隧道噴射混凝土施工質(zhì)量控制

曾 旻，劉 艷，楊文平，王 超

（中交一航局第四工程有限公司蘭渝項目部，天津 300456）

0 引言

為配合開挖，隧道工程中必須及時對開挖面進(jìn)行支護(hù)，錨噴支護(hù)為當(dāng)前主要的支護(hù)方式。在錨噴支護(hù)中，噴射混凝土具有施工速度快、支護(hù)及時、施工安全等特點(diǎn)，主要起到支承和膠結(jié)、填平補(bǔ)強(qiáng)、覆蓋封閉圍巖、提高抗?jié)B性能及分配擴(kuò)散外力的作用，以提高隧道圍巖的彈性抗力和穩(wěn)定性。錨噴支護(hù)中，混凝土作用效果受多方面因素的影響，如：施工材料、混凝土的配合比、現(xiàn)場的工程地質(zhì)狀況（滲水、漏水、涌水、巖層風(fēng)化）、開挖情況以及現(xiàn)場施工、后期養(yǎng)護(hù)等因素。如何很好地解決這些因素對噴射混凝土作用效果的影響，控制噴射混凝土的質(zhì)量，已成為隧道初期支護(hù)施工中的一個重要課題。本文以蘭渝鐵路LYS—6標(biāo)段隧道為例，分析隧道噴射混凝土的施工質(zhì)量控制。

1 工程概況

蘭渝鐵路LYS—6標(biāo)段正線線路總長77.09km,位于甘肅、陜西、四川三省交界處，沿線有隧道13座，共計69 370延米，占全線總長度的91%。隧道區(qū)在大地構(gòu)造單元中處于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺之龍門—大巴山緣褶皺帶，該褶皺帶形成了一系列北東向的斷層和褶皺。標(biāo)段內(nèi)散布著洪積粗角礫土、志留系板巖、白云巖、炭質(zhì)千枚巖、板巖夾變砂巖、千枚巖等軟弱巖層。為適應(yīng)這種構(gòu)造，隧道開挖采取新奧法，采用錨桿和噴射混凝土為主要支護(hù)手段。因此，噴射混凝土質(zhì)量控制的好壞成為決定新奧法是否有效的關(guān)鍵因素，也是全線施工安全質(zhì)量是否可行的重要因素。隧道全線共需噴射混凝土56萬m3，體積數(shù)量極大，成本消耗極高。

2 原材料控制

2.1 拌和用水

隧道工程中多以飲用水作為拌和用水，對于pH值小于4的酸性水、含硫酸鹽量（SO4）超過水量1%、堿含量超標(biāo)的水以及含有影響水泥正常凝結(jié)與硬化的有害物質(zhì)的水均不得使用。

本工程屬于廣元地區(qū)，多以山泉水為主。經(jīng)檢驗符合《鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)》（TB 10424—2010）的要求，可以用于隧道施工，但汛期要按期（每周一次）對水質(zhì)進(jìn)行抽檢試驗，以確保拌和用水的質(zhì)量。

2.2 水泥

水泥作為噴射混凝土的主要膠凝材料，在選擇水泥品種時，要注意水泥與速凝劑的相容性問題，尤其注意水泥與速凝劑作用后的凝結(jié)時間。根據(jù)國內(nèi)施工經(jīng)驗，噴射混凝土可選用硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥和快凝快硬的“雙快型”硅酸鹽水泥。

通過試驗，四川川煤P.O 42.5普通硅酸鹽水泥符合配制噴射混凝土的要求，它不僅與速凝劑具有較好的相容性，而且強(qiáng)度高（尤其是3d強(qiáng)度達(dá)到31.8MPa），抗?jié)B性和耐久性好。其與適量的速凝劑作用后，混凝土的初凝時間在5min以內(nèi)，終凝時間多在10min以內(nèi)，是用于噴射混凝土的理想膠凝材料，而且其各項性能指標(biāo)符合《鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)》（TB 10424—2010）要求。

在施工過程中，本工程加強(qiáng)對進(jìn)場水泥的抽檢并按月繪制水泥強(qiáng)度監(jiān)控圖（見圖1），以確保水泥質(zhì)量，并取得了良好的效果。

圖1 2013年4月水泥抗壓強(qiáng)度結(jié)果監(jiān)控圖

2.3 骨料的控制

混凝土的強(qiáng)度除取決于骨料自身的強(qiáng)度外，還取決于水泥漿與骨料的粘結(jié)強(qiáng)度及骨料的含泥量，同時骨料表面越粗糙，界面粘結(jié)強(qiáng)度越高。試驗表明噴射混凝土粗骨料最大粒徑應(yīng)不大于16mm、含泥量不大于1.0%，而且細(xì)骨料的細(xì)度模數(shù)應(yīng)控制在2.2～2.8之間。在一定范圍內(nèi)，骨料粒徑、細(xì)度模數(shù)及含泥量越小，分布越均勻，混凝土強(qiáng)度越高，回彈量越小。

通過對權(quán)子埡隧道進(jìn)口進(jìn)行施工對比試驗得出，噴射混凝土宜選擇最大粒徑為10mm的碎石及細(xì)度模數(shù)在2.2～2.5之間的河砂，這樣既提高了該混凝土的勻質(zhì)性及強(qiáng)度，又加強(qiáng)了外觀平整度。本工程中，骨料的控制主要以源頭控制為主，其他方式為輔，具體通過以下方式來控制骨料的質(zhì)量。

2.3.1 選擇合理的區(qū)域

通過甄選原材料生產(chǎn)地來控制骨料的質(zhì)量是提高骨料整體質(zhì)量的關(guān)鍵。本標(biāo)段所處廣元地區(qū)雖為山區(qū)，但多以風(fēng)化巖為主，能夠生產(chǎn)合格骨料的地方不多。因此，通過對施工范圍內(nèi)進(jìn)行地質(zhì)勘測等手段，在朝天區(qū)羊木鎮(zhèn)發(fā)現(xiàn)一處可以生產(chǎn)合格骨料的場地。

2.3.2 甄別生產(chǎn)廠家

骨料通過碎石機(jī)械如顎式破碎機(jī)（粗碎，中碎，細(xì)碎）、反擊式破碎機(jī)、錘擊式破碎機(jī)、聯(lián)合破碎篩分設(shè)備來破碎篩分，廠家機(jī)械設(shè)備的好壞直接決定了骨料的質(zhì)量，通過甄別具有生產(chǎn)能力的廠家來控制骨料的質(zhì)量是非常有效和重要的一步。

2.3.3 加強(qiáng)料場的現(xiàn)場管理

骨料送到現(xiàn)場后，一般在料倉保存一段時間。因此，料倉的遠(yuǎn)近直接影響著骨料的質(zhì)量，如位于花石隧道進(jìn)口處的骨料存放倉，因其與出渣路較近，出渣車經(jīng)過會使骨料表面粘附很多粉塵，從而骨料的含泥量增大。為此要合理的選擇骨料存放倉的位置，或采取噴水和掩蓋的手段進(jìn)行保護(hù)。

2.3.4 建立長效的監(jiān)督機(jī)制

為保證骨料的質(zhì)量滿足要求，需選擇固定料源供應(yīng)，并派專職人員駐地監(jiān)督，同時試驗人員對進(jìn)場骨料及時進(jìn)行檢驗，對不符合要求的材料立即清場。

2.4 活性摻和料控制

噴射混凝土中活性摻和料代替部分未水化的水泥，不僅可以降低成本，最主要的是可以利用活性材料中的活性成分（主要是Si02與A403）與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2進(jìn)行二次反應(yīng)，生成含水硅酸鈣與含水鋁酸鈣。新生成的水化產(chǎn)物不僅提高了噴射混凝土的強(qiáng)度和致密性，而且提高了其抗凍、抗?jié)B、抗腐蝕等性能，更重要的是明顯降低了混凝土的回彈率。活性摻和料主要為粉煤灰、礦粉和硅灰。

通過配合比試配試驗，得出：粉煤灰、礦粉和硅灰“三摻”效果最佳，且最佳摻量約為膠凝材料的25%（粉煤灰10%、礦粉10%及硅灰5%）。在此摻量下，混凝土成本和回彈率最低，平整度、強(qiáng)度和抗?jié)B性最好，利于施工。

2.5 外加劑控制

為降低用水量、降低回彈率和粉塵率，使噴射混凝土早凝早強(qiáng)，必須使用外加劑。其中速凝劑要求較高，應(yīng)采用符合質(zhì)量要求并對人體危害性很小的速凝劑。摻加速凝劑之前，應(yīng)做速凝劑與水泥的相溶性試驗及水泥凈漿速凝效果試驗，初凝時間不應(yīng)大于5min，終凝時間不應(yīng)大于10min，并將速凝劑溫度控制在10～20℃，不宜暴曬。

通過在權(quán)子埡隧道進(jìn)口進(jìn)行工藝性試噴試驗，得出實(shí)際使用時速凝劑的最佳摻量為3%～5%，拱部最佳摻量為4%～5%，邊墻為3%，試驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 速凝劑摻量與噴射混凝土強(qiáng)度及回彈率關(guān)系圖

3 配合比控制

噴射混凝土配合比設(shè)計應(yīng)滿足下列要求：必須能保證混凝土向上噴射到指定的厚度，并且回彈最少；4～8h的強(qiáng)度應(yīng)具有能控制變形的能力；在速凝劑用量滿足可噴性和早期強(qiáng)度的要求下，必須達(dá)到設(shè)計的28d強(qiáng)度，有良好的耐久性，回彈量少，不發(fā)生堵管；當(dāng)圍巖滲水時，噴射混凝土應(yīng)滿足抗?jié)B要求。噴射混凝土配合比設(shè)計關(guān)鍵指標(biāo)是水灰比、砂率及礦物摻合料的使用。

參考致密堆積試驗方法進(jìn)行C25噴射混凝土配合比的設(shè)計，蘭渝鐵路C25噴射混凝土配合比材料用量如表1所示。

表1 不同混凝土配合比試配材料用量及試驗結(jié)果分析

試驗結(jié)果表明：噴射混凝土的最佳水膠比為0.41，最佳砂率為50%，摻加10%粉煤灰、10%礦渣和5%硅灰時達(dá)最佳坍落度100mm。各組配比坍落度試驗結(jié)果見圖3。同時參考28d齡期時抗壓強(qiáng)度42.9MPa及抗?jié)B性能，編號為8的一組為最佳，故在施工時選用此配比。

圖3 不同配比時混凝土的坍落度

結(jié)合室內(nèi)研究成果，在權(quán)子埡隧道進(jìn)口進(jìn)行噴射混凝土的施工試驗。噴射工藝采用濕噴法，試驗取樣參照《錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》（GB 50086—2011）。

經(jīng)測定，噴射混凝土28d抗壓強(qiáng)度為42.5MPa，滲水高度為38mm，隧道原施工配合比（第1組）的28d抗壓強(qiáng)度為39.2MPa，滲水高度為51mm。在施工過程中，由于摻加了硅灰，噴射混凝土的回彈率降低了3%～5%左右，減少了材料的浪費(fèi)并縮短了施工工期。經(jīng)查，噴射混凝土表面平整度總體較好，且未發(fā)現(xiàn)開裂、脫落、滲漏現(xiàn)象。

4 施工過程控制

4.1 風(fēng)壓控制

施工時噴射混凝土的輸料管長度應(yīng)該控制在規(guī)定范圍以內(nèi)，噴嘴與出料口的高差應(yīng)控制在5m以內(nèi)。要嚴(yán)格控制好風(fēng)壓的穩(wěn)定性，以有效控制回彈量。

經(jīng)權(quán)子埡隧道進(jìn)口現(xiàn)場試驗，工作風(fēng)壓應(yīng)控制在：邊墻0.3～0.5MPa，拱部0.4～0.60MPa。

4.2 噴射角度控制

在受噴面較為平整時，噴嘴盡量與噴面垂直，如果受噴面不平，噴射角度應(yīng)該盡量與受噴面保持垂直。如果噴射混凝土的角度不垂直，會影響混凝土的密度，并加大回彈率，造成過多的浪費(fèi)。

通過對南崖山隧道出口進(jìn)行噴射混凝土工藝性試噴試驗，得出噴嘴與噴面的最佳噴射角度為70°～110°。噴射角度與混凝土密度及回彈率關(guān)系如圖4所示。

圖4 噴射角度與混凝土密度及回彈率關(guān)系圖

4.3 噴射距離控制

為保證混合料的充分拌和及操作人員的安全（不被回彈料傷到），可在噴頭上接一段塑料管，噴嘴與噴面的距離需進(jìn)行合理控制，距離較遠(yuǎn)會影響噴射混凝土的強(qiáng)度和密度，距離較近，會增加回彈量。

經(jīng)過現(xiàn)場試驗測定，最佳的噴射距離為45～60cm，噴射距離與回彈量及強(qiáng)度的關(guān)系如圖5所示。

圖5 噴射距離與回彈量及強(qiáng)度關(guān)系圖

4.4 噴射方法控制

通過多次現(xiàn)場調(diào)查、總結(jié)，噴射作業(yè)應(yīng)分段分片依次進(jìn)行，噴射順序應(yīng)先墻后拱，自下而上，如巖面凹凸不平時，應(yīng)先噴凹處找平，然后向上噴射。噴射路線呈小螺旋形繞圈運(yùn)動，繞圈直徑30cm左右為宜。噴嘴應(yīng)連續(xù)、緩慢作橫向環(huán)行移動，噴射所畫的環(huán)形圈為橫向40～60cm，高15～20cm；若受噴面被鋼架、鋼筋網(wǎng)覆蓋時，可將噴嘴稍加偏斜，但不宜小于70°。

噴射完畢至初凝后，需進(jìn)行人工整平，即用鐵鍬鏟除結(jié)團(tuán)、凸出的混凝土，使表面平整美觀。

4.5 噴射厚度控制

噴射混凝土的厚度要嚴(yán)格按照設(shè)計的厚度進(jìn)行，可以在噴射斷面上加混凝土厚度標(biāo)識。在圍巖橫斷面上成環(huán)設(shè)置噴混凝土厚度標(biāo)志鋼筋頭，按拱部50～60mm，邊墻70～100mm的間距設(shè)置厚度標(biāo)志，相鄰兩環(huán)間縱向拉鋼絲，標(biāo)志分層厚度。噴射作業(yè)時每層厚度均不能超過該層縱向標(biāo)志線，噴射完畢后，噴層表面不能低于最外層標(biāo)志線。噴層厚度標(biāo)志線的設(shè)置，為操作人員和質(zhì)檢人員提供了較為直觀的依據(jù)，取得了較好的效果。

噴射混凝土如果厚度差異過大，會造成防水板不平，二襯背后脫空，二襯混凝土量增加，造成不必要的質(zhì)量通病和進(jìn)度及經(jīng)濟(jì)的損失。為避免此情況發(fā)生，需在掛防水板前將多余混凝土剔除。

5 噴射混凝土的養(yǎng)護(hù)

養(yǎng)護(hù)是噴射混凝土施工中的一個重要環(huán)節(jié)，要制定嚴(yán)格的混凝土養(yǎng)護(hù)制度，施工前制作隧道混凝土養(yǎng)護(hù)施工作業(yè)指導(dǎo)書，對混凝土養(yǎng)護(hù)人員進(jìn)行技術(shù)交底。

混凝土初凝2h后開始灑水養(yǎng)護(hù)，每天3～4次，當(dāng)外界氣溫較高時可增加灑水次數(shù)，灑水次數(shù)應(yīng)以能保證混凝土具有足夠的濕潤狀態(tài)為宜。養(yǎng)護(hù)時間不少于14d，當(dāng)氣溫低于5℃不得噴水養(yǎng)護(hù)。

6 結(jié)論

經(jīng)過幾個月的試驗、整改及總結(jié)，蘭渝鐵路六標(biāo)段現(xiàn)階段噴射混凝土不僅強(qiáng)度、抗?jié)B等性能有了顯著提高，而且其均勻性、平整度也有了明顯的改觀。施工過程中混凝土的回彈量同比下降了5%～10%，為工程項目節(jié)約了一定成本。同時制訂的隧道噴射混凝土質(zhì)量控制及病害預(yù)防方案，為將來隧道施工儲備了寶貴的財富。

[1]TB 10424—2010，鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2]GB 5749—2006，生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3]武衛(wèi)平，李柱.改善噴射混凝土性能的研究[J].市政技術(shù)，2009，27（6）：632-633.

[4]寧英武.隧道工程噴射混凝土施工技術(shù)及質(zhì)量控制[J].交通世界：建養(yǎng)·機(jī)械，2012（7）：109.

[5]仇益梅.隧道工程噴射混凝土質(zhì)量控制與檢測[J].混凝土，2011（7）：143-145.

[6]GB 50086—2011，錨桿噴—射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范[S].