关于隧道工程喷射混凝土回弹量控制的实践与研究

关于隧道工程喷射混凝土回弹量控制的实践与研究赵金华大连地铁107标摘要：文章通过对大连地铁隧道工程喷射混凝土施工过程中的回弹量控制与研究，结合施工过程中出现的问题，对喷射混凝土回弹量的控制提出合理化建议。 随着国家基础建设投资力度的加大以及城市交通压力的不断增长，高速铁路与地铁工程建设呈现较大的增长趋势，因此隧道工程量也大大增加。据有关资料显示，我国已建成铁路隧道5300余座，总长度约4000Km；公路隧道1800余座，总长度约750Km，是世界上隧道工程最多的国家。目前隧道工程支护中普遍采用的是喷射混凝土支护，喷射混凝土具有支护及时、强度高、密实性强、操作简单、灵活性大等优点，特别是在软弱围岩地质条件下，配合钢拱架和系统锚杆作为联合支护，其优点更为明显。喷射混凝土的回弹量控制是喷射混凝土中较为重要的研究课题，一般隧道工程的利润主要来自开挖和初期支护的喷射混凝土。因此回弹量的控制不仅关系到喷射混凝土的支护质量，对工程的成本控制也有着重要作用。笔者通过调查研究得知，现在隧道工程中喷射混凝土回弹量普遍在30%以上，损失较大，通过技术改进和加强管理可将喷射混凝土的回弹量控制在20%左右。 一、隧道工程中应优先选用潮喷工艺 隧道工程喷射混凝土据工艺流程一般分为干喷、湿喷、潮喷和混合喷四种。主要区别是各工艺的投料顺序不同，特别是加水和速凝剂的时机不同。干喷是将骨料、水泥和速凝剂按一定比例干拌均匀，然后装入喷射机，用压缩空气使干集料在软管内呈悬浮状态压送到喷枪，再在喷嘴处与高压水混合，以较高速度喷射到岩面上。潮喷是将骨料预加少量水，使之呈潮湿状，再加水泥拌合，从而降低上料、拌合和喷射时的粉尘。湿喷是将骨料、水泥和水按一定比例拌和均匀，用湿式喷射机压送到喷头处，再在喷头上添加速凝剂后喷出。在上述几种喷射工艺种，湿喷法对喷射混凝土回弹率控制最好。但湿喷法对称量及湿拌的工艺要求较高，设备昂贵，而且速凝剂在喷射混凝土中分布不均匀，容易发生堵管故障，因此经综合考虑，潮喷法在隧道施工中较为适用，且能较好控制喷射混凝土回弹率。 二、喷射前有效的准备工作可降低喷射混凝土回弹量喷射混凝土前应对受喷岩面进行处理。一般岩面可用高压水冲洗受喷岩面的浮尘、岩屑，当岩面遇水容易潮解、泥化时，宜采用高压风吹净岩面。若为泥砂质岩面时，应挂设钢筋网（网格宜不大于20*20mm,线径宜小于3mm），用环向钢筋和锚钉或钢架固定，使其密贴受喷面，以提高喷射混凝土的附着力。喷射混凝土前，宜先喷一层水泥砂浆，待终凝后再喷射混凝土。隧道工程中一般将喷射工艺简化，没有对受喷面进行处理，将受喷面冲洗后可有效降低回弹量。 三、喷射混凝土时应分段分块进行 喷射混凝土应采用分段、分片、分层依次进行，喷射顺序应自下而上，分段不宜超过6m，分块大小不宜超过2m*2m，严格按照先墙后拱、自下而上的顺序进行喷射，以减少混凝土因重力而滑动或脱落，从而控制喷射混凝土的回弹量。（一）分段喷射混凝土施工时，上次喷的混凝土应预留斜面，斜面宽度为200-300mm，斜面上需用压力水冲洗润湿后再行喷射混凝土。（二）分片喷射要自下而上进行，并先喷钢架与壁面间混凝土，再喷两钢架之间混凝土。边墙喷混凝土应从墙脚开始向上喷射，从而降低喷射混凝土的回弹量。（三）分层喷射时，后一层喷射应在前一层混凝土终凝后进行，若终凝1h后再进行喷射时，应先用风水清洗喷层表面。边墙一次喷射混凝土厚度控制在7-10cm，拱部控制在5-6cm，并保持喷层厚度均匀。顶部喷射混凝土时，为避免产生堕落现象，两次间隔时间宜为2-4h，控制喷射混凝土的回弹量。 四、喷射速度、喷嘴与受喷面的距离、喷射角度的合理性直接影响回弹量喷射混凝土时，喷射速度要适当，以利于混凝土的压实，从而提高混凝土强度，减少回弹量。风压过大，喷射速度增大回弹增加；风压过小，喷射速度过小，压实力小，影响混凝土强度。因此在开机后要注意观察风压，其始风压达到0.5Mpa后，才能开始操作，并据喷嘴出料情况调整风压。一般工作风压：边墙0.3-0.5MPa，拱部0.4-0.65MPa。黄土隧道喷射混凝土时喷射机的压力一般不宜大于0.2MPa。喷射混凝土的水压一般控制在稍高于风压即可。施工现场可以按水压高于输料管风压10-15N/cm2 进行控制，其目的是为了保证高压水能够从喷枪混合室（喷头处）内壁小孔高速射出，把拌合料迅速拌和均匀，从而减少回弹量。喷射距离在0.6-1.2m时回弹量较小，喷射距离过大或过小都会增加回弹量。喷头长度一般只有0.5-0.6m。喷射手因担心骨料反弹，将喷射距离控制在0.6-1.2m较困难。因此在隧道工程喷射混凝土施工时可将喷头加长到1.2-1.5m，这样喷射手站在距离受喷岩面2.0m左右即可进行喷射，以达到最小回弹量。喷射混凝土时应尽量使喷嘴与受喷岩面垂直，并偏向刚喷射部位（倾斜角度控制在10°以内），若喷嘴与受喷面角度太小，会形成混凝土物料在受喷面上的滚动，产生凹凸不平的波形喷面，增加回弹量，影响喷射混凝土的质量。 五、喷射混凝土的原材料、配合比对喷射混凝土的影响尽管采取了各种减小喷射混凝土回弹量的措施，如果不能很好的控制喷射混凝土的原材料和配合比，则无论采取何种有效措施，喷射混凝土的质量和回弹量都无法有效控制。（一）喷射混凝土对所用水泥的基本要求是：掺入速凝剂后凝结快、保水性好，早期强度增长快，收缩小，此外还应考虑同速凝剂的相溶性。实践证明，喷射混凝土施工中应优化选用不低于32.5的硅酸盐或普通硅酸盐水泥，这两种水泥同速凝剂的相溶性好，能速凝快，后期强度也高，能有效控制喷射混凝土的强度和回弹量。 经试验得知，喷射混凝土用砂最后选用中粗砂，细度模数大于2.5，含泥量小于5%，含水量以质量计以5%-7%为宜。砂子过细，会使干缩增大；砂子过粗，则会增大回弹量。一般控制粒径0.2mm的颗粒不超过20%，否则由于骨料粘有灰尘，会妨害水泥的水化作用，显著影响强度的增大，回弹量也将增加。喷射混凝土用卵石或碎石均可，但以碎石为好，其最大粒径不宜大于15mm，且应选用合理连续级配的骨料。骨料级配对喷射混凝土拌合料通过管道的流动性，在喷嘴处的水化，对受喷面粘附及最终喷射混凝土的密实度和回弹量控制都有重要作用。为了降低用水量，降低回弹量和粉尘率，使喷射混凝土早凝、早强，在喷射混凝土中必须使用速凝剂。在使用速凝剂前，应做水泥的相溶性相溶性试验及水泥净浆凝结效果试验，严格控制掺量，并要求初凝时间不应大于5min，终凝不应大于10min。（二）喷射混凝土配合比的设计与控制要点。1、水灰比水灰比是影响喷射混凝土强度的主要因素。一般来说，当喷射混凝土出现流淌、滑移、拉裂时，表明水灰比太大；若喷射混凝土表面出现干斑、作业中粉尘大、回弹多，则表明水灰比太小。适宜的水灰比为0.4-0.5，在这一范围内，混凝土表面平整，呈水亮光泽，粉尘和回弹量均较少，偏离这一范围，不仅减低喷射混凝土强度，也使回弹量增大。2、灰骨比（即水泥与骨料之比）适宜的比例为1:4-1:5，水泥过少，回弹量大，初期强度增长慢；水泥过多，不仅粉尘量增多，且硬化后的混凝土收缩也增大，也影响混凝土后期强度的增大。3、砂率砂子在整个骨料中所占的百分率对喷射混凝土施工及回弹量有显著影响，经试验研究得知，砂率宜为45%-55%，砂率过低时，回弹量较大且易产生管路堵塞；砂率过高时水泥用量过多且对喷射混凝土强度有较大影响。 （三）硅粉用于喷射混凝土混凝土中掺入硅石粉，显著改善了塑性混凝土粘附性能和凝聚性，大幅度减低了回弹量，增大喷射混凝土一次成型厚度，缩短工期，节省了工程造价。在欧美国家，75%的喷射混凝土都掺入硅灰，而挪威和瑞典，硅粉是喷射混凝土的必备材料。硅粉作为喷射混凝土中添加的一种新型材料，对喷射混凝土性能的提高及回弹率的控制有着显著作用，在我国有着较好的发展前景，有待于进一步的研究。 结语在隧道工程中，喷射混凝土应用越来越广泛，因此喷射混凝土回弹量控制成为隧道工程中较为重要的研究方向。笔者根据大连地铁107标段的实际情况，项目共计57000m3喷射混凝土，经初步计算，每m3混凝土造价为242元，若将回弹量由30%控制到20%左右，可节约成本250余万元。由此可见，喷射混凝土的回弹量控制对工程造价有着重要的增益作用，回弹量控制的研究也将得到更进一步的发展。