漫谈矿山法隧道技术第二讲——喷混凝土

关宝树

(西南交通大学， 四川 成都　610031)



漫谈矿山法隧道技术第二讲——喷混凝土

关宝树

(西南交通大学， 四川 成都610031)

摘要：阐述了各国对喷混凝土初期强度的要求和日本的相关研究，强调在今后的隧道施工中，必须强化对喷混凝土初期强度的测试，积累有关初期强度的数据，摸清楚初期强度与变形控制的规律。喷混凝土最佳配比是确保喷混凝土质量的关键，介绍日本建议的确定喷混凝土最佳配比的试验施工流程，提出应建立喷混凝土生产线。比较详细地介绍了国外，尤其是日本对喷混凝土机械的研制及应用情况(包括： 分离式喷射系统，一体式喷射系统，长臂喷射机，双喷嘴喷射机等)，认为提高喷混凝土施工机械化水平，实现快速及时喷混凝土，对保证施工安全有重要作用，是保证喷混凝土质量的关键之一。列举了各国应用纤维喷混凝土的现状，认为合适的纤维补强材料可以取代金属网，应当尝试，以简化作业程序、提高喷混凝土速度和质量。介绍了日本青函隧道对喷混凝土的耐久性进行的长达40年的调查情况，认为青函隧道的喷混凝土保持了长期的耐久性。最后强调，强化对喷混凝土技术的研究和机械的开发，是目前急需解决的重要任务之一；如何确保喷混凝土的初期强度，如何建立喷混凝土生产线，是今后在施工中应予以关注的问题，这2个问题不解决，就不能确保喷混凝土在初期支护中发挥其应有的功能。

关键词：隧道； 矿山法； 喷混凝土； 初期强度； 配比； 机械化； 纤维喷混凝土； 耐久性

0引言

喷混凝土是我们接触最多的技术，也是发生问题最多的技术。在隧道及地下工程中，可以不打锚杆，不设钢架，但是不能没有喷混凝土。因此，解决喷混凝土技术中存在的问题，如： 如何确保喷混凝土的初期强度、如何提高喷混凝土的品质、如何建立喷混凝土生产线等问题，也是当务之急。这就是本讲的主题。

喷混凝土作为初期支护构件是最基本的构件，具有支护的优异特性。其最大特点是能够形成与开挖面密贴的结构层，开挖过后能够立即施设，若采用喷射机械手，也能够在开挖过后作业人员不进入无支护地段安全地进行施工。此外，也不必像钢架那样预先按照隧道断面加工，能够不考虑断面形状进行施工，是一种自由度高、富有机动性的支护构件。

作为初期支护，喷混凝土需要解决的问题是： 1)如何确保喷混凝土的初期强度(3 h、24 h)满足初期支护的要求； 2)如何提高喷射质量(如喷射时间的控制、决定配比的计量核查等)； 3)如何进一步提高喷混凝土施工的机械化程度； 4)纤维喷混凝土的推广应用等。

1喷混凝土的初期强度

目前喷混凝土的强度，广泛采用28 d的抗压强度25 MPa，即C25的喷混凝土；在大断面隧道中，采用C30的喷混凝土。在日本基本上采用设计基准强度为18 MPa的喷混凝土，在大断面隧道和软弱围岩中采用36 MPa的喷混凝土；其他国家也多采用25～30 MPa的喷混凝土，很少采用更高标号的喷混凝土。但对喷混凝土来说，重要的是初期强度，即3 h或24 h的强度。而在有的场合，更强调1 h的初期强度。

在围岩开挖后的初期，变形发展最快，为了控制初期变形的发展，要求喷混凝土具有一定的初期强度，以便在围岩变形的初期，能够把围岩变形控制在容许范围之内。这是喷混凝土最突出的力学特性。从喷混凝土的技术发展出发，喷混凝土的初期强度从过去的24 h达到5 MPa，逐步提高到10 MPa，更有甚者，也出现了3 h的初期强度达到10 MPa的工程事例。例如，日本对普通喷混凝土和高刚性喷混凝土进行的抗压强度研究[2]，结果如图1和图2所示。

由图1和图2可以看出，高刚性低龄喷混凝土的峰值强度动态，材龄3 h的强度约为14 MPa，材龄1 d的强度约为24 MPa，不仅有较大的抗压强度,而且没有产生脆性破坏现象，具有很高的韧性。

在隧道断面大、作用荷载也大的场合和围岩条件差、对应荷载也大的场合，若能采用高强度喷混凝土，就能以较薄的喷混凝土厚度予以应对。因此，在大断面及软弱围岩隧道中，可以采用高强度喷混凝土。

图1　单轴抗压强度和材龄的关系

图2　弹性系数和材龄的关系

在喷混凝土施工中，如何确保初期强度的形成以及如何建立检验初期强度的方法，仍是急需解决的关键问题之一，在《隧道及地下工程喷混凝土支护技术》[1]一书中对此有比较详细的介绍。

从公开发表的文献来看，很少有喷混凝土初期强度的测试数据以及初期强度与变形控制相关关系的情报。因此，在今后的隧道施工中，必须强化对喷混凝土初期强度的测试，积累有关初期强度的数据，摸清楚初期强度与变形控制的规律。

2喷混凝土配比

喷混凝土最佳配比是确保喷混凝土质量的关键，必须大力提高喷混凝土的品质。为了确定喷混凝土的最佳配比，只能通过现场的试验施工确定，其次须采用喷混凝土生产线予以实施。试验施工是确定最佳施工方法的关键步骤，日本建议的确定最佳配比混凝土的试验施工流程如图3所示。

一般情况下，试验施工分为2步，首先进行试验拌合，确定要求的塌落度；而后按确定的塌落度，通过回弹试验和强度试验，确定最佳水灰比W/C和最佳细骨料率s/a，同时进行试验喷射，确定现场采用的最佳配比。

从国外的文献看，喷混凝土的制备基本上与普通商品混凝土一样，是由喷混凝土生产线集中供应的。而我们在施工中建立了各种各样的生产线，就是没有喷混凝土的生产线，这不是技术问题，而是管理问题。我们既然能够建立混凝土的生产线，也就能建立喷混凝土的生产线。喷混凝土生产线应由混凝土制备、运送及喷射一系列作业的施工机械、计量设置、添加装置等构成。

图3　试验施工流程

Fig. 3Flowchart of trials to determine the optimum shotcrete mixing ratio

3提高喷混凝土施工机械化水平

目前，在喷混凝土方面，从国外喷混凝土施工技术的发展来看，其机械化水平较高，这可能与爆破后快速、及时喷混凝土对保证施工安全具有重要作用有关。

喷混凝土施工系统有2类： 一类是喷射机、喷射机械手等单独使用的分离式喷射系统(见图4)；另一类是在自行式台车上搭载喷射机械手、喷射机、速凝剂供给机、空气压缩机等施工所需机器的一体式喷射系统(见图5)。

图4　分离式喷射设备的构成

图5　一体式喷射设备的构成

不论是分离式还是一体式，其主要构成都是喷射机和喷射机械手，配套设备还包括混凝土自动搅拌车、空压机、速凝剂供给装置、钢纤维分散装置等。

目前，国内大多采用小容量的喷射机，人工操作进行喷射，偶尔采用喷射机械手进行喷射，与国外的差距较大。

实用的喷射机种类有很多，但性能差异很大，因此，在选定使用机械时，要参考既有工程实践，并事先进行喷射试验确认能够获得所要求的喷混凝土品质。在材料压送和喷射时，由于采用压缩空气，若材料堵塞会造成压力暂时升高，因此，机械的各部分和管路安装部位等都要有足够的强度。若喷射机不具备均匀、连续压送材料的性能，会使作业效率降低。

在大断面隧道，为满足快速施工，缩短施工循环时间，日本开发了重视早期强度形成的干喷、大容量、低粉尘的新型喷射系统SF-2(喷射机AL-285+机械手AL-306)(见图6)。

(a)

(b)

该系统的特点如下： 1)由于采用2台喷射机，能够进行大容量(20～24 m3/h)喷射，喷射时间比过去缩短一半；2)2台喷射机设置在台车中央侧部，荷载平衡改善了走行性，而且缩短了材料管的长度(比过去缩短一半)；3)喷射机械手具有升降机构，也能够适应超短台阶的喷射；4)由于采用低粉尘干喷工法，因W/C小，早期强度形成快，特别是大量涌水时也能用喷混凝土突破。

为了提高山岭隧道施工的安全性，降低隧道开挖时掌子面的风险非常重要，特别是在软弱围岩的情况下。为了降低这样的风险，抑制开挖后的围岩松弛，尽早促使掌子面稳定，开发了比过去喷射机臂长1.4倍的长臂喷射机，目前已在现场实际应用。

一般情况下，如果能够在开挖后、出碴前进行喷混凝土作业，就能够抑制掌子面前方松弛区域的扩大；但是，普通喷射机的臂长较短，受到喷射范围的制约，必须在出碴后才能进行喷射作业。因此，为了能够在碴堆存在的情况下进行喷射作业(见图7)，在喷射的同时，还可以进行出碴作业(见图8)，研发了长臂喷射机。长臂喷射机的规格如表1所示。

图7　抑制松弛区域的扩大

图8　出碴与喷射平行作业示意图

项目规格全体型式CJM2200E-V全长/mm18280全宽/mm3000全高/mm4000总质量/t26混凝土泵型式SP-25理论吐出量6～22m3/h(50Hz)理论吐出压/MPa2.6质量/kg1950臂型式CL-2-L最大水平喷射范围高11700mm、宽17100mm(喷嘴水平时)品质前端动作范围高10600mm、宽14100mm(喷嘴水平时)质量/kg5000速凝剂供给装置型式PAC-400V输送能力/(kg/min)4～22压送能力/MPa0.1～0.5质量/kg1000空压机输送混凝土用吐出空气量124m3/min(50Hz),14.0m3/h(60Hz)吐出空气压/MPa0.7电动机输出/kW90输送速凝剂用吐出空气量6.1m3/min(50H/60Hz)吐出空气压/MPa0.7电动机输出/kW37

长臂喷射机与普通喷射机的比较如图9所示，其喷射范围达宽17.1 m、高13.1 m，图10为其伸展最长的状态，图11为试验施工的概貌。该喷射机由日本古河会社和清水会社共同开发。

无论是长臂的还是普通的都搭载了吐出量在20 m3/h以上的高能力喷射机。即使水灰比小、黏性高的混凝土，只要给予适当的和易性，就能进行稳定的喷射作业。喷射机械手，对应上半断面台阶法和超短台阶的全断面法等开挖方法，包括掌子面正面和仰拱前方及向下方的范围内都能喷射。这样，实用的喷射机械，就要具备以快速施工的大容量喷射和高质量化为目的的有效的喷射混凝土的能力。

通常为保证操作员的安全和卫生环境，可通过遥控进行远距离喷射。为了确保喷混凝土的质量，喷射机都配备有以下装置。

1)速凝剂供给机。能够连续添加速凝剂，并装备有一次喷射混凝土施工所需要的容量的罐体。

2)细骨料表面水调整机。进行细骨料表面水率的管理，是制造良好混凝土的重要装置之一。

3)钢纤维分散供给机。是一个自动分散、供给钢纤维的机械。

4)粉尘降低剂添加机。是添加粉尘降低剂的装置，粉尘降低剂多数是粉体状。

这些附属装置对保证喷混凝土的质量和特性具有十分重要的作用，应与开发喷射机和喷射机械手同等重视。

(a) 普通喷射机

(b) 长臂喷射机

图10　长臂喷射机外貌

利用喷混凝土的初期强度，控制开挖后围岩的初期变形和可能出现的掉块挤出等，需要时间来保证。喷混凝土的初期强度通常指喷射后3 h或1 d的强度，因此，喷射作业必须在该时间内完成，这也是强调采用大容量喷射机或喷射机械手进行喷射作业的原因。为此，日本在一些大断面隧道中，为了缩短喷射作业时间，开发了带有举重臂的双喷嘴喷射机，其喷射能力是普通喷射机的2倍，使快速施工、早期防止崩落和迅速补强成为可能。

(a) 洞口喷射状况

(b) 从堆积碴堆后方喷射状况

双喷嘴喷射机，装备了2台机械手和混凝土泵，并带有架设钢支撑的举重臂(见图12)。采用这种喷射机进行喷射作业时间比原来节省一半，也不需要喷射和架设钢支撑作业机械的转换，大幅缩短了作业循环时间。这种机械有轮胎式和履带式，可以应对多种围岩状况。目前已在几座隧道中应用，取得了缩短循环时间、软弱围岩早期稳定的成果。

(a)

(b)

(c)

(d)

由此可见，提高喷混凝土施工机械化水平，是保证喷混凝土质量的关键之一。

4纤维喷混凝土的推广应用

国际隧道和地下空间协会(ITA)第12工作组在总结各国喷混凝土应用的基础上提出的报告[4]，特别强调纤维喷混凝土的应用，其中列举了各国应用纤维喷混凝土的现状。

1)在澳大利亚，过去4年使用结构合成纤维与钢纤维和金属网相比，增长极为迅速。特别是高性能结构合成纤维的出现，已被证明在典型的矿山巷道中是补强喷混凝土的一种有效形式，已被采矿业逐渐接受，并在悉尼M5东隧道被作为永久支护。

2)在巴西，最近纤维喷混凝土已被广泛应用。几年前，金属网几乎是唯一的补强构件，但在最近的5个水电站计划中，用钢纤维补强的湿喷混凝土正在4个工程(隧道跨度15～17 m)中应用，只有1个工程(隧道跨度3 m)采用了金属网。

3)比利时强调，传统的金属网在设置等方面需要很多时间。数据显示，安装金属网比喷混凝土至少要增加3倍的时间。由于在喷混凝土衬砌内位置的不断变化，不能确实其具有均匀的抗拉强度。

4)在加拿大，采矿业接受钢纤维喷混凝土支护作为矿山支护的比例迅速增长。一个很好的例证就是这项技术使无锚杆喷混凝土支护的使用也在增长(采用的喷混凝土厚度一般为60～100 mm)。

5)在意大利，约30 %的喷混凝土含有纤维补强材料(在2000年的115 000 m3喷混凝土中)。他们认为含有纤维补强材料的喷混凝土有以下几个优点： ①比焊接金属网省力；②回弹少；③可减小喷混凝土的厚度。

6)日本每年约生产2 100 000 m3的喷混凝土，其中大约有2.4%(50 000 m3)纤维喷混凝土。

7)自1995年以来，韩国在公路隧道的支护设计中，也改变为采用机械手喷射钢纤维湿喷混凝土。莱索托也开始钢纤维的使用。

8)挪威从20世纪30年代初以来就采用纤维喷混凝土。实际上是排除了各种金属网喷混凝土支护。大多数隧道采用高品质的机械手喷射钢纤维混凝土和防腐蚀锚杆。不采用模筑混凝土衬砌，除非岩石条件异常恶劣，局部用混凝土促使挤压性或膨胀性围岩稳定。

9)南非在深部矿山中采用喷混凝土。而在那些遇到高荷载和岩爆的场合开始研究采用纤维喷混凝土，从1994年开始并持续了5年以上。在加入钢纤维和合成纤维情况下的静载和动载的广泛测试中表现良好，在反复动态加载下喷混凝土支护应与金属网并用。

10)瑞典和瑞士的工程实践也证实了采用喷混凝土机械手时，在喷混凝土中(没有金属网)混合纤维的安全性。支护施作时间约减少30%。

11)土耳其在13 m直径的波鲁公路隧道中采用了金属网和钢纤维的喷混凝土支护。

上述事例充分说明，用纤维代替金属网是可行且有效的方法。纤维补强与正常的金属网(通常为5～7 kg/m2、100～150 mm的网格)相比，具有巨大的优势，尤其是采用湿喷法时。它有可能超越金属网失效能量和实际承载能力，同时，可以避免不密实、腐蚀、安装困难和耗时等问题。由于纤维补强的优势，其应用越来越广泛，但仍然有许多国家采用金属网补强。研究及实际应用表明，合适的纤维补强材料可以取代普通的焊接金属网。纤维喷混凝土将是今后初期支护采用的主要构件之一，我们应该尝试用纤维代替金属网，以简化作业程序，提高喷混凝土喷射速度和质量。

5喷混凝土耐久性的评价

在评价隧道健全性时，作为初期支护的喷混凝土的长期耐久性和衬砌的长期耐久性是非常重要的。因此，日本青函隧道对喷混凝土的耐久性进行了长达40年的调查[5]。

喷混凝土试件采自于作业坑道(11处)、衬砌空洞(11处)，平均每2～3年采取1次。试验包括抗压强度试验(抗压强度、静弹性系数)、超声波速度试验、单位体积重量测定、化学试验(炭化深度、x线回折试验、pH测定)等，试验结果如下。

5.1物理试验结果

5.1.1抗压强度试验

抗压强度试验获得了材龄3～44 a的198个试件的结果。抗压强度历年变化见图13—15。根据4个坑道的全部试件的历年变化，抗压强度变化在10～50 MPa，可以认为抗压强度没有降低的倾向。青函隧道采用的喷混凝土保持了长期的耐久性。

图13抗压强度的历年变化

Fig. 13Time-dependent variation of compressive strength

图14　抗压强度的历年变化(吉岡)

图15　抗压强度的历年变化(龟飞)

图14是吉岡超前导坑的抗压强度历年变化，变化在15～50 MPa。图15表示龟飞作业坑道的历年变化，抗压强度虽然有离散，但其范围在15～40 MPa，平均值是25 MPa。从总的趋势看，以后的变化会“维持恒定”，或“微增”。

抗压强度与静弹性系数的关系见图16。静弹性系数在(0.4～4)×104MPa的，虽然有些离散，但随抗压强度的增加，静弹性系数也随之增加，两者是相关的。

5.1.2超声波速度试验、单位体积重量测定

图17表示抗压强度和P波速度的关系。P波速度在3～5 km/s，随抗压强度的增加，P波速度也随之增加，有一定的相关性。

图18表示抗压强度和单位体积重量的关系。单位体积重量在20～23 kN/m3,与P波速度同样随抗压强度的增加，单位体积重量也有增加的倾向。

5.2化学试验结果

以炭化深度试验为例，各坑道的炭化深度及平均值见表2。

炭化深度和抗压强度的关系见图19。龟飞的作业坑道，特别是在炭化深度大的地点，抗压强度有低的倾向，今后应继续调查其间的关系。

图16抗压强度和静弹性系数的关系

Fig. 16Compressive strength Vs static elastic modulus

图17　抗压强度和P波速度的关系

图18　抗压强度和单位体积重量的关系

划分吉岡超前导坑作业坑道龟飞超前导坑作业坑道炭化深度的范围/mm0.8～43.0平均9.50.0～17.0平均7.93.0～53.3平均15.34.0～48.6平均17.7

图19　抗压强度和炭化深度的关系(龟飞)

6结束语

实际上，我国的喷混凝土技术也是从40年前修建成昆线时在隧道中开始采用的，与日本同时起步，但没有进行后续工作。

目前采用的喷混凝土，无论从材料、配比、喷射机械、喷射方法都与40年前相比有很大的改善，毋庸置疑，强化对喷混凝土技术的研究和机械的开发，是目前急需解决的重要任务之一。

本讲重点说明2个问题： 一是如何确保喷混凝土的初期强度，二是如何建立喷混凝土生产线。也就是希望今后在施工中予以关注的问题，这2个问题不解决，就不能确保喷混凝土在初期支护中发挥其应有的功能。

参考文献(References)：

[1]关宝树.隧道及地下工程喷混凝土支护技术[M].北京：人民交通出版社，2009.(GUAN Baoshu.[M].Beijing: China Communications Press,2009.(in Chinese))

[2]久湊豊.短时间刚性吹付けコンクリ-トの施工试验[J].トンネルト地下,2007(12)： 7-13.

[3]藤井攻.ロンブブ-ム吹付机の开发とトンネルへの适用[J].建设机械,2014(2)： 12-16.

[4]Franzén T.Shotcrete for rock support: A summary report on state of the art in 15 countries[J].Tunenlling and Underground Space Technology,1993,8(4): 441-470.

[5]芳贺康司.青函トンネルにおける吹付けコンクリ—トの性状および长期耐久性の评价[C]//トンネル工学报告集.日本： 日本土木学会，2013.

Tunneling by Mining Method: Lecture II: Shotcreting

GUAN Baoshu

(SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,Sichuan,China)

Abstract:The requirements on the initial strength of shotcrete in different countries, as well as related studies made in Japan, are presented. It is emphasized that the measurement of the initial strength of shotcrete must be strengthened in tunnel construction so as to accumulate data on the initial strength of shotcrete and acquire the correlation between the initial strength of shotcrete and the control of the deformation. It is stated that the optimum mixing ratio of shotcrete is the key to ensuring the quality of shotcreting. The flowchart of the trial to determine the optimum mixing ratio of shotcrete proposed in Japan is presented, and it is proposed that shotcreting production line should be established. The development and application of shotcreting machines (including separated shotcreting system, integrated shotcreting system, long-boom shotcreting machine, and shotcreting machine with double nozzles) in foreign countries, especially in Japan, are presented in detail. It is believed that improving the mechanization level of shotcreting operation and performing rapid and timely shotcreting are very important for the tunneling safety and the shotcreting quality. The state-of-art of fiber-reinforced shotcreting in different countries is presented. It is believed that proper reinforcing materials can replace the wiremesh and that fiber-reinforced shotcreting should be tried so as to simplify the shotcreting procedure and improve the speed and quality of shotcreting. The results of the 40-year investigations made on the durability of the shotcrete of Seikan tunnel in Japan are presented and conclusion is drawn that the shotcrete of Seikan tunnel has good long-term durability. Finally, it is emphasized that study on the shotcreting technology and development of shotcreting equipment are the main present tasks and how to ensure the initial strength of the shotcrete and how to establish the shotcreting production line are the main topics in the future.

Keywords:tunneling; mining method; shotcreting; initial strength; mixing ratio; mechanization; fiber-reinforced shotcrete; durability

中图分类号：U 45

文献标志码：A

文章编号：1672-741X(2015)12-1235-08

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2015.12.001

作者简介：关宝树(1932—)，男，辽宁人，西南交通大学教授，博士生导师，从事隧道及地下工程教学和科研50余年，隧道与地下工程资深专家。

收稿日期：2015-07-02