影响隧洞喷砼回弹量的因素分析

魏子荣

（甘肃省水利水电工程局有限责任公司，甘肃 兰州 730000）

喷砼技术广泛地应用于隧道和道路加工过程中，该技术是在支护理论的基础上发展起来的，具有施工简单、支护及时等特点。常见的隧洞喷砼包括干喷、潮喷和湿喷三种技术，其中干喷和潮喷的粉尘量大，回弹率高，对施工质量和施工人员健康影响明显。隧洞喷砼施工主要环节包括配料、搅拌、混凝土运输、湿喷机喷射等流程，每个环节均会对其回弹量造成影响。回弹量控制室隧道喷砼施工的关键，为了提升隧道施工质量，需要对影响喷砼回弹量的因素进行分析，采取针对性措施进行控制，以确保喷砼施工安全，施工质量满足工程需求。

1 工程概况

引洮二期骨干工程静宁输水渠延长段全长8 654.50 m，直供静宁县城调蓄水池段管线设无压输水隧洞一座，长度2 296 m，断面形式为现浇钢筋混凝土城门洞型衬砌，纵坡1/1000。对隧洞工程的地质进行勘测可知，隧洞横穿一黄土梁布置，围岩岩性由新近系(N2L)粉砂质泥岩及第四系风积（Q32eol）马兰黄土、洪积（Q31pl）粉质黏土构成，围岩类别属Ⅴ类及黄土隧洞Ⅴ1类。隧洞进出段洞身岩性为上更新统风积（Q32eol）马兰黄土及洪积（Q31pl）粉质黏土，马兰黄土属中～高压缩、中等自重湿陷性土；粉质黏土属中～低压缩、轻微～非湿陷性土，均属黄土Ⅴ1类围岩，极不稳定，围岩不能自稳，变形破坏严重；其他洞身段岩性为新近系(N2L)粉砂质泥岩，遇水软化，属极软岩，岩体具中厚层状结构，近水平状产出。无地下水影响，该洞段围岩属极不稳定的Ⅴ类围岩，为了保障施工安全与施工质量，需要加强初期支护。综合对比不同的支护工艺，由于喷砼工艺施工简单，施工成本低，因此成为本工程支护的首选方案。

2 喷砼施工工艺问题分析

2.1 问题研究

隧洞工程初期支护选择喷砼施工工艺，选择机械搅拌进行喷射，并且利用10 m3的电动空压机为喷砼供风。喷砼工艺的原料选择425硅酸盐水泥，利用石灰岩机制砂，并且选择芙蓉牌速凝剂。经过现场试验，选择水泥：砂：石：水：速凝剂=1∶1.9∶2.4∶0.45∶0.03的比例进行混合，得到级配优良的混凝土材料。喷砼施工工艺的喷射砼控制在2.56 m3，循环进尺为4 m喷射时间为4~6 h。在喷砼施工现场中，喷砼回弹量浪费施工原料和增加施工成本的主要原因，由于喷砼回弹量控制不佳，影响施工效率和施工进度，而且喷砼强度不稳定，影响最终施工成本和施工进度。经过现场测定，喷射砼回弹量为30%，需要加强喷砼回弹量控制与管理。

2.2 问题原因分析

对喷砼回弹量控制不足的原因进行分析，可知影响喷砼回弹量的因素包括：（1）喷砼喷料级配不合适，对原料的配比控制不足，影响最终回弹量控制；（2）速凝剂的选择和掺入少量不合适，未能达到最佳配比；（3）喷砼施工的供水量、喷射角度、温度、风压等因素控制不足。为了加强喷砼回弹量控制，采用现场试验的方式，分析各种因素的影响，并且采取有效的措施进行控制管理。

3 喷砼回弹量影响因素分析

3.1 水灰比的影响

喷砼回弹量与水泥的凝结时间直接相关，而水灰比对水泥凝结时间的影响会影响喷砼回弹量。通过现场试验对比，对不同水灰比的水泥凝结时间和喷砼回弹量的研究表明，水灰比较小的情况下，水泥初凝与终凝时间短，但是水泥灰尘多，回弹率高，喷砼表面容易出现砂窝、不密实等情况，水泥表面颜色暗沉，而且强度不满足设计需求。如果水灰比过大，则会出现喷砼表面拉毛、滑动流淌等质量问题，喷砼厚度控制难度较大。为了有效控制喷砼质量和喷砼回弹量，需要将水灰比控制在0.4~0.5之间，才能保证喷砼强度好，不流淌，黏性好，表面水亮光泽，而且有效降低回弹量。

在本项目工程中，选择修建20 t容量高位水池作为施工用水。工程期间，水压稳定，供水钢管截面较大而且软管长度一致，便于后期控制。为了有效控制水灰比，可以选择带刻度开关装在喷头接水管处，对水量进行定量控制。施工期间，每隔20 min测量喷浆机所需要的水流量，有效控制水流量，以保证最佳水灰比。

3.2 速凝剂掺量

喷砼速凝剂可以提高喷层黏性，合理地使用速凝剂能够增强岩石和喷层的粘结强度，从而缩短喷砼凝结时间，减少回弹率。速凝剂在喷砼中的作用机理是，当将速凝剂掺入水泥中时，水泥水化会促使速凝剂的硫酸和石膏反应声场硫酸钙，从而析出钙和氧化铝，促使水泥形成氯酸盐结构，促使水泥加快凝结。一方面速凝剂可以缩短喷砼凝结时间，促使喷层结构稳定，发挥结构承载作用，提升其强度，避免围岩变形发展。另一方面，速凝剂过量会影响后期强度，并且影响水泥石的收缩率。

通过现场试验，分别研究不同速凝剂掺量下的水泥速凝效果和喷砼强度，研究不同龄期速凝剂含量对回弹量的影响。研究显示，速凝剂主要影响喷砼后期强度，从而影响喷砼回弹量。结合现场施工条件，速凝剂掺量控制在2.5%~4%之间可以达到最佳巧果。不同隧道部位的掺量有所不同，拱部的最佳掺量在3.5%左右，而边墙部掺量在3%左右。

3.3 喷砼风压的影响

喷砼风压是影响喷砼工艺的关键因素之一，通常喷射机的风压控制在0.15~0.4 MPa之间，最高风压在0.8 MPa。喷砼风压与喷距和喷料级配密歇相关，当喷砼风压越高，则喷砼密实度越高，后期强度也会更大。而如果风压过高，反而会影响喷砼黏着力，影响喷料颗粒和喷料反弹量。但是如果风压过低，会造成喷管堵塞，也会由于风压不够大造成喷料散落，影响最终喷砼质量。通过现场施工试验，在线厕细度模量为2.6的机制砂和1.2的距离情况下，对风压和喷砼回弹量的关系进行试验。在线厕0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4、0.45、0.5 MPa等不同风压强度下，研究显示在其他参数不变的情况下，0.3 MPa的风压喷砼回弹量最低，而且喷砼质量最佳。

3.4 喷距和喷射角度的影响

选择现场试验的方式，对喷距和喷射角度进行分析。选择一定级配的集料，固定其他参数，对喷距进行研究，选择0.5、0.8、1.2、1.4、1.6、2.0 m等不同的喷距下进行研究，研究显示，在喷距为1.2 m时的喷砼回弹量最低。

结合以往的施工经验，对喷射角度进行研究，研究显示：（1）喷射角度为80°的情况下，喷嘴向上，喷射效果最佳；（2）如果是曲面，应该选择与曲面法线平行的方向进行喷射，同时需要研究中立对喷射的影响。

3.5 其他因素影响

除了以上因素之外，喷料的级配和温度对喷砼强度和回弹量的影响也十分明显。现场研究显示，喷料级配应该适当，当喷浆砂细度模量为2.6左右时最佳。温度较高时应该适量减少速凝剂用量，而温度低的情况下需要增加其用量。为了保障最佳的喷射效果，选择机制砂作为喷浆砂，机制砂具有表面粗糙等特点，喷砼强度高，回弹量低。

4 喷砼回弹量控制措施

结合以上研究，需要从材料、机械和技术等方面加强控制，从而提升喷砼强度，有效控制喷砼回弹量，有效提升喷砼质量。

4.1 混凝土材料的控制

混凝土是喷砼的主要材料，为了有效控制喷砼回弹量，需要从混凝土原料入手，加强各方面的材料控制。

第一，砂。喷砼施工过程中，机制砂具有粘聚性较好，表面粗糙等特点。选择机制砂有助于降低喷砼回弹量，提升喷砼稳定性。隧道施工要求高，对混凝土的要求也高，为了提升喷砼质量，需要对机制砂的杂质含量和细度模数进行控制。在喷砼施工过程中，需要综合各种因素调整机制砂的用量，确保各方面配比达到最佳状态。水泥标号必须达到42.5级以上，而且优先选择普通硅酸盐水泥，从而提升围岩强度。在喷砼施工前，需要对水泥强度进行现场测试与反复试验，确保配合比满足要求，才能投入使用。

第二，减水剂选择。减水剂是喷砼施工的重要原料，隧道施工需要用到大量混凝土，水的用量也会明显增大。但是水分过多会影响喷砼稳定性，造成喷砼回弹。为了降低喷砼回弹，需要选择合适的减水剂，并且科学合理使用减水剂，以增强混凝土拌和量的流动性，增强原料和混凝土的粘聚性能。在喷砼施工过程中，减水剂的控制难度较大。为了减少控制难度，确保比例控制准确，可以将减水剂加入拌和喷射的水中，充分混合后发生作用，起到减水和速凝的效果。

第三，速凝剂。速凝剂作为喷砼施工的外加剂，可以提升喷砼稳定性，提升喷砼早期稳定性。为了确保速凝效果，需要合理使用速凝剂，根据水泥和砂石的比例选择相应的速凝剂掺量。速凝剂产量不能太多，以免影响喷砼施工质量。

第四，合成纤维。合成纤维能够利用其联结作用，提升混凝土的拌和粘聚性，从而有效降低喷砼回弹量。在原料配合比中，选择合适的合成纤维，选择直径在40~50 μ，单丝长度在7~18 m的合成纤维。合成纤维的量不能太多，一般控制在1.2 kg/m3。将合成纤维加入喷砼施工中，可以提升混凝土强度，提升混凝土年度，减少喷砼收缩裂缝，降低回弹量，改善其表面性能。

第五，坍落度。现场试验研究表明，当喷砼混凝土的坍落度控制在70~90 mm之间时，喷砼的回弹量小，施工强度满足施工需求。因此需要加强原料控制，从材料性质、拌和性能等方面开展控制，确保混凝土拌和性能，并且有效控制其坍落度。

第六，拌和温度。拌和温度对原料拌和具有直接的影响，也会影响到喷砼回弹量。温度太高或态度都将会影响混凝土水化过程，增加混凝土回弹量。因此需要将拌和料温度控制在10~30 ℃之间，拌和期间需要对温度进行实时监测，采取有效控制拌和温度。

4.2 机械设备的控制

选择合适的喷砼设备，能够提升施工质量，有效控制喷砼回弹量。湿喷机的选择是喷砼施工的关键设备之一，可以选择KSP-500型湿喷机。该型湿喷机可以由高压风带，将混凝土拌和料和高压风进行混合后，带到掌子面。湿喷机的喷嘴前细后粗，可以有效提升喷砼速度，从而提升喷砼效率，也能够提升喷砼质量。

4.3 施工技术的控制

喷砼施工技术对喷砼回弹量影响很大，加强对施工技术的公职，严格按照施工要求开展施工，可以提升喷砼施工质量，减少喷砼回弹量。需要按照以下流程加强施工控制。

第一，处理喷面轮廓。首先需要对喷面轮廓进行处理，确保轮廓圆顺，隧道喷砼施工时，必须进行初喷以提升隧道强度。将初喷的厚度控制在4 cm以上。初喷有助于填塞围岩裂缝，从而提升隧道表面强度，以免隧道开挖后崩塌。利用初喷在围岩表面形成坚硬的混凝土壳，加固围岩。

第二，机械设备检查。施工前必须对机械设备进行全面检查，包括喷射机械、压力表、安全阀等，确保设备正常运行，压力表和安全阀等零部件正常工作。平常要做好设备保养，确保设备状态良好。

第三，开机准备。只有在系统风压≥0.5 MPa才能开始喷射施工，如果风压＜0.5MPa就开始喷射会导致导管堵塞。开机后，对风压表进行观察，根据施工情况对风压和风量进行控制。通过控制风压确保喷射情况，保证喷嘴出料符合要求，通常拱部喷砼风压可以控制在0.3~0.5 MPa，边墙喷砼风压可控制在0.2~0.4 MPa。

第四，喷射顺序。严格按照自上而下的顺序进行喷射，以便喷射回弹，导致墙角堆积混凝土，影响喷砼密实度。喷砼施工通常选择分层施工，喷嘴采用螺旋形运行，尽量保持匀速喷砼。

第五，停机操作。喷砼作业完成后，按照规定顺序进行停机操作，首先关闭主电机，然后按照振动电机、速凝剂计量开关、主风阀的顺利依次关闭。

第六，混凝土养护。喷砼施工完成后，需要立即开展混凝土养护工作。喷砼从喷射到终凝的时间为2 h左右。养护期间，开展洒水养护，养护时间≥7 d，不可暴晒，也不可在低温情况下开展养护。

5 结语

综上所述，通过大量现场试验表明，喷砼回弹量受到多种因素的影响，其中原料、级配、用水、风压、喷距、设备等均会对喷砼回弹量造成影响，这些因素之间相互联系又相互制约。在现有的条件下，加强喷砼原料、施工工艺和施工设备的控制，对材料的配合比进行控制以提升混凝土粘接力、控制风压增强混凝土喷射效率、控制喷砼工艺以改善喷砼质量，最终将隧道喷砼工序时间减少了100 min，而且将回弹量控制在17%，达到工程要求标准，有效地控制了喷砼回弹量。在喷砼回弹量的研究中，结合以往的施工经验和现场试验，可以找出相关因素的最佳结合点。在研究的基础上，加强综合控制，可以明显提升施工效益，也可以节约施工成本，推动喷砼工艺的发展。