高风险长大铁路隧道施工密实型喷射混凝土技术

陈 创

(中铁第四勘察设计院集团有限公司， 湖北武汉 430063)

在建苍稼岭和岩鹰鞍等隧道洞段含炭质板岩，局部有页岩气游离赋存于板岩裂隙中，需采取措施处理在开挖时控制页岩气的释放速度。喷射混凝土作为隧道初期支护的主要手段，传统配比需考虑到混凝土强度砂率较低，为此需对能够用于在隧道爆破后立即进场喷射岩面封闭岩层裂隙的密实性喷射混凝土进行研究，以快速凝固用以减小裂隙内页岩气的逸出速度，从而为通风创造良好的基础条件，通过强力的通风稀释洞内残存的页岩气，获取良好的安全作业环境，进而取消洞内机械设备的防爆设置，节约大量的投资。

1 气密性喷射混凝土现状分析

目前就水泥对混凝土抗渗透性已达成一点共识即不能认为强度高的水泥就一定能配制出高耐久性的混凝土[1-3]。发达国家的水泥标准中对于水泥的强度规定了最高值的限制强度超过规定也不合格而我国水泥标准则没有最高值的限制；水泥的形态水泥颗粒的良好级配有利于混凝土中的水泥石达到最密实的状态，但是一般的水泥生产工艺却不易达到水泥的理想级配，所以为了得到密实较好、高抗渗的混凝土掺加超细矿物掺合料是调整水泥颗粒级配的很有效的方法。因此选用普通硅酸盐水泥是一个好的选择并且是目前市场的主流在经济、来源等方面也是很合适的。

水泥石和混凝土的透气性的差异主要是由界面和骨料引起的。研究表明普通骨料的渗透性一般都低于水泥石这样在一定的压力下气体渗透过水泥石到达界面区的时候必定沿着界面区绕过骨料颗粒渗透而使的路径延长所以从理论上讲混凝土中加入低渗透性的骨料可以切断毛细管通道的连续性降低混凝土的渗透性。尤其在高水胶比和高毛细孔隙率的情况下这种作用应该很明显。然而实验结果恰恰相反当加入骨料后混凝土的抗渗透性降低了并且骨料粒径越大透气系数越高这是由于浆体与骨料界面处的孔结构和微裂缝造成的。在普通混凝土中由于骨料和水泥浆之间存在界面过渡区界面上晶体富集且定向排列界面结构疏松造成了混凝土的透气性能高，要保证混凝土的抗气体渗透性骨料应均质坚固、级配良好。良好的级配能使骨料的孔隙率和总比表面积均较小从而不仅使水泥浆量较少而且还可以提高混凝土的密实性。

如果骨料颗粒表面光滑对混凝土的流动性有利然而表面光滑的骨料和水泥石黏结较差。相反表面粗糙的骨料与水泥石的黏结较好有助于提高混凝土的密实性而且骨料粗糙的混凝土可以降低的富集程度。

砂的颗粒较小，一般不考虑其形貌，可是石子必须考虑其针、片状颗粒含量。针、片状颗粒不仅受力易折断而且会增加骨料间的孔隙，对砂子来说，宜采用中粗砂，尤其是粗骨料较差时，砂以粗砂为好。骨料中的黏土颗粒极细，会附着在骨料表面，影响水泥石与骨料的胶结能力，损害界面性能，影响混凝土的抗渗透性能，以使混凝土的抗透水性及不透气性提高。

综合以上几个方面考虑，在页岩气隧道中采用这种配合比，达不到封闭的作用，对页岩气隧道的施工造成很大的风险。通过多次试验模拟，采用一定量的气密剂代替水泥，可以起到一定的作用，这是因为气密剂中硅灰可以明显改善硬化混凝土的孔结构及浆集料界面结构。所以采用气密剂等掺量取代法取代水泥。

2 气密性喷射混凝土施工对策与试验

为了能够获得气密性，首先结合以往经验进行喷射混凝土试验[4-6]。实验主要是在相同的初始条件(水泥细度和品种、集料级配和最大粒径、混凝土水灰比、外 加剂、含水率)下研究外掺料(气密剂)对混凝土气密性的影响。为此，通过一系列的实验研究对比，选出最优的适用于页岩气隧道初期支护喷射气密性配合比。

硅灰的高细度、高含量和高度的无定形性使硅灰在混凝土中有很好的填充性和火山灰活性有利于提高混凝土的密实度及抗渗透性。当水胶比不变时掺入硅灰可使界面粒尺寸减小降低取向度提高界面区密实度明显降低硬化水泥浆的孔隙以及骨料与水泥浆之间过渡区的孔隙经观测掺硅灰的混凝土界面孔隙率明显下降骨料周围充满了无定形致密的相混凝土密实性得到良好改善其原因是混凝土中的含量随硅灰的增大而降低剩余的与不含硅灰的硅酸盐水泥相比易于形成更小的晶粒。同时掺入气密剂使得硅酸盐水泥水化物中的比减小，水泥用量在保证混凝土强度和耐久性的要求的前提下减少单方水泥用量有利于降低混凝土的收缩性进而提高了混凝土的抗渗透性。最后得出的混凝土配比为每方增加45 kg气密剂，对普通喷射混凝土和气密性喷射混凝土两个配合比进行试验，最终性能(外观质量)如图1、图2所示。

图1 普通喷射混凝土

图2 气密性喷射混凝土

经过试验检测对比从芯样的对比看出掺加气密剂的混凝土外观质量明显密实，采用专业的仪器进行检测做对比普通喷射混凝土明显大于掺加气密剂的喷射混凝土，检测仪器及操作如图3所示。

图3 气密性混凝土检测仪器及操作

3 现场应用及分析

经过采用密实性喷射混凝土施工，在隧道开挖爆破后立即组织进行，再加上大功率风机辅助。掌子面及施工区人员集中地段未发现有页岩气，彻底解决了高风险页岩气安全风险问题，取得了很多经验：

(1)爆破前气密性喷射混凝土一定要准备到位，车辆统一停至二衬台车后面，爆破过后立即随挖掘机至掌子面，当挖掘机排险完成后立即采用湿喷机械手对掌子面裸露基岩进行喷射混凝土封闭施工，喷射厚度不小于5 cm。

(2)待出渣完成后继续组织对台阶下部未喷射支护的基岩封闭，然后转入下一工序施工。

(3)现场循环作业必须设置一名专职的工序调度副队长，从而确保时间和空间不受封闭施工影响。从而为通风取得了良好的基础条件。

(4)洞外设置24 h值班制度，全权对洞外风机进行管理操作。

(5)洞内专职安全人员来回巡检页岩气浓度情况，认真严格执行一炮三检制度。利用手机对洞外调度和队长等管理人员随时取得联系。

(6)制定专项应急预案，并定期组织演练，确保险情发生时能够立即组织抢险。

4 结论

(1)如果隧道含炭质板岩或有渗水及页岩气游离逸出，则必须在施工过程中控制气体释放速度，最好采用较为特殊的喷射混凝土作为隧道初期支护和封闭岩层裂隙，才能保证施工安全。

(2)综合国内外经验，为了能够获得气密性，通过一系列的实验研究对比，选择混凝土配比且每方增加45 kg气密剂，发现掺加气密剂的混凝土外观质量明显密实，可以达到密闭性要求，能保证工程安全施工。