隧道湿喷混凝土回弹率控制技术措施

张晓东 陈文渊 冀亚锋

(中铁二十一局集团第三工程有限公司 陕西咸阳 712023）

在隧道掘进施工时，为了防止隧道拱顶和边墙坍塌事故发生，需要用初期支护结构来支撑早期围岩荷载。随着隧道开挖进尺增加，隧道围岩会出现极为快速的位移变化，并且位移量大，为了控制围岩位移又能释放部分荷载，需要施作具有一定柔性的支护结构，作用在结构上力随着位移变化而调整，最终达到相互协调受力状态[1-2]。对此，在隧道开挖的过程中需要及时施作柔性支护，需要用需要借助喷射混凝土来实现，通过湿喷混凝土将钢架、锚杆与围岩粘结在一起，把支护所承受的荷载分给围岩一部分，实现协同受力，共同变形，直至隧道稳定为止[3]。湿喷混凝土施作过程中，把控湿喷混凝土的回弹量是实现整个湿喷施工作业质量与时效的核心内容。

1 湿喷混凝土的优点

喷射混凝土主要是通过借助专门用于喷射的机械，借助压缩空气将掺有一定比例速凝剂的混凝土喷射于岩石表面以此加强岩石的保护，并实现支护结构及时受力。在喷射混凝土施工的过程当中可以有效的把混凝土的灌注与振捣结合为一个工序，减少施工程序以及不需要模板。因此，该材料较为适用于狭窄场地和需要及时受力的工程中。

目前，混凝土喷射方式主要分为干喷与湿喷两种。传统喷射混凝土大多采用干喷方式，而湿喷在施工速度、施工质量以及环保等各个方面都要比干喷更好，因此湿喷在这些年逐渐受到更多人的重视。

（1）在施工速度上，采用干喷结合干喷机器喷射能力大概在3 m3/h，而如果采用湿喷结合湿喷机喷射能力在20 m3/h。因此，在同样的时间内采用湿喷作业的效率要明显高于干喷作业

（2）在工作效率上，湿喷整体施工速度要更快，尤其是在一些特长隧道的施工中需要快速掘进施工，在就需要更为快速的进行混凝土的喷射，尽快加强支护的稳定性，防止坍塌事故的发生。因此，需要结合湿喷机组进行混凝土的喷射，通过更高效率的混凝土喷射能够极大地缩短工期和提高作业的安全；

（3）在施工的质量上采用湿喷的形式，由于混凝土在拌合站生产，配合比稳定，混凝土整体的密实度要明显高于干喷，且喷射的质量要更好；

（4）在施工环保上，采取湿喷的方式所产生的粉尘更小，喷射回弹少，对作业人员的身体影响会更低，而如果采用干喷的方式会导致在施工当中产生大量的粉尘，极大地增加了施工环境的污染。

2 隧道喷射混凝土回弹率的影响因素

2.1 工作风压

喷射混凝土作业中，由于机器的原因会产生较大的粉尘，粉尘的浓度会对喷射混凝土的回弹率有较大的影响。在作业中如果没有合理控制好喷头的工作风压，当风压较小则会导致喷射面上的混凝土与喷射面之间的接触面较小，影响到混凝土的密实度；如果风压较大，又会导致混凝土在喷出喷头之后，因压力过大的情况下出现直线运动的情况且速度极快，造成喷射出来的水泥与砂子之间出现分离的现象，增大混凝土的回弹率以及造成现场过多的喷射粉尘。

2.2 混凝土原材

在混凝土的原材料选择上需要根据实际工程情况选取合适的材料，以此降低回弹率。在一般的情况下，针对隧道的施工大多主要是以采用硅酸盐水泥为主，其次，还需要注意粗集料的选用其粒径不能大于15 mm，当粗集料的粒径较大会导致在喷射作业中出现堵塞的情况[4]。并且当粒径较大的情况下，其重量也会增加，从喷口出去之后容易与浆体分离，导致回弹率增加[5]。

除了要选用较好的水泥材料，在实际作业中还需要注意速凝剂掺量，当掺量过多会导致喷射混凝土的凝结加快，导致出现结块的情况；如果掺量太少则无法让混凝土出现凝结，导致喷射的混凝土难以与喷射面之间形成联结的关系，引发脱落，对工程的质量造成极大的影响。对此，在施工作业中把控好速凝剂的掺量是非常重要的，湿喷混凝土应选择无碱速凝剂，这不仅能提高混凝土耐久性，还有利用工人身体健康，改善隧道作业环境。

2.3 操作水平

对于喷射操作人员而言，其操作水平的高低很大程度上会影响到喷射混凝土的质量。操作人员如果拥有丰富的经验，则能较好地控制混凝土的喷射过程，降低混凝土的回弹率，提高隧道工程质量。

2.4 混凝土配合比

在采用湿喷混凝土的方式时，对于混凝土的配合比应当合理的把控，尤其是对于砂率的范围，砂率范围应当控制在50%～55%为最佳，选用砂率相对高点，减少喷射时产生冲量，降低混凝土回弹率[6]。

3 混凝土回弹率测试方法

隧道喷射混凝土回弹率是评价喷射混凝土施工质量和工艺的一个重要指标，其大小直接影响施工成本、施工效率和施工质量。过高的回弹率不仅浪费材料、增加施工成本，还会造成洞内空气中粉尘含量过高，损害施工人员的健康。

（1）直接称重法。喷射混凝土回弹率分为水平喷射回弹率和向上喷射回弹率，一般是在工地现场测试。选取一段边墙和拱顶，在地下铺上帆布或彩条布，然后喷射一定重量的混凝土，将落到地面的混凝土收集并称重，落到地面混凝土重量占总喷射混凝土重量的比例就是喷射混凝土回弹率，计算公式如下。

（2）元素分析法。对喷射混凝土进行随机取样，取样种类为喷出物、回弹物及实粘物3类样品，筛去混凝土中的全部细料。称量每个样品的质量；求取样本质量平均值作为对应样品的质量，从而得到喷出物、回弹物以及实粘物的质量，从而计算得出混凝土回弹率。

（3）三维激光扫描法。三维激光扫描技术是不进行接触进行扫描分析的方法，通过喷射前和喷射后断面尺寸进行对比，得出喷射混凝土体积，然后根据混凝土总的喷射量计算混凝土喷射的回弹率[7]。

4 湿喷混凝土回弹率控制技术措施

4.1 严格控制原材料质量

（1）严控水泥质量。在选择水泥材料时，要尽可能选择收缩性更小的水泥材料，收缩性较小材料的强度增长速度会更快，能够更好的与速凝剂发生反应，有效的确保了在喷射之后迅速与材料的表面发生反应，确保了混凝土凝结速度，有效降低回弹量。

（2）严控砂石质量。①砂子选用时，以中粗砂为主，细度模数控制在2.8～3.2之间，其次在含泥量上面应当要保持在2.5%以内，含水率控制在6%以内。之所以选择粗砂而不选细砂，主要的原因是砂子粒径过细会导致胶凝材用量增大，混凝土收缩性提升，造成在施工时粉尘量过大，对于作业人员的正常施工产生较大的影响，并且粒径过小的砂子并不利于与碎石进行混合，从而导致回弹量增加。②在实际喷射混凝土的施工中，需要选择粒径适当的碎石，当碎石的粒径过大的时候会增加回弹量，而且粒径过大还会导致管路出现堵塞的情况，加大机械的磨损。但是如果碎石的粒径过小，又会因为其结构强度不够影响到喷射混凝土的质量。③实际施工中，拌合站的砂石会含有部分水分，且分布不均匀，在上砂石料前，先用铲车翻拌拟用物料，然后实验室人员取样砂石测其含水率，确保含水率测试准确，保证混凝土工作性稳定。

（3）严控外加剂质量。施工中，应当选择凝结速度更快的速凝剂，通过更快的凝结从而降低回弹量，防止在实际施工时因为凝结速度不够快，导致受到重力的影响而出现脱落的情况，而且凝结的速度足够快的情况下还能确保施工的时效性与安全性。

4.2 严格控制配合比

在进行混凝土喷射施工的过程当中，除了要对材料的质量进行严格的筛选以外，对于材料与材料之间的配合比也要进行严格的把控。

在进行配合比设计时，当现场中石子中≤5 mm的颗粒较多时，需将石子中砂折算为砂量，适当降低砂率；砂子含水率测试结果需要扣除砂子饱和含水量；拌合好的混凝土出料时，先测混凝土塌落度，确保出机混凝土塌落度为160～180 cm，若不满足通过调整外加剂解决；所有物料投入搅拌机后，至少保证90 s的搅拌时间，以保证外加剂发挥作用和混凝土的均匀性；加强现场喷射混凝土施工管理，湿喷机上料时严禁向混凝土中加水，若混凝土塌落度较小时，可加入适量备用减水剂；配制混凝土强度应与实际胶凝材料所用量相适配，根据不同地材来源，做多组混凝土配合比，满足现场需要；混凝土配合比设计是多解的，需要理论联系实际，不断优化，才能配制出经济合理、性能良好的混凝土。

4.3 严控施工工艺

（1）喷射风压控制。喷射混凝土时，输料管的长度需控制在15 m以内，风压应该控制在0.4 MPa左右，喷射拱顶时风压大一些，喷射边墙时风压小一些，合理控制喷射距离和风压能够有效控制回弹率。考虑到由于输风管的使用有可能会引起风力浪费的现象，需当结合隧道的长度、风管密封特点等情况实施风源压力的控制。在实际的施工的过程中，作业人员应当要针对机械的输风管的密封性进行严格的检查，如果密封性能较高则可以适当降低风压，控制在0.3 MPa上下，以此有效把控现场实际施工时粉尘量，合理控制混凝土喷射过程中的回弹率。

（2）喷射角度控制。在喷射混凝土的时候，应当先检查喷射的结构面情况，如果喷射的结构面本身较为平整，在施工时应当要控制喷嘴与结构面呈垂直状态，防止出现回弹率过高的问题。如果在一些较为狭窄场地进行喷射时，喷嘴角度控制在70°左右，使混凝土从喷嘴喷出时恰好落在厚度更大的混凝土顶端位置。

（3）喷射距离控制。在喷射混凝土的过程中，对于距离的把握在很大程度上会影响到回弹率。采用湿喷的方式时在距离的把握上可以离得更远一些，但如果距离过远会导致其压实度不够，强度变弱；距离过小则会因为风压的影响引起混凝土的快速脱落的问题。为此，喷射混凝土时，喷嘴和喷射的结构面之间的距离应当保持在1 m之间，确保喷射距离合理[8]。

（4）分层喷射厚度控制。在喷射混凝土过程中，为了防止混凝土喷射量过大导致附着于结构面的混凝土过多，在受到重力影响下脱落、掉坨。在施工艺上可以选取分层喷射的方式，逐步喷射合理把控厚度，并且每层厚度上都应该合理控制。

（5）喷射间隔时间控制。由于混凝土的喷射并非是一次性的，在实际作业中作业人员需要把控好每次喷射的间隔时间。比如在第一次喷射结束之后，需要先隔上一段时间，防止混凝土在还没有初凝的情况下因再次喷射，受到风压的影响出现脱落，导致整体的回弹率提高。但是如果间隔的时间过长又会因为前面的混凝土已经凝结，导致了新的混凝土无法与前面的混凝土进行很好的结合，增加混凝土的回弹率。因此，在喷射的间隔时间上，需要确保上一次喷射混凝土达到初凝后再进行喷射下一层混凝土。

（6）钢筋网片的改进。隧道传统内衬采钢筋网片，其骨架粗、刚度大、网格尺寸相对也较大，对降低喷射混凝土回弹作用较小，加之采用开口型网片，铺设时彼此连接存在一定难度，影响铺设质量。为解决钢筋网片的诸多问题，喷射混凝土时可使用聚乙烯高分子材料网片见图1，用于代替传统工艺中的钢筋网片，弥补隧道初支中钢筋网片性能有限、混凝土回弹大等问题，网片采用聚乙烯高分子材料加工而成，通过简单的连接使工人方便安装。

图1 聚乙烯高分子材料网片

（7）操作人员技术培训。在混凝土喷射施工中，要求作业人员要对机械的使用有熟练的经验，懂得针对不同的结构面应当如何控制具体的操作方式，因此要求作业人员要有丰富的经验。在作业之前，应当组织操作人员进行集中培训，从作业的注意事项、设备的安全、正确使用方法再到实际喷射技术，都要逐一进行讲解，要求作业人员严格按要求施工。在喷射混凝土施工前，还应对喷射手做技术交底，根据回弹量及时调整喷射距离和风压，采用分层、分区、分段喷射不可堆喷，喷射混凝土顺序遵循“金角银边草肚皮”的原则，即先喷角再喷边后喷中间。为此，在施工之前要做好培训，同时制定严格的施工制度。在施工过程中还应当定期进行检查，要确保施工的质量，防止作业人员没有按照规定进行施工，导致喷射混凝土回弹量，造成不必要浪费和工程安全隐患。

5 结语

在隧道支护结构的施工中，喷射混凝土具有极为重要的工程意义，是确保隧道围岩稳定性的重要保障之一。需要作业人员采取正确的施工方式，严格按照流程进行喷射作业。控制混凝土回弹率主要从三个方面入手：①从源头抓起，严格把控材料质量；②从施工着手，控制好施工细节；③着重围绕作业人员，要求作业人员要具备丰富的经验，并且在施工前应当要进行适当培训与考核，确保作业人员能够按照规定进行施工，确保支护结构的稳定性，提高隧道施工的工程质量。

本文述及湿喷混凝土回弹率控制相关技术措施已在渭武高速公路木寨岭隧道初期支护施工中得以成功应用并取得良好效果，既提高了功效又降低了成本，为国内同类隧道工程施工可提供借鉴和参考。