机制砂喷射混凝土在隧道初期支护中的施工控制

王在杭，王义成，杨恩总，魏龙生，于咏妍

（1. 云南云岭高速公路建设集团有限公司，云南 昆明 650224；2. 交通运输部公路科学研究院，北京 100088）

0 引言

当前，随着我国基础建设的快速发展，天然砂越来越难以满足基建行业与日俱增的需求量。天然砂作为建筑施工行业中的细集料，被各种工程广泛应用，但因为其分布范围不均匀，不少地区都没有充足的天然砂资源。隧道施工的位置大多位于偏僻山区且无天然砂源的地带，工程施工中想要使用天然砂往往需要通过远距离的采购和运输，距离少则几十公里，多则上百公里，如此一来大幅增加了施工成本，制约了建设项目的发展。因此，使用机制砂代替天然砂将是解决天然砂资源短缺有效且经济的办法。

机制砂是由母岩经爆破和机械加工而成的一种细集料，加工成机制砂的母岩通常为强度较高的坚硬岩石，如石灰岩、花岗岩及玄武岩等。机制砂的形态同天然砂相似，但粗糙程度、石粉含量和级配等方面与天然砂有着显著的不同[1]。因此，机制砂喷射混凝土应用过程中往往存在级配不良、工作性差、喷射管道堵塞、回弹率高以及混凝土质量低等问题。本文主要从原材料的选取、配合比设计、施工过程的控制等方面，探讨机制砂喷射混凝土在隧道初期支护中的施工控制，以提高施工质量和经济效益。

1 施工现场原材料选材及配合比设计

施工现场喷射的机制砂混凝土原材料一般包括水泥、粗细骨料、速凝剂、减水剂以及水，原材料的选择在按照规范要求的基础上，应该结合施工现场的情况，尽量就地取材，节省工程成本。

张恒等[2]在机制砂喷射混凝土中掺入大量粉煤灰对机制砂进行改性研究，以此来解决机制砂湿喷混凝土在使用过程中存在的工作性差、回弹率高及强度低等技术性问题。他们设计研制出一种粉煤灰掺量为 40%、水胶比为 0.37 的适合现场湿喷的大掺量粉煤灰机制砂喷射混凝土。经过改性后的机制砂喷射混凝土工作性能更好、强度更高，初期支护的外观质量也随之改善。此外，大大降低了喷射混凝土每立方米用水量、喷射混凝土的回弹量以及回弹率。与市面上普通的机制砂喷射混凝土相比，掺入大量粉煤灰的机制砂喷射混凝土有了更好的耐久性、工作性、强度、稳定性。

唐富学[3]认为机制砂的各方面性能与天然砂有着较大差异，在进行机制砂喷射混凝土配合比设计和应用时仅仅简单地借鉴天然砂喷射混凝土的配合比设计理论和应用经验显然是行不通的。因此，他分析总结了各原材料质量和品质的变化对机制砂喷射混凝土性能的影响规律，设计研制出了符合规范要求及施工现场要求的机制砂喷射混凝土的配合比。按其配合比设计生产出来的机制砂喷射混凝土的回弹率控制在较低的水平，平均9.8%，并且 28d 的平均强度可以达到 39.2MPa，符合强度要求。此外，混凝土表面光滑，呈现水亮光泽，外观有了极大的提升。

2 施工过程控制

2.1 回弹量及回弹率控制

张慧玲等[1]认为喷射混凝土回弹率的大小和很多因素有关。除了合理的配合比以外，喷射机具的型号大小及性能。喷射混凝土时的速度、水压及气压的控制。喷射的角度和距离。以及操作手技术水平高低也都影响回弹量和回弹率的大小。在严格控制水泥用量。选取合理含砂率。优选粗细骨料以及调整速凝剂掺量的同时，她认为改进搅拌工艺也是降低机制砂回弹率的一种措施。即把计量准确的速凝剂撒布在预先倒在铁板上的干料上，由人工翻拌 2～3 遍，再把混合料输送入喷射机，则可较大程度地减少回弹。

李发双[4]对多座隧道工程及施工队伍情况进行分析比较，提出应从以下几个方面来控制回弹量：（1）操作手要精确掌握喷射距离和喷射角度。在喷射过程中，尽量做到喷嘴与受喷岩面呈 90 度，倾斜角要控制在 10 度以内，以此来降低回弹量，改善喷射混凝土的质量。（2）在喷射过程中严格控制喷射的水压和水灰比，同时对隧道的风压也要进行调控。风压控制在1.0～1.3MPa，水压应略高于风压，水灰比最佳范围控制在 0.45～0.50 之间。（3）严格把控混凝土的每一次喷层厚度和分层喷射的时间间隔。

刘洋等[5]认为施工工人在隧道支护受喷面上首次喷射混凝土时，由于受喷面刚度过大，往往会导致喷射混凝土回弹量很大，且喷射质量不理想。为了有效地避免这种状况发生，他建议在初喷混凝土进行之前对收喷面进行预处理，即先喷一层强度略高的水泥砂浆来增加受喷面的柔性，以此来减少回弹量，降低回弹率。

2.2 避免喷射过程中堵管现象发生

当使用机制砂喷射混凝土不当时，经常发生堵管现象，这给施工生产带来了困难，影响工程的进度的同时也增加了施工成本。

王从军[6]基于所在项目，对水洗机制砂湿喷混凝土堵管问题进行了分析研究。他通过对水洗机制砂的级配进行改良以及选用合理的配合比，使喷射混凝土满足强度、耐久性、工作性和质量的要求，有效解决了机制砂喷射混凝土施工中存在的堵管问题，保证机制砂喷射混凝土施工顺利。同时他还强调，在施工过程中应重视人员操作及施工方法和水平的提高。

王小松等[7]通过对机制砂在孤山隧道中的技术可行性、经济可行性和实施可行性等多方面探讨与论证，提出避免堵管现象发生的施工要求：（1）含泥量的控制。含泥量控制是影响喷射的关键，控制机制砂含泥量在 5% 以下，以确保工程质量。（2）喷射过程中水压和气压的控制。水压和气压的过大或者过小，都会导致堵管现象的发生，影响工程质量。

2.3 喷射工程中的质量控制

初期支护喷射混凝土作为隧道建设工程中的重要组成部分，关系到整个隧道施工的后续工程以及安全问题。鲁丹[8]认为机制砂喷射混凝土施工时，应该分区分层作业。针对不同的区域，其不同的外加剂和喷射压力各有不同。施工过程中，喷嘴与岩面距离应控制在0.6～1.8m 之间，对于回弹的混凝土，可采用地面铺设彩条布的方法来收集。在分层喷射混凝土时，应该等前一层混凝土完全终凝后再进行下一层的喷射。此外，初次喷射混凝土要在开挖后及时进行。为了确保机制砂混凝土喷射后前一层的支护能力和喷层的结构稳定性和厚度，复喷混凝土宜分层、分时段地进行。在围岩变化阶段，对于不同的受喷面，及时地调整喷射距离、角度、减水剂掺量（坍落度）、速凝剂掺量（凝结时间）是非常必要的。通过上述施工技术参数的调整以及喷射顺序与步骤的优化，在施工过程中可以杜绝喷射混凝土松散、强度低、回弹量大、建筑材料浪费等情况的发生。

李发双[4]认为，在隧道初期支护施工的工程中，喷射混凝土的厚度应达到设计要求厚度，且误差要控制在合理范围内，同时要避免喷射厚度偏薄，以防出现安全问题。在有钢拱架作为初期支护的隧道中，往往会出现钢拱架处喷层厚、两钢拱架间喷层薄的情况。为了防止这种情况带来的危害，施工过程中应要求喷射手在完成全断面螺旋喷射后，及时对钢拱架进行补喷；或者在挂防水板前，要求现场施工人员对喷射混凝土表面进行详细地检查和排查，发现喷射厚度不够的地方要进行及时补喷。施工过程中会出现局部区域喷射混凝土不均匀的情况，在挂防水板前需将突出区域的混凝土剔除并打磨。

3 机制砂喷射混凝土施工应用中应注意的几个问题

（1）必须严格控制喷射混凝土原材料的质量和品质，特别是机制砂的质量和品质。在选用加工成机制砂的坚硬母岩时，应选择强度大于设计混凝土强度等级的1.5 倍母岩，同时还要满足不能低于 80MPa 的要求。在生产加工机制砂的过程中，影响其工作性能的因素有很多，所以导致机制砂的颗粒级配波动较大、棱角更多。喷射混凝土中机制砂含量很高，因此其质量和品质会对混凝土拌合物工作性能产生很大的影响。所以在施工过程中，施工单位在把控好原料选材的同时，也应时常关注机制砂的质量和品质的变化[5]。

（2）施工时注重喷射混凝土配合比的调整和控制，在现场条件允许的情况下尽量采用级配良好的骨料。施工过程中重点着手骨料的级配调整工作，除了严格要求骨料在工地试验室中做好定期的质量检测外，对于骨料的采集应符合要求和规范，骨料的加工过程中要避免其他因素的干扰，以此来采取多种措施保证骨料的级配良好，做好对原材料选材和加工的控制。

（3）喷射混凝土是隧道支护施工中非常重要的一道工序，从确保施工质量和保护施工人员健康角度出发，湿喷工艺是最适合机制砂喷射混凝土施工的方法。在施工过程中，预先可以精确计算包括水在内的各种材料的所需量。相比较潮喷和干喷，湿喷技术对水灰比的控制更加容易，将水灰比控制在合理范围内，不仅可以降低回弹量和回弹率，也可以起到提升混凝土强度和减少粉尘的目的。此外，输送到喷射机中的混凝土，都是提前被均匀拌和的，均匀性和混合性良好的原材料有利于控制和保证喷射混凝土的质量。

4 结语

机制砂由于生产加工的设备和工艺不同，其颗粒级配比较差，且级配波动较大，导致混凝土的流动性、粘聚性及保水性较差，在喷射过程中容易发生堵管现象，会导致混凝土外观质量缺陷。通过对原材料质量的严格把控，对机制砂进行改良，选取合理的配合比，以及对施工过程进行多方面的控制，保证机制砂喷射混凝土的施工质量，满足强度、耐久性、工作性以及经济性的要求。同时，在施工过程中也应重视人员操作及施工方法和水平的提高，在今后的喷射混凝土施工中取得好的经济、社会、环境效益。