严寒地区铁路隧道湿喷混凝土质量控制措施分析

刘涛

（中铁二十三局集团第二工程有限公司， 黑龙江 齐齐哈尔 161000）

针对严寒地区铁路隧道复合支护建设上， 喷射普通与钢纤维两种混凝土是十分关键的内容， 并且大多采用湿喷形式。 相比于浇筑方式， 喷射拥有着易于操作、 强度与密度大等众多优点。 特别是在面对围岩较为松软地质时通过增加以钢拱架、 钢筋网与系统锚杆的加固支护后能够起到良好稳固效果。结合实践可知， 隧道建设中受山体破坏应力改变影响， 围岩必然出现形变， 所以我们就需要借助于支护结和围岩自承能力严格控制围岩应力释放， 从而达到应力在可释放范围内而不是彻底释放。 但就实践情况来看， 严寒地区在低温冻融下隧道衬砌往往易于受损， 这样一来便造成其受力结构因此而大大减弱， 影响安全行车。 另外， 在此类区域混凝土普遍存在回弹量大、 稳定性不足、 强度弱等问题， 给铁路隧道施工质量造成负面影响。

1 喷射混凝土施工工艺与机械原理

1.1 干喷混凝土施工的特点

在严寒地区， 湿式喷射工艺应用优势比干式喷射混凝土工艺更显著。 后者虽有着更远工作距离且作业面平整性高， 然而其混凝土强度明显不足。 这是因为该工艺原来拌合是在喷嘴外完成， 这样就容易造成水胶比不当以及所制成混凝土有较高回弹量，同时隧道内作业场所粉尘漂浮物较多， 在一定程度上对混凝土质量造成不利影响。 两者相较而言， 湿式喷射工艺成效更显著， 因素湿喷混凝土技术受到广泛青睐。

1.2 湿喷混凝土施工的优点

在湿喷混凝土施工中， 所有混合骨料除了速凝剂外， 其他拌和材料均在拌和站内进行， 当速凝剂与拌和材料充分搅拌均匀后由喷头利用高压风喷射而出。 值得注意的是， 必须严格控制混合骨料配比、混凝土均质性， 只有这样才能确保水泥水化程度，用以提高混凝土稳定性。 同时， 湿喷混凝土施工粉尘回弹量相对较小， 对环境污染、 施工质量具有研究价值[1]。

2 湿喷机型号及人员配备

湿喷机型号为铁建重工HPS3016SW， 规格为11234mm×2500mm×3198mm， 其中柴油机功率、电机功率分别为75KW 和55kW， 输送频率为30m3/h。 平均一台湿喷机至少需要配置两名操作人员， 其中一人为前台指挥， 一人为喷射手。

严格把控喷射混凝土配合比至关重要。 在施工过程中， 技术人员要充分考量混凝土强度、 机械手适用性及混凝土回弹率， 只有不断优化、 调整配合比， 才能确保喷射混凝土质量达到铁路隧道施工要求。

1） 湿射混凝土配合比设计应满足以下要求： ①满足密实性、 高强度、 耐久性要求， 同时混凝土配比设计强度必须符合钢架、 受喷面黏结力标准； ②喷射混凝土应满足射程、 喷射厚度要求， 并且确保回弹率低； ③避免喷射面坍塌或堵管现象发生， 确保机械手适用性。

2） 合理设计喷射混凝土配合比： ①胶骨比。 同一规格混凝土其材料用量不同对骨胶比影响不同；②砂率。 细砂、 中砂和砂率对喷射混凝土性能产生不同影响； ③水灰比。 同一单位混凝土其水灰比不同对混凝土性能影响不同； ④合理化速凝剂掺量。在进行喷射混凝土施工中， 把控好速凝剂掺量， 以结构强度为导向对混凝土早、 中、 后期进行设计，同时采用现场验证、 试验方式检验喷射混凝土配合比设计是否科学合理。 值得注意的是， 液态速凝剂掺量不得小于或等于水泥掺量7%。

3 施工工艺及质量控制

在严寒地区铁路隧道湿喷混凝土施工过程中，应加强施工工艺及质量控制， 用以减少混凝土回弹，从而保障湿喷混凝土强度。

1） 湿喷混凝土搅拌。 该混凝土是通过强制式搅拌机来完成， 并且配比计量由设备根据设定进行放料， 拌和时长不得小于2min， 速凝剂由机械手自动化加入， 值得注意的是， 湿喷混凝土拌和速度与罐车运输速度相匹配， 避免混凝土坍落造成不必要浪费。

2） 保持岩面平整洁净。 可以借助高压风将岩屑、 浮尘等杂质清理干净， 增加岩面与混凝土附着力。 值得注意的是， 假设存在岩面渗水情况要及时处理， 堵水成功后方能喷射混凝土。 通常在渗水处采用湿喷方式将其封住， 仍有大股水渗漏现象则采用导管注浆堵水方式； 或者采用导管将裂隙渗水、小股水排出， 用以保持岩面平整度。

3） 喷射厚度和工序。 严格遵循“先墙后拱”喷射原则， 初喷前， 应预埋好控制喷射厚度钢筋头，通常埋设在拱脚和拱顶两侧， 同时大致喷平低洼处，首喷厚度不得小于40mm。 复喷时， 应遵循分层、 分片、 分段由下而上进行喷射， 注意喷射厚度边墙控制在7 ～10cm， 拱部控制在5 ～8cm， 分段喷射时长度不得小于6m。 其次， 壁面与钢架之间应先喷壁面和钢架连接处再喷两钢架接缝处。 此外， 断面开挖采用台阶法。 当上下导坑均有喷射任务时， 那么应遵循下导钢架、 上台阶钢架喷射顺序[2]。

4） 射程和喷射角度。 喷射时， 确保喷面和喷头处于垂直， 并且严格控制喷面和喷头距离在0.8 ～1.2m之间， 避免回弹率过高。 同时边墙回弹率控制在10%、 拱部回弹控制15%左右。 值得注意的是，喷射过程中出现钢筋网、 钢架覆盖于喷面上， 需要根据现场要求调整喷面距离与喷射角度， 确保钢筋网及钢架背面均喷填到位。 喷射仰拱和边墙时， 避免回弹物黏附在下半断面喷层中形成“气泡” 对支护能力造成负面影响， 因此需要清理干净上半断面拱脚喷射产生回弹物， 用以保障喷射混凝土强度。

5） 严格控制混凝土坍落度。 阻力过大混凝土坍落度不足则容易引发堵管或冲掉塑料喷头现象， 只有将混凝土坍落度控制在（160 ±20） mm， 才能确保喷射质量， 从而保障工效。

6） 喷射混凝土厚度。 一般情况下， 复喷比初喷回弹要小且相对稳定， 初喷时回弹最大， 当喷射厚度大于2cm时， 则回弹趋于稳定。 值得注意的是，湿喷过程中， 混凝土掉块时有发生， 由一次喷射过厚造成的， 因此需要待混凝土初凝后方能继续复喷。最后， 清洗终凝喷层杂质， 1h 后再进行喷射。 喷射任务完成后， 统一对混凝土厚度、 表面平整度进行检查， 一旦出现喷射密实性不足、 拱架外露、 空洞等现象要复喷处理。

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7） 堵管措施。 一般情况下， 自动化机械手很少出现湿喷堵管现象， 假设出现堵管应遵循以下关闭顺序： 关闭机械手、 计量泵、 风阀、 振动装置。 确定所有组件处于断电状态后利用清水冲洗输送管和机舱等， 恢复喷射工作前必须确保管路处于畅通状态。

8） 超喷处理。 超喷处容易产生积压， 施工人员应将其铲平后再进行补喷， 确保铲口平整后方能进入下一道工序， 避免喷射不当造成衬砌空间被侵占现象。

9） 混凝土养护。 混凝土养护得当有利于提高混凝土稳定性、 高强度、 密实性。 首先， 确保水泥充分水化， 规避混凝土裂缝、 气泡、 收缩等问题。 其次， 混凝土施工结束后， 介入洒水养护方法， 养护时长不得低于14d。 当然， 具体情况被现场情况而定， 比如在严寒地区， 当温度低于5℃时， 应采用喷雾养护更为适宜。

10） 喷射作业质量控制。 在开展喷射作业前现场人员必须确保输料管长度达到方案要求。 作业开始后施工人员应当严格按照操作规程控制好喷射角度要和作业面呈90°， 否则不仅会导致混凝土浪费，同时还容易导致其回弹量与强度达不到方案要求。喷射作业中除控制好与作业面距离以外， 还需按照方案采取分段循环+逐层方式， 并严格依据规范控制各层厚度及喷射时长。 喷射机运转过程中应控制好风压以使其始终保持在规定值内。 最后， 若是隧道围岩出现线状渗（漏） 水情况时现场人员应对该处做堵水处理， 而后才开展喷射。 若隧道围岩发生涌水情况就应当马上采取化学灌浆或注浆方式处理，待停止方可喷射[3]。

11） 隧道保温。 相较于其他区域， 严寒地区因温度低而容易发生结冰情况， 这不但对铁路隧道建设进度和安全带来不良影响， 同时还会造成喷射混凝土质量下降， 最终导致项目整体达不到方案要求，因此要做好隧道保温工作。 为避免给排水管道发生结冰， 处于隧道外管路应采取棉被包住。 若条件应允或方案有所要求， 给水管道采取两层方式， 即内部小管加上电热水， 然后在该基础上套上一个大点的塑料管， 这样一来能够很好地进行保温。 隧道挖掘前期由于长度短为了保温， 企业可利用塑料或棉布在洞口设置门帘， 同时要做好内部通风， 并派专人指挥人车进出。 最后， 铁路隧道施工现场包括途经道路、 转渣场等区域需派遣专人开展除雪（冰）、清理杂物等清洁工作， 以此防止结冰影响建设效率及安全。

4 混凝土拌制运输

在进行混凝土搅拌时， 依次按照以下顺序将混合骨料加入其中， 投放顺序为： 砂→碎石→水泥→水， 继而投入SG稠度剂， 注意设置搅拌不得低于120s， 随后投入DEL稳定剂混合搅拌， 值得注意的是， 搅拌时长控制在2 ～4min 为宜。 就以往实践经验可知， 搅拌时长低于2min， 不足以使稳定剂均匀分布在混凝土当中， 而高于4min 则稳定剂性能受到不同程度破坏， 从而对混凝土拌制质量造成负面影响。 其次， 在混凝土罐体车行驶过程， 通常保持转动状态， 用以避免混凝土初凝现象。 此时应注意观察稳定剂投入后， 假如在2h 内混凝土喷射成功， 那么搅拌结束， 反之， 持续搅拌则会影响稳定剂性能甚至稳定剂功能消失。 除此之外， 混凝土取样至关重要， 以防混凝土无法正常喷射或出现机械故障时，可及时送检。 首先， 取出部分混凝土置于样品袋中，认真观察混凝土状态， 一旦出现堵管或喷射不及时，则有可能是TBM机械故障， 基于此， 应立即将样品送检并观察检验样品是否有异样， 有利于快速排查故障原因， 及时处理， 投入使用。 一般情况下， 坍落度应控制在14 ～18cm， 假设检验样品不合格则运输罐内混凝土应全部作废或降级使用[4]。

5 特殊情况下的喷射工艺

对于特殊部分喷射工艺十分讲究， 应引起高度重视， 有利于提升湿射混凝土质量均质性、 密实性。比如对挂钢筋网区域进行喷射时， 常常出现混凝土层呈波浪状， 这是由于喷射过程中混凝土喷头喷射角度不合理造成的。 基于此， 混凝土喷头应与岩面保持垂直， 尔后进行喷射任务有利于确保混凝土喷射均匀、 平整， 从而规避岩面波浪起伏。 其次， 在进行全圆钢拱架区域喷射任务时， 普遍面临岩石破碎问题， 因此， 填充岩面裂缝、 空洞成为混凝土喷射工作第一步， 填充质量与喷射效果紧密相连。 首先， 喷射由下而上由拱架底逐渐向拱顶缓慢移动，注意喷头与喷面呈两条平行线， 同时喷头方向保持一致， 不得随意转动。 另外， 采用喷射混凝土方式对围岩和钢拱架缝隙进行填充并确保达到一定密实度， 只有用混凝土将钢拱架包裹严实， 才能形成强有力抗拉力体系， 从而提升喷射混凝土整体受力。除此之外， 喷射过程中对于混凝土掉落部位不得立即进行补喷， 通常10 ～15min 后方能进行二次喷射，用以提高混凝土喷射质量。 反之， 立即补喷则会引起混凝土相继脱落， 且掉落面积逐渐扩大。 值得注意的是， 喷射过程中常常出现凸包， 这是由于喷头随意旋转造成的， 不仅影响美观， 还会对混凝土密实性造成不利影响， 因此施工单位应树立良好施工意识、 提高施工人员专业技能水平， 从根本上保障喷射混凝土质量。 最后， TBM 掘进后， 隧道断面光滑呈圆形。 众所周知， 隧道工程大部分接触地下环境居多， 积水、 低洼地段屡见不鲜， 因而加剧了喷射难度。 光滑平整岩面不利于产生附着力、 粘结力，因此喷射混凝土和岩面粘结力不足， 最终导致混凝土垮落。 基于此， 初喷前应采用导管法将渗漏水排放干净， 再利用喷射方式进行防渗补漏措施[5]。

6 施工中应注意的事项

严寒地区铁路隧道湿喷混凝土施工是一项系统性工程， 不仅施工细节繁琐， 对施工工序、 施工人员专业性、 业务能力、 混凝土配比、 搅拌方式等提出高要求。 因此， 在施工中应注意以下细节， 用以保障喷射混凝土质量。

1） 确保原材料质量。 严寒地区铁路隧道喷射混凝土建设质量很大程度与原材料相关联。 因此企业需确保其质量。 粗河沙选用上应严格依据方案要求一是确保其细度模数， 二是硬度与洁净度也要合规。碎石选用上则是基于输送管路大小来定， 一般情况下前者直径要小于后者1/4， 同时其硬度、 耐性也必须满足方案标准。 水泥选用上应以凝结时间少，硬度大为基准。 通常情况下可以采用硅酸盐水泥。同时出于保障其性能与质量考量， 水泥应防潮存放，并且超出生产日期15d 的产品不可再用。 最后速凝剂与减水剂选用上， 企业必须以设计规范、 施工方案为依据来确定。 通过加入这两种添加剂不但能够增强混凝土强度， 同时对于提升其渗透性也大有帮助。 另外， 还需提高混凝土拌和质量和原材料检测力度， 从根本上确保喷射混凝土质量不受影响。

3） 利用水泥浆润滑送料管与混凝土输送泵是喷射前期准备工作之一， 有利于混凝土顺利喷出； 喷射任务完成后， 必须将管路内残留混凝土清理干净。

4） 喷射混凝土质量与喷射工长紧密相连， 因此施工人员应深刻学习喷射相关知识、 提高自身专业技能水平， 同时还要总结好各种地质中作业经验，以便于后续其他项目建设中可以更好地开展喷射施工。

5） 确保施工人员劳动保护权益不受侵犯， 因此必须做好施工安全保护措施， 比如混凝土喷射任务过程中设置喷射工长站位， 避免混凝土坍塌引发伤人事故[6]。

6） 强化养护。 待喷射作业结束后企业就应当开展养护工作， 这样做目的在于避免混凝土因化学反应热出现裂缝。 通常终凝2h 后现场人员就可以对其进行洒水， 随后结合表面湿润程度以及相关规范明确每回水量与单日次数， 另外养护天数应达到28d。

7 喷射混凝土质量评定

喷射混凝土质量主要取决于回弹率、 岩石与混凝土附着力、 喷层厚度及强度。 基于此， 只有不断深化研究各个环节， 才能确保喷射混凝土质量达到严寒地区铁路隧道湿喷混凝土施工要求。 以下进行一一详细说明。

7.1 抗压强度

条件允许情况下， 施工企业可以根据施工现场、施工要求结合实践经验， 采用喷试模法制取试块进行模拟试验， 试验贯穿全流程， 涵盖制备阶段、 养护阶段等， 并严格依据方案要求完成28d 养护检测其抗压强度。 据统计， 平均值28.7MPa； DK346 +499 ～DK346 +502 段混凝土抗压强度试验结果。

7.2 喷层厚度

进行喷射混凝土施工时， 对有锚杆地段进行湿喷施工时， 充分利用锚杆露头； 标准施工条件下，检测喷射厚度通常采用凿孔法进行。 值得注意的是，注水严重路段除外， 其他路段湿喷混凝土厚度应超过设计厚度。 一般情况下， 5cm、 8cm、 10cm为常规设计厚度， 湿喷混凝土厚度视施工需要、 实际情况而定[7]。

7.3 混凝土与岩石黏结强度

混凝土终凝后， 施工人员应及时检测混凝土是否满足施工标准， 一般来说利用铁锤敲击即可。 在该检测中若没有出现混凝土洞就表明其与岩石黏结性、 紧密性良好[8]。

7.4 喷射材料的回弹率

据调查显示， 标准施工条件下， 除积水、 低洼地段外， 其他干燥、 无水地段其回弹率低， 且控制在8%左右为宜； 而对于注水严重地段其回弹率较高， 说明岩层与混凝土附着效果、 黏结性不强， 基于此， 施工人员应采取相应措施， 将回弹率调整在可控范围之内[9]。

8 结语

综上所述， 在喷射混凝土施工技术中， 湿喷混凝土技术效果明显优于干喷混凝土， 因此得到广泛应用。 尤其在严寒地区铁路隧道建设中， 能够突破干喷混凝土瓶颈， 较好地提高喷射混凝土质量， 攻克混凝土强度不足问题， 从技术上保障了混凝土紧密性、 回弹率。 此外， 随着时间推移， 施工人员积累不同地质条件下不同喷射经验， 为后续深化研究喷射混凝土技术提供可靠支持。 同时， 施工单位应组织开展湿喷混凝土公益活动， 以教育培训为抓手，最大限度提升工作人员专业技能水平、 专业知识储备， 避免堵管、 喷射不及时等问题出现， 从根本上保障喷射工长。 值得注意的是， 针对有水地段喷射混凝土工艺是湿喷混凝土未来主要研究课题， 应引起高度重视。 其次， 湿喷混凝土具有生产率高、 回弹率低、 粉尘少等优势， 是一项值得推广应用技术，不仅混凝土质量稳定性显著， 还能规模化生产， 作为一种崭新施工工艺值得基层推广使用。