黄土隧道初支喷射混凝土配合比选定及性能研究

2023-12-27王松科

现代城市轨道交通 2023年12期

王松科

（中铁十八局集团第一工程有限公司，河北涿州 072750）

1 研究背景

我国隧道修建工程蓬勃发展，截至2020 年底，已有16 798 条铁路投入运营，运营里程高达19 630 km，其中高速铁路3 631 条，共计6 003 km[1-2]。我国川藏、滇藏铁路隧道建设过程中面临高地应力软岩大变形、岩爆、高低温、活动带断裂、高原高寒等诸多不良地质和复杂环境问题[3-5]，因此构建行之有效的高性能支护体系是大力推行中西部铁路建设的关键[6]。其中，高早强喷射混凝土（24 h 内喷射混凝土具有10 MPa 以上强度）为关键支护构件[7-8]，对围岩和掌子面在开挖后的变形控制、保障作业安全以及高性能体系的建立至关重要。相关研究人员就高早强喷射混凝土进行了研究，取得的研究成果如下[9-13]：①喷射混凝土施工效率和支护效果取决于3 h 抗压强度，强度愈高效果愈佳；②喷射混凝土的早期强度对着围岩质量有重要影响，隧道施工过程中喷射混凝土快速凝结硬化比慢速凝结硬化的拱顶沉降少；③湿喷混凝土在硫铝酸钙基早强剂与无碱液体速凝剂共同作用下凝结速率加快，3 h 抗压强度可达5 MPa。

依据GB 50086-2011《岩土锚固与喷射混凝土支护工程技术规范》、DL/T 5144-2001《水工混凝土施工规范》规定[14-15]，喷射混凝土配合比设计三大指标为水灰比、砂率、胶凝材料和集料的比例（以下简称“胶集比”）。目前关于高早强喷射混凝土研究主要集中于速凝剂的研究，对于喷射混凝土三大指标和速凝剂对早期强度制约的系统性研究较少。本文以蒙华铁路MHTJ-5 项目张家园隧道为例，对该项目初期支护所用喷射混凝土配合比选定以及性能展开研究。

2 工程概况

蒙华铁路MHTJ-5 项目张家园隧道位于陕西省延安市安塞县坪桥镇坪桥村，进口里程DK275+416，出口里程DK281+704，全长6 288 m，包含Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ3 类围岩。鉴于工程围岩类型，黄土隧道在开挖后自稳性较差，易发生坍塌，构建行之有效的高性能支护体系是解决坍塌的关键，高性能支护体系兼具早期高强度和后期耐久性，早期高强度即喷射混凝土24 h 内具有10 MPa以上强度，喷射混凝土早期高强的发展对掌子面开挖后的变形控制、保障作业安全至关重要。

文章拟采用四因素三水平正交试验手段，旨在分析水胶比、砂率、胶集比、速凝剂掺量4 个因素在3 种配比水平条件下对喷射混凝土早期强度的影响趋势，得出最佳喷射混凝土的条件。基于最佳喷射混凝土配合比采用控制变量手段，即4 个因素中1 个因素水平发生变化，其他3 个因素保持不变，开展喷射混凝土凝结硬化后抗压强度、电通量值、抗渗等级、冻融循环质量损失率性能分析。综合上述喷射混凝土早期强度、凝结硬化后强度、电通量值、抗渗等级、冻融循环质量损失率发展趋势，得出高早强、凝结硬化后强度发展趋势较佳、低电通量值、高抗渗等级、低冻融循环后质量损失率的最佳配合比。

3 配合比选定及性能试验分析

3.1 喷射混凝土配合比设计

依据GB 50086-2011《岩土锚固与喷射混凝土支护工程技术规范》、DL/T 5144-2001《水工混凝土施工规范》规定，湿法喷射混凝土三大指标范围为：水灰比0.42～0.50、砂率50%～60%、胶集比 1 ∶ 3.5～1 ∶ 4.0。基于上述三大指标设计四因素三水平正交试验，试验考察的因素和水平如表 1 所示。为提高喷射混凝土工作性能，在配合比设计时掺加粉煤灰，因此水灰比改为水胶比。

3.2 性能试验分析

3.2.1 正交试验结果分析

对制约喷射混凝土8 h 抗压强度中水胶比、砂率、胶集比、速凝剂掺量的影响因素和水平进行正交试验，以喷射混凝土回弹率计算出极差，结果如表2 所示。从表中数据可以得出以下结论。

表1 试验考察的因素和水平

表2 L9（43）正交分析的实验结果

（1）根据极差的大小，可得出试验因素对喷射混凝土8 h 抗压强度的影响情况。水胶比的变化对8 h 抗压强度极差的影响为0.6，胶集比变化对8 h 抗压强度极差的影响为 0.5，速凝剂掺量、砂率对8 h 抗压强度的极差影响分别为0.4 和0.3。因此，水胶比对8 h 抗压强度影响最大，之后依次为胶集比、速凝剂掺量、砂率。

（2）依据正交试验原理，水胶比因素下Ⅱ水平平均值最大，因此选择水胶比为0.46；胶集比因素下Ⅱ水平平均值最大，因此选择胶集比为1 ∶ 3.8；速凝剂掺量因素下Ⅲ水平平均值最大，因此选择速凝剂掺量为5%；砂率因素下Ⅱ水平平均值最大，因此选择砂率为55%。故而，喷射混凝土8 h 抗压强度最佳条件为水胶比0.46、胶集比为1 ∶ 3.8、速凝剂掺量为5%、砂率为55%。

3.2.2 力学性能、回弹量分析

隧道初支施工中喷射混凝土早期8 h 抗压强度是关键，高早强喷射混凝土有利于隧道结构支撑，防止爆破工序完成后未清理危石掉落，提高施工效率，此外回弹量也是初支喷射混凝土需要考虑的指标，降低回弹量可有效减少对混凝土原材料的浪费、提高施工效率以及控制施工成本支出。为了进一步揭示4 个因素对混凝土抗压强度、回弹量的影响，采用控制变量的方法，1 个因素发生变化，其余3 个因素不变，分析四因素对抗压强度、回弹量的发展规律。

（1）不同水胶比对抗压强度、回弹量影响分析。控制胶集比为1 ∶ 3.8、速凝剂掺量为5%、砂率为55%，水胶比分别为0.43、0.44、0.45、0.46、0.47 时抗压强度、回弹量的发展规律如图1 所示，由图可得：①不同水胶比下抗压强度发展规律呈先增加后降低趋势，水胶比为 0.45 时，8 h、3 天、28 天抗压强度均为最大值；②8 h～3 天抗压强度增长率发展趋势为0.44（131.1%）＞0.45（128.4%）＞0.46（127.4%）＞ 0.47（126.5%）＞0.43（119.8%），3 天～28 天抗压强度增长率发展趋势为0.44（99.2%）＞0.45（97.6%）＞0.46（96.3%）＞0.47（95.2%）＞0.43（95.0%），即水胶比为0.44 时抗压强度增长率最大；③随着水胶比的增加回弹量呈增大趋势，即0.47（18.6%）＞0.46（17.8%）＞0.45（16.9%）＞0.44（14.9%）＞0.43（14.3%），依据设计文件，为提升喷射混凝土的质量、减少原材料的浪费，喷射混凝土要求回弹量大于15%，水胶比为0.43 和0.44 时满足设计文件要求。综合不同水胶比下抗压强度、回弹量发展规律可得，最佳水胶比为0.44。

图1 不同水胶比下抗压强度、回弹量图

（2）不同胶集比下抗压强度、回弹量影响分析。基于上述不同水胶比下喷射混凝土抗压强度、回弹量的发展规律可得水胶比为0.44 时较佳，因此控制水胶比为 0.44、速凝剂掺量为5%、砂率为55%，胶集比分别为1 ∶ 3.6、1 ∶ 3.7、1 ∶ 3.8、1 ∶ 3.9 时抗压强度、回弹量的发展规律如图2 所示，由图可得：①随着胶集比中集料占比组分的增大，抗压强度呈先增后减趋势发展；② 8 h～3 天抗压强度增长率发展趋势为1 ∶ 3.7（131.7%）＞1 ∶ 3.8（131.1%）＞1 ∶ 3.9（129.7%）＞1 ∶ 3.6（127.6%），3 天～28天抗压强度增长率发展趋势为1 ∶ 3.7（99.6%）＞1 ∶ 3.8（99.2%）＞1 ∶ 3.9（98.7%）＞1 ∶ 3.6（96.9%），即胶集比为1∶3.7 时抗压强度增长率最大；③随着胶集比中集料占比组分的增大，回弹量呈增大趋势，即1 ∶ 3.9（16.2%）＞1 ∶ 3.8（14.9%）＞1 ∶ 3.7（14.6%）＞1 ∶ 3.6（14.2%），回弹量越大越不利于喷射混凝土质量控制，同时造成原材料浪费、增大施工成本，因此合理范围内回弹量越小越好。综合抗压强度增长率、回弹量发展趋势可得，最佳胶集比为1 ∶ 3.7。

图2 不同胶集比下抗压强度、回弹量图

（3）不同速凝剂掺量对抗压强度、回弹量影响分析。基于上述不同水胶比、胶集比下喷射混凝土抗压强度、回弹量的发展规律可得水胶比为0.44、胶集比为1∶3.7 时较佳，水胶比为0.44，胶集比为1∶3.7，砂率为55%，速凝剂掺量分别为3.8%、4.2%、4.6%、5.0%、5.4%时抗压强度、回弹量的发展规律如图3 所示，由图可得：①龄期为8 h、3 天时，随着速凝剂掺量的增加抗压强度呈增长趋势，龄期为28 天时，抗压强度随随速凝剂掺量的增加呈先增后减的趋势；② 8 h～3 天抗压强度增长率发展趋势为4.6%（133.3%）＞5.0%（131.7%）＞5.4%（129.2%）＞4.2%（127.6%）＞4.2%（125.0%），3 天～28天抗压强度增长率发展趋势为4.6%（103.4%）＞4.2%（102.7%）＞3.8%（101.9%）＞5.0%（99.6%）＞5.2%（86.0%），即速凝剂掺量为4.6%时抗压强度增长率最大；③随着速凝剂掺量的增大，回弹量呈递减趋势，即3.8%（16.9%）＜4.2%（15.2%）＜4.6%（14.7%）＜5.0%（14.6%）＜5.4%（14.2%），其中速凝剂掺量不低于4.6%时满足回弹量的设计要求，回弹量降低有利于混凝土质量及施工成本支出，因此速凝剂掺量合理范围内选取回弹量越小越好。综合抗压强度增长率、回弹量发展趋势可得，最佳速凝剂掺量为4.6%。

（4）不同砂率对抗压强度、回弹量影响分析。基于上述分析可得，水胶比为0.44、胶集料比为1 ∶ 3.7、速凝剂掺量为0.46 时较佳，水胶比为0.44，胶集比为1 ∶ 3.7，速凝剂掺量为4.6%，砂率分别为52%、53%、54%、55%、56%时抗压强度、回弹量的发展规律如图4 所示，由图可得：①随着砂率的增加，抗压强度呈递减趋势发展；② 8 h～3 天抗压强度增长率发展趋势为52%（135.2%）＞53%（134.9%）＞54%（134.3%）＞55%（133.3%）＞ 56%（130.6%），3 天～28 天抗压强度增长率发展趋势为52%（105.5%）＞53%（104.8%）＞54%（103.7%）＞55%（103.4%）＞56%（95.6%），即砂率为52%时抗压强度增长率最大；③随着砂率增大，回弹量呈递减趋势，即52%（15.2%）＜53%（15.1%）＜54%（14.9%）＜55%（14.7%）＜56%（14.5%），其中砂率不低于54%时满足回弹量的设计要求，回弹量降低有利于混凝土质量、降低施工成本，因此砂率合理范围内选取回弹量越小越好。综合抗压强度增长率、回弹量发展趋势可得，最佳砂率为54%。

3.2.3 抗渗性能、抗冻融循环性能分析

基于上述3.2.2 章节中4 种因素水平下抗压强度、回弹量发展规律可得，水胶比为0.44、胶集比为1 ∶ 3.7、速凝剂掺量为4.6%、砂率为54%时喷射混凝土的抗压强度趋势发展最佳，同时回弹量满足设计文件要求。喷射混凝土在应用过程中面临隧道涌水冲刷、严寒季节时的冻融现象，因此展开最佳配合比抗渗性能、抗冻融循环性能检测研究十分必要。

水胶比为0.44、胶集比为1 ∶ 3.7、速凝剂掺量为4.6%、砂率为54%时硬化混凝土养护28 天后不同冻融循环次数后质量损失率的发展如图5 所示。由图可知，冻融循环次数增多，质量损失率随之增大，冻融循环为250 次时，质量损失率为5.2%，依据GB/T 50081-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》判定混凝土抗冻等级为F200，满足喷射混凝土设计要求[16]。

图5 最佳配合比下不同冻融循环次数后质量损失率

水胶比为0.44、胶集比为1 ∶ 3.7、速凝剂掺量为4.6%、砂率为54%时硬化混凝土养护28 天后不同抗渗等级下未渗水试件的数量变化如图6 所示，随着抗渗等级的增加，未发生渗水的试件个数逐渐减少，抗渗等级为W14 时未渗水试件数量为3 个，依据GB/T 50081-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》判定混凝土抗渗等级为W12，满足喷射混凝土设计要求[16]。

图6 最佳配合比下抗渗等级发展图

4 施工要点及应用效果分析

4.1 喷射混凝土施工要点

喷射混凝土施工要点包括以下几个方面。

（1）初喷水泥砂浆，待终凝后再喷射混凝土，其目的是减少首层粗骨料的回弹量。

（2）喷射混凝土作业时分段、分片、分层依次进行，且每环应封闭及时。分段施工时，每次喷射混凝土完毕预留斜面，斜面宽度为200～300 mm，再次喷射混凝土时，斜面上应用高压水冲洗湿润后再行喷射混凝土。分片喷射要自下而上进行，先喷钢架与壁面间混凝土，再喷两钢架之间混凝土，边墙喷射混凝土应从墙脚开始向上喷射，使回弹不致裹入最后喷层。分层喷射，两层喷射应间隔至少15～20 min，若终凝1 h 后再进行喷射时，应先用风水清洗喷层表面，一层喷混凝土的厚度主要由喷射颗粒间的凝聚和喷射层与受喷岩面之间的黏结力而定，一般情况边墙一次喷射混凝土厚度控制在7～10 cm，拱部控制在5～6 cm，并保持喷层厚度均匀。

（3）喷射速度适当，以利于混凝土压实，风压过大，喷射速度增大，回弹量增加；风压过小，喷射速度过小，压实力小，影响喷射混凝土强度。

（4）喷嘴与受喷面间距宜为0.6～1.8 m，喷嘴应垂直于岩面角度，以使获得最大压力和最新回弹量，但在喷边墙时，宜将喷嘴略向下俯5°～10°，使混凝土束喷射在较厚的混凝土顶端，避免料束中的粗骨料直接与岩面撞击，减少回弹量。喷射混凝土时先喷射钢架背后与围岩间的空隙，喷射密实后，再喷射钢架与钢架间的混凝土，钢架与喷混凝土形成一体，钢架应全部被喷射混凝土覆盖，保护层厚度不小于3 cm。

（5）隧道喷射混凝土厚度大于5 cm 时分两层作业，第二次喷射混凝土在第一层混凝土终凝1 h 后进行。喷射混凝土终凝2 h 后，进行喷水养护，养护时间不少于7 天。喷射混凝土开挖时，下次爆破距喷射混凝土完成时间的间隔不得小于4 h。

4.2 应用效果分析

水胶比为0.44、胶集比为1 ∶ 3.7、速凝剂掺量为4.6%、砂率为54%时，兼具抗压强度发展趋势大、回弹量低、抗冻融循环质量损失率低、抗渗等级高等诸多优点，将该混凝土配合比应用于张家园隧道项目初支用喷射混凝土，该配合比的工程应用实施大幅提高了喷射混凝土的工程质量，有效减少了因回弹量过大造成的混凝土浪费，节约了施工成本。最佳配合比下喷射混凝土现场施工、浇筑示意图如图7 所示。