隧道喷射混凝土施工质量控制

2014-11-20杨文平

交通运输研究 2014年11期

曾旻，刘艳，杨文平，王超

（中交一航局第四工程有限公司兰渝项目部，天津 300456）

0 引言

为配合开挖，隧道工程中必须及时对开挖面进行支护，锚喷支护为当前主要的支护方式。在锚喷支护中，喷射混凝土具有施工速度快、支护及时、施工安全等特点，主要起到支承和胶结、填平补强、覆盖封闭围岩、提高抗渗性能及分配扩散外力的作用，以提高隧道围岩的弹性抗力和稳定性。锚喷支护中，混凝土作用效果受多方面因素的影响，如：施工材料、混凝土的配合比、现场的工程地质状况（渗水、漏水、涌水、岩层风化）、开挖情况以及现场施工、后期养护等因素。如何很好地解决这些因素对喷射混凝土作用效果的影响，控制喷射混凝土的质量，已成为隧道初期支护施工中的一个重要课题。本文以兰渝铁路LYS—6标段隧道为例，分析隧道喷射混凝土的施工质量控制。

1 工程概况

兰渝铁路LYS—6标段正线线路总长77.09km,位于甘肃、陕西、四川三省交界处，沿线有隧道13座，共计69 370延米，占全线总长度的91%。隧道区在大地构造单元中处于扬子准地台之龙门—大巴山缘褶皱带，该褶皱带形成了一系列北东向的断层和褶皱。标段内散布着洪积粗角砾土、志留系板岩、白云岩、炭质千枚岩、板岩夹变砂岩、千枚岩等软弱岩层。为适应这种构造，隧道开挖采取新奥法，采用锚杆和喷射混凝土为主要支护手段。因此，喷射混凝土质量控制的好坏成为决定新奥法是否有效的关键因素，也是全线施工安全质量是否可行的重要因素。隧道全线共需喷射混凝土56万m3，体积数量极大，成本消耗极高。

2 原材料控制

2.1 拌和用水

隧道工程中多以饮用水作为拌和用水，对于pH值小于4的酸性水、含硫酸盐量（SO4）超过水量1%、碱含量超标的水以及含有影响水泥正常凝结与硬化的有害物质的水均不得使用。

本工程属于广元地区，多以山泉水为主。经检验符合《铁路混凝土工程施工质量验收标准》（TB 10424—2010）的要求，可以用于隧道施工，但汛期要按期（每周一次）对水质进行抽检试验，以确保拌和用水的质量。

2.2 水泥

水泥作为喷射混凝土的主要胶凝材料，在选择水泥品种时，要注意水泥与速凝剂的相容性问题，尤其注意水泥与速凝剂作用后的凝结时间。根据国内施工经验，喷射混凝土可选用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥和快凝快硬的“双快型”硅酸盐水泥。

通过试验，四川川煤P.O 42.5普通硅酸盐水泥符合配制喷射混凝土的要求，它不仅与速凝剂具有较好的相容性，而且强度高（尤其是3d强度达到31.8MPa），抗渗性和耐久性好。其与适量的速凝剂作用后，混凝土的初凝时间在5min以内，终凝时间多在10min以内，是用于喷射混凝土的理想胶凝材料，而且其各项性能指标符合《铁路混凝土工程施工质量验收标准》（TB 10424—2010）要求。

在施工过程中，本工程加强对进场水泥的抽检并按月绘制水泥强度监控图（见图1），以确保水泥质量，并取得了良好的效果。

图1 2013年4月水泥抗压强度结果监控图

2.3 骨料的控制

混凝土的强度除取决于骨料自身的强度外，还取决于水泥浆与骨料的粘结强度及骨料的含泥量，同时骨料表面越粗糙，界面粘结强度越高。试验表明喷射混凝土粗骨料最大粒径应不大于16mm、含泥量不大于1.0%，而且细骨料的细度模数应控制在2.2～2.8之间。在一定范围内，骨料粒径、细度模数及含泥量越小，分布越均匀，混凝土强度越高，回弹量越小。

通过对权子垭隧道进口进行施工对比试验得出，喷射混凝土宜选择最大粒径为10mm的碎石及细度模数在2.2～2.5之间的河砂，这样既提高了该混凝土的匀质性及强度，又加强了外观平整度。本工程中，骨料的控制主要以源头控制为主，其他方式为辅，具体通过以下方式来控制骨料的质量。

2.3.1 选择合理的区域

通过甄选原材料生产地来控制骨料的质量是提高骨料整体质量的关键。本标段所处广元地区虽为山区，但多以风化岩为主，能够生产合格骨料的地方不多。因此，通过对施工范围内进行地质勘测等手段，在朝天区羊木镇发现一处可以生产合格骨料的场地。

2.3.2 甄别生产厂家

骨料通过碎石机械如颚式破碎机（粗碎，中碎，细碎）、反击式破碎机、锤击式破碎机、联合破碎筛分设备来破碎筛分，厂家机械设备的好坏直接决定了骨料的质量，通过甄别具有生产能力的厂家来控制骨料的质量是非常有效和重要的一步。

2.3.3 加强料场的现场管理

骨料送到现场后，一般在料仓保存一段时间。因此，料仓的远近直接影响着骨料的质量，如位于花石隧道进口处的骨料存放仓，因其与出渣路较近，出渣车经过会使骨料表面粘附很多粉尘，从而骨料的含泥量增大。为此要合理的选择骨料存放仓的位置，或采取喷水和掩盖的手段进行保护。

2.3.4 建立长效的监督机制

为保证骨料的质量满足要求，需选择固定料源供应，并派专职人员驻地监督，同时试验人员对进场骨料及时进行检验，对不符合要求的材料立即清场。

2.4 活性掺和料控制

喷射混凝土中活性掺和料代替部分未水化的水泥，不仅可以降低成本，最主要的是可以利用活性材料中的活性成分（主要是Si02与A403）与水泥水化产物Ca(OH)2进行二次反应，生成含水硅酸钙与含水铝酸钙。新生成的水化产物不仅提高了喷射混凝土的强度和致密性，而且提高了其抗冻、抗渗、抗腐蚀等性能，更重要的是明显降低了混凝土的回弹率。活性掺和料主要为粉煤灰、矿粉和硅灰。

通过配合比试配试验，得出：粉煤灰、矿粉和硅灰“三掺”效果最佳，且最佳掺量约为胶凝材料的25%（粉煤灰10%、矿粉10%及硅灰5%）。在此掺量下，混凝土成本和回弹率最低，平整度、强度和抗渗性最好，利于施工。

2.5 外加剂控制

为降低用水量、降低回弹率和粉尘率，使喷射混凝土早凝早强，必须使用外加剂。其中速凝剂要求较高，应采用符合质量要求并对人体危害性很小的速凝剂。掺加速凝剂之前，应做速凝剂与水泥的相溶性试验及水泥净浆速凝效果试验，初凝时间不应大于5min，终凝时间不应大于10min，并将速凝剂温度控制在10～20℃，不宜暴晒。

通过在权子垭隧道进口进行工艺性试喷试验，得出实际使用时速凝剂的最佳掺量为3%～5%，拱部最佳掺量为4%～5%，边墙为3%，试验结果如图2所示。

图2 速凝剂掺量与喷射混凝土强度及回弹率关系图

3 配合比控制

喷射混凝土配合比设计应满足下列要求：必须能保证混凝土向上喷射到指定的厚度，并且回弹最少；4～8h的强度应具有能控制变形的能力；在速凝剂用量满足可喷性和早期强度的要求下，必须达到设计的28d强度，有良好的耐久性，回弹量少，不发生堵管；当围岩渗水时，喷射混凝土应满足抗渗要求。喷射混凝土配合比设计关键指标是水灰比、砂率及矿物掺合料的使用。

参考致密堆积试验方法进行C25喷射混凝土配合比的设计，兰渝铁路C25喷射混凝土配合比材料用量如表1所示。

表1 不同混凝土配合比试配材料用量及试验结果分析

试验结果表明：喷射混凝土的最佳水胶比为0.41，最佳砂率为50%，掺加10%粉煤灰、10%矿渣和5%硅灰时达最佳坍落度100mm。各组配比坍落度试验结果见图3。同时参考28d龄期时抗压强度42.9MPa及抗渗性能，编号为8的一组为最佳，故在施工时选用此配比。

图3 不同配比时混凝土的坍落度

结合室内研究成果，在权子垭隧道进口进行喷射混凝土的施工试验。喷射工艺采用湿喷法，试验取样参照《锚杆喷射混凝土支护技术规范》（GB 50086—2011）。

经测定，喷射混凝土28d抗压强度为42.5MPa，渗水高度为38mm，隧道原施工配合比（第1组）的28d抗压强度为39.2MPa，渗水高度为51mm。在施工过程中，由于掺加了硅灰，喷射混凝土的回弹率降低了3%～5%左右，减少了材料的浪费并缩短了施工工期。经查，喷射混凝土表面平整度总体较好，且未发现开裂、脱落、渗漏现象。

4 施工过程控制

4.1 风压控制

施工时喷射混凝土的输料管长度应该控制在规定范围以内，喷嘴与出料口的高差应控制在5m以内。要严格控制好风压的稳定性，以有效控制回弹量。

经权子垭隧道进口现场试验，工作风压应控制在：边墙0.3～0.5MPa，拱部0.4～0.60MPa。

4.2 喷射角度控制

在受喷面较为平整时，喷嘴尽量与喷面垂直，如果受喷面不平，喷射角度应该尽量与受喷面保持垂直。如果喷射混凝土的角度不垂直，会影响混凝土的密度，并加大回弹率，造成过多的浪费。

通过对南崖山隧道出口进行喷射混凝土工艺性试喷试验，得出喷嘴与喷面的最佳喷射角度为70°～110°。喷射角度与混凝土密度及回弹率关系如图4所示。

图4 喷射角度与混凝土密度及回弹率关系图

4.3 喷射距离控制

为保证混合料的充分拌和及操作人员的安全（不被回弹料伤到），可在喷头上接一段塑料管，喷嘴与喷面的距离需进行合理控制，距离较远会影响喷射混凝土的强度和密度，距离较近，会增加回弹量。

经过现场试验测定，最佳的喷射距离为45～60cm，喷射距离与回弹量及强度的关系如图5所示。

图5 喷射距离与回弹量及强度关系图

4.4 喷射方法控制

通过多次现场调查、总结，喷射作业应分段分片依次进行，喷射顺序应先墙后拱，自下而上，如岩面凹凸不平时，应先喷凹处找平，然后向上喷射。喷射路线呈小螺旋形绕圈运动，绕圈直径30cm左右为宜。喷嘴应连续、缓慢作横向环行移动，喷射所画的环形圈为横向40～60cm，高15～20cm；若受喷面被钢架、钢筋网覆盖时，可将喷嘴稍加偏斜，但不宜小于70°。

喷射完毕至初凝后，需进行人工整平，即用铁锹铲除结团、凸出的混凝土，使表面平整美观。

4.5 喷射厚度控制

喷射混凝土的厚度要严格按照设计的厚度进行，可以在喷射断面上加混凝土厚度标识。在围岩横断面上成环设置喷混凝土厚度标志钢筋头，按拱部50～60mm，边墙70～100mm的间距设置厚度标志，相邻两环间纵向拉钢丝，标志分层厚度。喷射作业时每层厚度均不能超过该层纵向标志线，喷射完毕后，喷层表面不能低于最外层标志线。喷层厚度标志线的设置，为操作人员和质检人员提供了较为直观的依据，取得了较好的效果。

喷射混凝土如果厚度差异过大，会造成防水板不平，二衬背后脱空，二衬混凝土量增加，造成不必要的质量通病和进度及经济的损失。为避免此情况发生，需在挂防水板前将多余混凝土剔除。