淺談隧道混凝土噴射的機械化施工

邵合卯

廈門市交通綜合行政執法支隊（361000）

淺談隧道混凝土噴射的機械化施工

邵合卯

廈門市交通綜合行政執法支隊（361000）

隧道混凝土噴射施工中機械的使用會影響到混凝土支護的工程質量。通過介紹混凝土噴射技術和施工機械，探討了混凝土噴射施工要點，為隧道混凝土噴射施工提供參考。

混凝土；噴射；設備

0 前言

噴射混凝土是使用混凝土噴射機，按一定的混合程序將摻有速凝劑的細石混凝土拌和料與高壓水混合，經過噴嘴噴射到巖壁表面，并迅速凝固結成一層支護結構，從而對圍巖起到支護作用。噴射混凝土是一種新型的支護結構，又是一種新的施工工藝與技術，它可以根據需要分次追加厚度，也可以與各種類型的錨桿、鋼纖維、鋼拱架、鋼筋網等構成復合式支護，具有支護及時、強度高、密實性強、操作簡單、靈活性大等優點，特別是在軟弱圍巖地質條件下,配合鋼拱架和系統錨桿作為聯合支護，優點更為明顯。

1 混凝土噴射技術

1.1 濕噴技術的明顯優勢

混凝土噴射是指利用壓縮空氣或其他動力，將按一定比例配合的拌和料通過管道輸送并高速噴射到受噴面上凝結硬化,從而形成混凝土支護層。混凝土噴射按噴射工藝可分為干噴和濕噴兩種方式，隨著濕噴設備及工藝的日趨完善及施工要求的不斷提高,濕噴技術已成為世界各國噴射技術的發展主流。和干噴工藝相比，濕噴技術具有以下四個明顯優勢。

1）可大大降低施工粉塵濃度，消除對工人健康的危害。2）生產率高。3）回彈度低。4）施工質量高。

1.2 稠密流輸送的特點

噴射技術按照混凝土在噴射機輸送方式的不同又可分為稠密流輸送（見圖1）和稀薄流輸送（見圖2）。稠密流輸送是把拌和好的濕混凝土通過專用混凝土泵擠壓物料，并在壓力差作用下將混凝土料輸送到噴頭,在噴頭處添加壓縮空氣和速凝劑，將混凝土高速噴射到受噴面上。稀薄流輸送是把拌和好的混凝土添加到混凝土噴射機的料斗內，噴射機把物料均勻分配至下料口處，壓縮空氣懸浮著物料在管道中被輸送到噴頭,在噴頭處加入速凝劑，使混凝土被高速噴射到受噴面上。和稀薄流輸送相比，稠密流輸送具有以下五個特點:1）輸送壓力高,可達70 Bar,而稀薄流輸送壓力僅有6 Bar。2）輸送距離遠。最大距離100 m，最大輸送高度40 m；稀薄流輸送距離小于20 m。3）耗氣量小(耗氣量3～4 m3/min)。4）噴射回彈小，一般反彈率小于8%。5）混凝土可泵送性要求高，管道易堵塞，對管壁磨損大。

圖1 稠密流輸送

圖2 稀薄流輸送

1.3 生產效率、施工質量和施工成本

生產效率主要取決于混凝土噴射機械設備性能與機械化配套水平、施工組織與管理、操作手的熟練程度；施工質量包含混凝土強度指標和耐久性指標，而強度指標包括早期強度、黏結強度和基準強度，耐久性能指標包括密實性、抗滲性、電通量和抗凍標號;施工質量的好壞取決于噴射工藝、噴射設備、混凝土噴射施工材料及配合比。施工成本主要取決于施工材料、工藝及施工設備的選用。

1.4 影響混凝土噴射質量的主要因素

噴射工藝、設備、混凝土噴射施工材料及配合比是影響混凝土噴射質量的主要因素。隧道混凝土噴射施工設計強度等級要求一般為C20～C30，隧道初期支護噴射混凝土設計厚度10～35 cm，噴射混凝土配合比的設計需滿足強度要求和噴射設備要求，應先在實驗室內作配合比試驗,并選出最優數據。混凝土噴射材料主要包括水泥、砂子、卵石、水和添加劑。混凝土材料要求見表1。配合比為各材料之間的配比，其中膠骨比、砂石比是影響混凝土密實性和強度的關鍵因素。水灰比將影響混凝土滲透性和強度，而滲透性又是評價混凝土耐久性最重要的指標。

1.5 最優配合比

混合料配合比在施工前由實驗室作配比試驗而決定。確定配比在滿足強度、滲水性及經濟性指標的同時，還要兼顧混凝土混合料在噴射設備內的流動性要求。國內混凝土噴射施工無統一的國家規范，一般根據施工地區和工況采取內部施工規范或施工指南。

2 混凝土施工機械

噴射混凝土施工機械主要有攪拌設備、運輸設備、噴射機等。實現機械化配套可加快支護速度，提高施工質量和經濟效益。

1）混凝土攪拌設備。混凝土攪拌設備主要為混凝土攪拌車。施工單位可根據每小時需用混凝土施工用量來確定組合攪拌車的大小。

2）混凝土輸送設備。混凝土輸送設備主要為混凝土攪拌運輸罐車。施工單位可根據隧道尺寸及混凝土用量來確定混凝土運輸罐車的運輸量大小。

3）混凝土噴射機。混凝土噴射機根據噴射工藝不同可分為干式噴射機和濕式噴射機兩大類型。根據濕式混凝土噴射機的工作原理，又可分為轉子式及柱塞泵送式兩大類。

轉子式濕噴機為轉子結構,采用液壓驅動裝置，負荷變量泵通過液壓馬達帶動轉子轉動，轉速可調，從而使噴射量可調。同時采用液壓式轉子壓緊機構，壓緊力可調。工作時料斗中的濕拌和料落入轉子料孔，經旋轉180°后料孔與壓縮空氣進氣口相通，濕拌和料以懸浮狀態被壓至出料管，在噴嘴混合室與液體速凝劑快速充分混合后，從噴嘴高速噴出。柱塞泵送式濕噴機是利用柱塞式混凝土泵作為濕式混凝土噴射機的基體，在輸送管出口裝以噴嘴并在噴頭處通入壓縮空氣，將混凝土噴射出去。

由于濕噴技術具有明顯的優勢，濕式混凝土噴射機特別是濕式噴射混凝土機械手越來越多地取代了干式混凝土噴射機而成為噴射混凝土作業的主要機具。

3 混凝土噴射施工

混凝土噴射作業的好壞對混凝土強度、回彈率、生產效率等均有影響，為確保混凝土的噴射質量，混凝土噴射施工應掌握以下四個要點。

1）做好噴射前準備工作。①檢查設備所需要的通風、照明條件，水、電等管線路等能否滿足施工條件；②噴射作業的環境溫度不得低于5℃；③噴射前應使用高壓水或高壓風對受噴巖面浮塵和巖屑進行處理；④若圍巖較差時應掛設鋼筋網或使用鋼拱架固定，并使其密貼受噴面。

2）混凝土攪拌、運輸。濕噴混凝土攪拌應采取全自動計量強制式攪拌機，施工配料應嚴格按配合比進行操作；鋼纖維混凝土的攪拌工藝應確保鋼纖維在拌和物中分散均勻，不產生結團。攪拌時間應通過現場攪拌試驗確定，攪拌時間不宜小于3 min（摻有合成纖維混凝土的攪拌時間宜為4～5 min）。運輸采用混凝土運輸罐車，多臺運輸車應交替運料，以滿足連續濕噴混凝土的供應。在運輸過程中，要防止混凝土離析、水泥漿流失、坍落度變化以及產生初凝等現象。

3）噴射作業。噴射混凝土作業應采用分段、分片、分層依次進行，分段長度不宜大于6 m。噴射時先將低洼處大致噴平，再自下而上順序分層、往復噴射。有鋼筋網或鋼拱架時，應先噴鋼拱架與壁面間的混凝土，再噴兩鋼架之間混凝土。邊墻噴混凝土應從墻腳開始向上噴射，使回彈不致裹入最后噴層。分層噴射時，后一層噴射應在前一層混凝土終凝后進行。邊墻一次噴射混凝土厚度控制在7～10 cm，拱部控制在5～6 cm，并保持噴層厚度均勻。

4）噴射后的養護。噴射混凝土終凝2 h后,應進行養護，養護時間不小于14 d。石質隧道采用噴霧養護，黃土隧道采用養護液養護。當氣溫低于5℃時，不得灑水養護。

4 結語

噴射工藝、噴射配套設備的選擇和使用、施工材料及配合比是影響混凝土噴射施工質量的主要因素。混凝土噴射施工不僅要滿足混凝土強度、噴射均勻性和抗滲性等設計要求，同時要保證設備的可泵送性、施工的連續性等諸多條件。混凝土噴射施工不僅需要對噴射技術和泵送機械有較全面的了解，而且要具有一定的與泵送混凝土相關的知識。