沙漠砂喷射混凝土在隧道施工中的应用

冯艳娜

（中铁二十局集团南方工程有限公司，西安 710016）

随着我国基础设施建设规模的增大，天然砂石资源不足的问题日益显现。另一方面，我国沙漠资源丰富，沙漠总面积约70万km2，中国西北干旱区是中国沙漠最为集中的地区，约占全国沙漠总面积的80%，可利用砂约有2100亿m3。沙漠砂又称风积砂，来源于沙漠，自然生成，经人工开发和筛分的粒径小于4.75 mm的风积沙，但不包括软质的岩石颗粒。与目前生产混凝土常用的天然砂相比，沙漠砂比特细砂更细，细度模数在0.3～0.9之间，粒级集中在0.30 mm和0.15 mm，占累计筛余95%左右，虽颗粒级配单一，但含泥量仅为0.5%左右，远小于江河流域含泥量在5%～12%的天然特细砂。基于沙漠砂的上述特点，通过优化混凝土配合比，配合前期充分的实验室试验，可以将沙漠砂用于隧道喷射混凝土，这样既可以有效利用沙漠砂资源，又能降低混凝土的生产成本，具有较好的经济、社会和环保效益。

1 工程概况

吴华高速（吴起至华池）公路TJ-1标位于延安吴起县与志丹县之间，起讫桩号K0+511.726～K10+673.277，全长10.165 km，合同总金额9.4亿，由中铁二十局集团市政工程公司承建，计划工期26个月，2019年6月开工。项目主要工程量：桥梁14座，互通立交1座，其中特大桥1座、大桥7座、中桥6座。预制箱梁1590片，现浇箱梁188.3 m，共2联；涵洞1个，40.8 m；隧道3座，单洞长度4472 m。混凝土强度为C15～C50的7个等级。混凝土施工总方量为38.2万m3，其中C25隧道喷射混凝土4.50万m3。

2 原材料

2.1 水泥

宁夏青铜峡水泥股份有限公司生产的P·O42.5水泥，其各项技术指标符合GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》中的规定要求。

2.2 细骨料

沙漠砂：取自陕西省靖边县城西约10 km处毛乌素沙漠，细度模数为0.58，含水率0.2%。其他技术指标符合GB/T 14684—2011《建设用砂》标准要求。

2.3 粗骨料

宁夏吴忠市太阳山舍尔山的石灰岩碎石，压碎值为9.6%，针片状颗粒含量为5.6%，含泥量为0.6%，泥块含量为0.2%。其他技术指标符合GB/T 14685—2011《建设用卵石、碎石》标准要求。

2.4 粉煤灰

试验所用粉煤灰的细度为9.4%，烧失量为4.5%，需水量比为91.0%，其他技术指标符合GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》标准的要求。

2.5 外加剂

高性能减水剂：减水率为26.2%，其他技术指标符合GB 8076—2008《混凝土外加剂》标准中高性能减水剂的技术要求。

速凝剂：无碱液体速凝剂，掺量8.0%，其他技术指标符合GB/T 35159—2017《喷射混凝土用速凝剂》标准要求。

2.6 拌合水

采用生活用水拌制混凝土，水的pH、不溶物、可溶物、氯离子和硫酸盐等含量均符合JGJ 63—2006《混凝土用水标准》要求。

3 沙漠砂喷射混凝土配合比设计

3.1 基本要求

设计混凝土强度等级为C25，1d强度不小于10MPa。采用机械手湿喷工艺。

3.2 沙漠砂喷射混凝土设计注意事项

3.2.1 砂率

同条件下，沙漠砂混凝土的砂率选择宜较河砂（细度为中砂）的砂率降低10%～15%，根据试验研究成果，C25沙漠砂喷射混凝土的砂率在35%～40%为宜。

3.2.2 用水量

河砂中含有一定量的泥土和泥块，影响混凝土用水量。沙漠砂虽然很细，但不含泥块，且小于0.075 mm的含量非常少，基本在1.0%以下，非常干净，因此沙漠砂混凝土的单方用水量基本与普通河砂混凝土相当。

3.2.3 速凝剂的使用

隧道内环境温度低于10℃时要加热至10℃以上，防止低温液体速凝剂黏度增大堵管。混凝土卸入喷射机料斗内的温度不宜低于10℃，若达不到要求温度时，可适当增加掺量，一般控制在0.5%～1.0%，无碱速凝剂的总掺量不宜超过水泥用量的9.0%，有碱速凝剂的总掺量不宜超过水泥用量的6.0%。

3.2.4 混凝土和易性

沙漠砂混凝土的黏聚性、保水性要比河砂和机制砂混凝土优越。尽管沙漠砂的比表面积比天然河砂大，理论上单位用水量应该比河砂大，但沙漠砂基本不含泥，在高性能减水剂的作用下，适当调整砂率，用水量的增加可以忽略不计。经优化设计，沙漠混凝土的容重比传统的河砂混凝土高约50 kg/m3。在实际操作过程中，应充分考虑环境温度、运输距离等因素导致的坍落度损失，一般情况下按出机坍落度比设计坍落度增加10～20 mm进行调整。

在前期大量的试验研究基础上，给出适合隧道施工用的C25沙漠砂喷射混凝土配合比见表1。

表1 C25沙漠砂喷射混凝土配合比

4 沙漠砂喷射混凝土施工

4.1 施工工艺及注意事项

沙漠砂混凝土的搅拌必须采用自动计量强制式搅拌机拌合，集料计量误差必须在允许范围内，拌合时间与普通混凝土基本一致。沙漠砂的含水量应控制在1%以内，防止含水量过高造成下料口堵塞。运输设备应采取保温或隔热措施，严禁随意加水，当现场混凝土工作性不能满足要求时，可通过二次掺加减水剂的方式解决，严禁浪费混凝土。采用湿喷机械手进行作业，喷射操作工艺按下列要求进行：

（1）混凝土喷射作业前应检查设备液压、气压系统，将风压调至工作状态，少量打入速凝剂试喷，确认液体速凝剂管路畅通。

（2）喷射时，机械手喷口与被喷面成40～60°角，距离被喷面1.5 m左右，初次喷射厚度应控制在5～8 cm，后续复喷一般控制在5～10 cm。喷射顺序应从开始端一个方向喷完后再回到开始端进行喷射作业。从开始端喷射到收尾端的时间应控制在5～10 min，此时速凝剂刚好达到终凝，可以防止一次性喷得太厚掉块，减少混凝土的回弹量。

4.2 喷射混凝土隧道工作面的施工环境检测

在隧道内工作区域，通常现场空气环境较为恶劣，粉尘颗粒对人体呼吸系统造成危害，需要对其进行控制，以达到健康安全的工作环境。为了评价喷射沙漠砂混凝土施工现场的作业环境，采用暗鹰9600型粉尘粒子计数器测定喷射混凝土工作面的PM1.0、PM2.5、PM10值，获得喷射沙漠砂混凝土作业过程中粉尘颗粒的变化，并与普通喷射混凝土对比，将2种配合比的喷射混凝土进行环境对比检。

分别对施工前和施工过程中工作面环境粉尘粒子数进行了检测。喷嘴与10个尘埃粒子计数器之间的距离为5～8 m，每次测试的重复次数为10次，并设置自动检测。施工过程中测试时间点为喷射混凝土达到稳定状态后，记录PM1.0、PM2.5、PM10的电流读数。通过测试可以获得不同隧道下喷射沙漠砂混凝土与普通喷射混凝土的粉尘颗粒数浓度的差异，二者差值为喷射混凝土作业时的尘埃粒子值，沙漠砂与河砂混凝土喷射时隧道工作面尘埃粒子数据见表2。

从表2可以看出，沙漠砂混凝土与河砂混凝土在隧道喷射作业相比较，工作面的粉尘含量明显减少，隧道喷射沙漠砂混凝土与喷射河砂混凝土尘埃粒子检测相比较，20 m内环境PM1.0粉尘降低15%，PM2.5粉尘降低31%，PM10粉尘降低46%，作业环境得到较大改善。结果表明就工作环境而言，沙漠砂混凝土用于隧道喷射混凝土具有优越性。

表2 河砂混凝土与沙漠砂混凝土喷射时尘埃粒子测定值

5 沙漠砂喷射混凝土强度检测

5.1 试验段沙漠砂混凝土抗压强度

强度是混凝土的重要性能指标，因此，在大范围应用沙漠砂混凝土进行隧道喷射施工前进行了试验段研究。试验段喷射完成后24±1 h，采用射钉法检测喷射混凝土实体强度（图1）。实测强度为13.6 MPa，满足隧道喷射混凝土1 d设计强度不低于10 MPa的要求。在进行实际喷射施工时，同时喷射沙漠砂混凝土大板进行同条件养护，养护1 d后取芯测试1 d强度，实测结果为14.1 MPa。实体强度测试和大板取芯强度试验均表明沙漠砂喷射混凝土抗压强度可以满足设计和使用要求。

图1 射钉法检测喷射混凝土实体强度

5.2 实际工程沙漠砂混凝土抗压强度

鉴于沙漠砂混凝土的1 d强度可满足隧道用喷射混凝土的要求，在实际施工中进行了大范围推广使用，其中宋梁隧道共施工了590 m3，庄科卯隧道施工了3980 m3，庙沟梁隧道施工了11190 m3，3座隧道合计施工C25隧道喷射混凝土15760 m3。施工结束后，对沙漠砂喷射混凝土的28 d强度进行了跟踪研究，其中宋梁隧道抽取试件6组，庄科卯隧道抽取试件40组，庙沟梁隧道抽取试件114组，合计160组。上述试件28 d平均抗压强度为29.4 MPa，试件强度满足设计标准要求。

6 结束语

通过沙漠混凝土配合比的优化设计及在隧道施工中的应用表明，利用沙漠砂替代天然砂制备喷射混凝土是完全可行的，其各项性能指标均能够满足设计要求。通过沙漠砂混凝土在隧道施工中的应用可知，沙漠砂混凝土具有如下优势：

（1）与河砂（中砂）喷射混凝土相比，沙漠砂喷射混凝土的砂率可降低8%～15%，即同等条件下可适当减少单位用水量。

（2）沙漠砂颗粒较细，在喷射混凝土中一部分起到微细集料的填充作用，使混凝土粘聚性更好，结构更密实，强度能得到很好的提升，1 d和28 d强度均高于河砂喷射混凝土。

（3）沙漠砂混凝土的保水性、黏聚性优于河砂混凝土，喷射回弹量小，回弹量约减少20%～50%。

（4）与河砂喷射混凝土相比，沙漠砂混凝土粉尘含量明显降低，隧道内工作环境得到较大改善。

综上所述，沙漠砂喷射混凝土在提高混凝土质量、降低成本、改善隧道内工作环境和保护作业人员健康等方面具有明显的优势。