隧道噴射混凝土施工技術與質量控制淺談

王國煒 劉 菊 孔祥利

0 引言

噴射混凝土技術是新奧法施工的核心內容之一,是初期支護的主要內容。目前有干噴(潮噴)、濕噴和混合噴(SEG式噴)三種方式。

目前,由于濕噴技術具有明顯的優勢,濕式混凝土噴射機在各工程中的應用亦越來越多。但由于存在著一些尚待解決的問題,如成本較高,操作維修繁瑣等原因。對濕式混凝土噴射機的推廣應用起到了一定的阻礙作用,以至于在我國,目前主要的噴射混凝土作業方式仍是干噴。干噴(潮噴)以適應性強,場地需求小,成本低在我國隧道工程中有廣泛應用。其缺點是粉塵大,因而限制了它的發展。我們同時使用過兩種方法:濕噴粉塵減少,但霧狀水泥塵很大,并且每次作業完成后,清洗設備繁瑣,使用液體速凝劑成本較高。我們采用的是改良的潮噴,采取有效措施減少了粉塵,工藝簡單,操作靈活,施工機動,快速,高效,有較強的適應性。

1 噴射作業流程

1.1 準備工作

檢查受噴面的輪廓尺寸,并加以修整,使之符合設計要求。清除受噴面松動巖石、浮碴,并用壓力水或高壓風清洗除掉受噴面的灰塵。檢查機具設備及三管兩線和試運轉。噴射混凝土地段有漏、滴、滲水現象時,應予以及時處理,采取堵、截、排等手段,使噴射面無淋水、滴水現象,以保證混凝土與巖面的粘結良好。

1.2 機械設備

機械設備主要有空氣壓縮機、噴射機、攪拌機。

1.3 混凝土噴射機操作流程

每班作業前,應對噴射機進行檢查和試運轉。

1)開機時應先給風、再給電,當機械運轉正常后送料;作業結束時,應先將拌合料輸送干凈,再停電,最后關風。2)作業完畢或因故間斷時,噴射機和輸料管內的積料,必須及時清除干凈。3)噴射作業。各項準備工作完成后,可以向攪拌機料斗和速凝劑料斗中加滿料。首先打開進風總閥門,上風路閥開啟1/3圈,再調整下風路到0.5 kg/cm2～1.0 kg/cm2空載風壓。這時可以開動攪拌機,并打開供水閥門,向料斗內噴水。只要連續上料處于基本充滿狀態、不使螺旋葉片暴露出來,攪拌機就會自動均勻地攪拌和準確供料。當噴射機料斗內有料時,即可開動噴射機開始作業。此時的工作壓力大約為0.4 MPa～0.5 MPa(取決于拌合料的水灰比大小和輸料管長短)。旋流器風壓(下風路)調整確定后,再次開啟上風路閥門,直到噴射余氣口沒有較多物料泄出為止。上、下風路閥門調整合適后一般無需再動。當班中需要停風時,只需關閉進風管路總閥門即可。作業中,若發現混合料堆積在攪拌機料斗篩網上時,應及時打開振動器閥門,加速振動篩下料,再將雜物揀出,需要停攪拌機時一定要把供水閥門同時關閉。

短時中斷噴射作業時,可以隨時停機、停風,無需清理。拌合料和速凝劑可以滯留在料斗中,但一定要關閉供水閥門。長時間停頓或每班工作結束時,首先要停止加料,待攪拌機料斗排空后加入一定數量不含水泥的純砂石,并加大向料斗的噴水量,保持機組運轉,直至料腔中的物料排完為止,而后停機。停機后,應將輸料管中的殘料吹出去,當沒有物料從噴頭噴出時,再關閉噴頭水閥。最后關閉總進風管路閥門。

2 隧道噴射混凝土的配合比設計

2.1 原材料要求

1)水泥:對水泥的要求是摻入速凝劑后凝結快、保水性好、早期強度高、收縮小。實踐中一般選用普通硅酸鹽水泥。2)砂:噴射混凝土用砂最好選用中粗砂,細度模數大于2.5,含泥量小于5%,含水率以5%～7%為宜。3)碎石:卵石或碎石均可,但以卵石最好,其最大粒徑不宜大于15 mm且應選用連續級配的骨料。4)水:噴射混凝土用水要求與普通混凝土相同。5)外加劑:噴射混凝土的外加劑主要是速凝劑。

2.2 混凝土配合比設計

1)灰骨比:適宜的比例為 1∶4～1∶4.5,水泥過少,回彈量大,初期強度增長慢,水泥過多,粉塵大,硬化后收縮大,水泥用量不能超過400 kg/m3。2)砂率:砂在整個細骨料中所占的百分率對噴射混凝土的施工和力學性能有顯著影響。綜合考慮,以45%～55%為宜。3)水灰比:適宜的水灰比是0.4～0.5,在這一范圍內,混凝土表面平整,呈水亮光澤,回彈和粉塵均減少。偏離這一范圍,不僅降低噴射混凝土強度,回彈量也會增加。

3 施工控制及養護

3.1 施工控制方案

1)風壓控制:在噴射混凝土作業時,輸料管長度應控制在20 m左右,噴嘴與出料口的高差不超過5 m,實踐表明當噴嘴處的風壓穩定在0.1 MPa～0.2 MPa范圍內時,對回彈控制最為有利,此時空壓機上壓力表的讀數為0.2 MPa～0.45 MPa,因此風源風壓應控制在0.4～0.65范圍。施工中發現,當壓送距離、軟管或配管的直徑發生變化時,空氣壓力要視噴射的狀況和粘附程度加以修正,風力過大或過小,都會導致回彈量增加。2)水壓控制:噴水嘴處水壓應比輸料管風壓高 0.1 MPa～0.15 MPa,且噴水作業區的系統水壓應大于0.4 MPa,此時噴射混凝土效果最好。3)噴射角度:在噴射平整的受噴面時,噴嘴應與受噴面垂直,如噴射混凝土射流不能與受噴面垂直,將會造成回彈量加大和密實度降低,強度也會大大降低。4)噴射距離:施工中通常的做法是:在噴頭上接一個直徑為100 mm,長為0.8～1.0的塑料管,它的作用是使水泥與水充分拌和,混凝土束集中和回彈骨料不致傷害噴射手。調到適合風壓后,噴嘴與受噴面最佳距離為0.8 m～1.2 m。5)噴射方法:為減少混凝土因重力作用而引起的滑動或脫落現象,噴射時應按分段、分部、分塊,自下而上,先邊墻,后拱角,最后拱頂的原則進行。噴頭正對受噴巖面均勻而緩慢的以順時針方向做螺旋形移動,可形成均勻的噴射混凝土,可保證回彈量最小。6)噴射人員:主要是噴射手。噴射手在操作過程中應先找一面或者在地上試噴一下,選定最佳的水灰比,然后按噴射規程操作。7)一次噴射厚度及各噴層間的時間間隔:混凝土一次噴射厚度水平方向為7 cm～10 cm、向上為5 cm～6 cm、向下為10 cm～15 cm。各噴層間的時間間隔與水泥品種、施工溫度、速凝劑質量等因素有關,根據經驗,一般間隔時間為20 min～30 min。

3.2 混凝土養護方案

混凝土終凝后2 h,即應開始灑水養護,養護時間不得少于14 d,灑水次數以能保持混凝土充分濕潤為度。

4 噴射混凝土的質量檢查

4.1 噴射厚度的檢查

噴射前用PVC管固定在巖體上,其外露長度比設計噴層厚度大5 cm,隧道每10 m檢查一個斷面,縱橫向1 m～2 m各設一根,作施工控制和檢查用。

合格條件:每個斷面上,全部檢查孔及PVC管處噴層的厚度,60%以上應不小于設計厚度,其余均不小于設計厚度的1/2。

4.2 強度檢查

噴射混凝土強度檢查主要做抗壓強度試驗,需要在噴射施工時采集、制作試件,制作抗壓強度試件的方法主要有噴大板切割法、鑿方切割法兩種。

噴大板切割法:施噴的同時,將混凝土噴射于45 cm×35 cm×12 cm(可制6塊)或45 cm×20 cm×12 cm(可制3塊)的模板內,噴完后立即將表面輕輕抹平,待達到一定強度后,用切割機去掉周邊,加工成10 cm×10 cm×10 cm的立方體試件,在標準條件下養護28 d,而后進行試壓。

鑿方切割法:在具有一定強度的噴射混凝土層上,用鑿巖機打密排鉆孔,取出長約35 cm、寬約15 cm的混凝土塊,用切割機加工成10 cm×10 cm×10 cm的立方體試件,在標準條件下養護28 d,而后進行試壓。

5 安全防護措施

施工中必須采取加強通風、噴霧灑水、控制砂石含水率、使用適宜的工作風壓、掌握恰當的水灰比等綜合措施,盡量降低粉塵濃度。機械上配備的壓力表、安全閥,使用前應進行耐壓試驗,合格后方可使用。

另外,噴射混凝土易產生粉塵,不僅會影響環境,還會損害施工人員健康。干噴法噴射混凝土作業產生的粉塵主要是水泥,其中有時也含有少量的二氧化硅。它可能引起肺氣腫等疾病,可采取下列措施以減少粉塵:1)適當增加砂的含水量,以6%～8%為宜,對減少粉塵有明顯效果。2)適當增加骨料含水量,采用潮式干噴。3)拌合機拌和加料順序:先放入一般碎石,再放入砂、水泥、速凝劑,最后放入另一半碎石。4)加強通風,以迅速排除作業面產生的粉塵。5)采用雙水環供水的噴嘴,使干料得到充分濕潤,以減少粉塵。6)加長噴嘴管長,以400 mm～1000 mm為宜,以增加水與干料混合的機會,使水泥顆粒充分潤濕,降低粉塵。

[1]JTG F60-2009,公路隧道施工技術規范[S].

[2]TB 10204-2002/J 163-2002,鐵路隧道施工規范[S].

[3]GB 50299-1999,地下鐵道工程施工及驗收規范[S].

[4]李福勇.軟巖大跨隧道施工技術探討[J].山西建筑,2009,35(5):292-293.