷雾等综合办法攻克难关， 洞内工作面气温由原来的40C以上降到了 3538C，施

13、工得以进行。隧道贯通后 条件进一步改善。大瑞线高黎贡山隧道位于印度板块与欧亚板块相碰撞的板块缝合线地带，为 青、藏、滇、缅巨形“歹”字型构造西支中段弧形构造带，其西北为腾冲地块， 地热资源异常丰富，故高黎贡山隧道是到目前为止可能遇到热害最为严重的，不 论是地温的绝对温度，还是隧道通过高温段的长度，在国内外的隧道建设史上都 是前所未有的。因此也需针对隧道热害处理开展相关课题研究。从调研资料来看，目前工程界已开始重视地热对隧道施工和工程质量的影 响，但总的来说还没有针对性强和很有效的技术措施。从结构和构造设计、施工 措施以及应用材料上能够参阅的资料很少，石油部门在堵水上应用了一些耐高温 的材料，如

14、丙烯酰胺型耐高温水堵水剂、聚氨酯型耐热堵水材料和适用于高温高 盐大孔道地层堵水剂。工业建筑上应用的隔热材料所要求的高温条件高，因此选 择性能优良的隔热材料相对容易，如苯乙烯泡沫、玻璃棉、硬质聚氨酯以及矿渣 棉等，但非常关键的是如何保持隔热材料的干燥，如果不能保证隔热材料的干燥， 隔热效果将大打折扣，甚至于完全丧失。公路工程中应用了较多的耐高温防水板 材，但其功能主要是短期耐高温，如何做到持续耐高温，需要做改性研究。混凝 土耐高温问题有较多的研究，但也是存在持续耐高温的性能研究很少。随着矿井开采深度的增加，热害问题也越来越严重，因此国内外针对矿井的 热害问题也做了大量相关的研究190。但是主要集

15、中在分析矿井热害的成因，研 究选择高温矿井的降温措施，如非制冷降温、人工制冷水降温、制冰降温、压气 节流降温技术、空气压缩制冷降温技术、分离式热管降温和采取个体防护等不同 措施。总的来说，无论是热害隧道还是热害矿井，对于喷射混凝土存在的热害问题 是相通的。目前的研究主要局限在通过外部措施或临时措施改善当时的热害问 题，而并未进行机理性的探索及对长期高温下材料热害性能的研究。主要参考文献1 程良奎，喷射混凝土的材料组成与主要性能.工业建筑，1986 (2)：2 程良奎，喷射混凝土的最新发展与施工工艺.工业建筑，1986 (1)：3 程良奎，喷射混凝土及其在地下工程中的应用.地下工程，1984 (

16、8)：4 程良奎，喷射混凝土及其在地下工程中的应用.地下工程，1984 (8)：5 Waller, E.sprayed Concrete in repair and strengthening work, “proceeding of the symposium on sprayed concrete held in London on 15th April 1980.6 Long.W B.Construction using sprayed concrete, “ proceeding of the symposium on sprayed concrete held in London on 15th April 1980.7 HAHN.T.Adhesion of shotcrete to various types of rock surfaces, “proceedings o