機制砂噴射混凝土在隧道初期支護中的施工控制

王在杭，王義成，楊恩總，魏龍生，于詠妍

（1. 云南云嶺高速公路建設集團有限公司，云南 昆明 650224；2. 交通運輸部公路科學研究院，北京 100088）

0 引言

當前，隨著我國基礎建設的快速發展，天然砂越來越難以滿足基建行業與日俱增的需求量。天然砂作為建筑施工行業中的細集料，被各種工程廣泛應用，但因為其分布范圍不均勻，不少地區都沒有充足的天然砂資源。隧道施工的位置大多位于偏僻山區且無天然砂源的地帶，工程施工中想要使用天然砂往往需要通過遠距離的采購和運輸，距離少則幾十公里，多則上百公里，如此一來大幅增加了施工成本，制約了建設項目的發展。因此，使用機制砂代替天然砂將是解決天然砂資源短缺有效且經濟的辦法。

機制砂是由母巖經爆破和機械加工而成的一種細集料，加工成機制砂的母巖通常為強度較高的堅硬巖石，如石灰巖、花崗巖及玄武巖等。機制砂的形態同天然砂相似，但粗糙程度、石粉含量和級配等方面與天然砂有著顯著的不同[1]。因此，機制砂噴射混凝土應用過程中往往存在級配不良、工作性差、噴射管道堵塞、回彈率高以及混凝土質量低等問題。本文主要從原材料的選取、配合比設計、施工過程的控制等方面，探討機制砂噴射混凝土在隧道初期支護中的施工控制，以提高施工質量和經濟效益。

1 施工現場原材料選材及配合比設計

施工現場噴射的機制砂混凝土原材料一般包括水泥、粗細骨料、速凝劑、減水劑以及水，原材料的選擇在按照規范要求的基礎上，應該結合施工現場的情況，盡量就地取材，節省工程成本。

張恒等[2]在機制砂噴射混凝土中摻入大量粉煤灰對機制砂進行改性研究，以此來解決機制砂濕噴混凝土在使用過程中存在的工作性差、回彈率高及強度低等技術性問題。他們設計研制出一種粉煤灰摻量為 40%、水膠比為 0.37 的適合現場濕噴的大摻量粉煤灰機制砂噴射混凝土。經過改性后的機制砂噴射混凝土工作性能更好、強度更高，初期支護的外觀質量也隨之改善。此外，大大降低了噴射混凝土每立方米用水量、噴射混凝土的回彈量以及回彈率。與市面上普通的機制砂噴射混凝土相比，摻入大量粉煤灰的機制砂噴射混凝土有了更好的耐久性、工作性、強度、穩定性。

唐富學[3]認為機制砂的各方面性能與天然砂有著較大差異，在進行機制砂噴射混凝土配合比設計和應用時僅僅簡單地借鑒天然砂噴射混凝土的配合比設計理論和應用經驗顯然是行不通的。因此，他分析總結了各原材料質量和品質的變化對機制砂噴射混凝土性能的影響規律，設計研制出了符合規范要求及施工現場要求的機制砂噴射混凝土的配合比。按其配合比設計生產出來的機制砂噴射混凝土的回彈率控制在較低的水平，平均9.8%，并且 28d 的平均強度可以達到 39.2MPa，符合強度要求。此外，混凝土表面光滑，呈現水亮光澤，外觀有了極大的提升。

2 施工過程控制

2.1 回彈量及回彈率控制

張慧玲等[1]認為噴射混凝土回彈率的大小和很多因素有關。除了合理的配合比以外，噴射機具的型號大小及性能。噴射混凝土時的速度、水壓及氣壓的控制。噴射的角度和距離。以及操作手技術水平高低也都影響回彈量和回彈率的大小。在嚴格控制水泥用量。選取合理含砂率。優選粗細骨料以及調整速凝劑摻量的同時，她認為改進攪拌工藝也是降低機制砂回彈率的一種措施。即把計量準確的速凝劑撒布在預先倒在鐵板上的干料上，由人工翻拌 2～3 遍，再把混合料輸送入噴射機，則可較大程度地減少回彈。

李發雙[4]對多座隧道工程及施工隊伍情況進行分析比較，提出應從以下幾個方面來控制回彈量：（1）操作手要精確掌握噴射距離和噴射角度。在噴射過程中，盡量做到噴嘴與受噴巖面呈 90 度，傾斜角要控制在 10 度以內，以此來降低回彈量，改善噴射混凝土的質量。（2）在噴射過程中嚴格控制噴射的水壓和水灰比，同時對隧道的風壓也要進行調控。風壓控制在1.0～1.3MPa，水壓應略高于風壓，水灰比最佳范圍控制在 0.45～0.50 之間。（3）嚴格把控混凝土的每一次噴層厚度和分層噴射的時間間隔。

劉洋等[5]認為施工工人在隧道支護受噴面上首次噴射混凝土時，由于受噴面剛度過大，往往會導致噴射混凝土回彈量很大，且噴射質量不理想。為了有效地避免這種狀況發生，他建議在初噴混凝土進行之前對收噴面進行預處理，即先噴一層強度略高的水泥砂漿來增加受噴面的柔性，以此來減少回彈量，降低回彈率。

2.2 避免噴射過程中堵管現象發生

當使用機制砂噴射混凝土不當時，經常發生堵管現象，這給施工生產帶來了困難，影響工程的進度的同時也增加了施工成本。

王從軍[6]基于所在項目，對水洗機制砂濕噴混凝土堵管問題進行了分析研究。他通過對水洗機制砂的級配進行改良以及選用合理的配合比，使噴射混凝土滿足強度、耐久性、工作性和質量的要求，有效解決了機制砂噴射混凝土施工中存在的堵管問題，保證機制砂噴射混凝土施工順利。同時他還強調，在施工過程中應重視人員操作及施工方法和水平的提高。

王小松等[7]通過對機制砂在孤山隧道中的技術可行性、經濟可行性和實施可行性等多方面探討與論證，提出避免堵管現象發生的施工要求：（1）含泥量的控制。含泥量控制是影響噴射的關鍵，控制機制砂含泥量在 5% 以下，以確保工程質量。（2）噴射過程中水壓和氣壓的控制。水壓和氣壓的過大或者過小，都會導致堵管現象的發生，影響工程質量。

2.3 噴射工程中的質量控制

初期支護噴射混凝土作為隧道建設工程中的重要組成部分，關系到整個隧道施工的后續工程以及安全問題。魯丹[8]認為機制砂噴射混凝土施工時，應該分區分層作業。針對不同的區域，其不同的外加劑和噴射壓力各有不同。施工過程中，噴嘴與巖面距離應控制在0.6～1.8m 之間，對于回彈的混凝土，可采用地面鋪設彩條布的方法來收集。在分層噴射混凝土時，應該等前一層混凝土完全終凝后再進行下一層的噴射。此外，初次噴射混凝土要在開挖后及時進行。為了確保機制砂混凝土噴射后前一層的支護能力和噴層的結構穩定性和厚度，復噴混凝土宜分層、分時段地進行。在圍巖變化階段，對于不同的受噴面，及時地調整噴射距離、角度、減水劑摻量（坍落度）、速凝劑摻量（凝結時間）是非常必要的。通過上述施工技術參數的調整以及噴射順序與步驟的優化，在施工過程中可以杜絕噴射混凝土松散、強度低、回彈量大、建筑材料浪費等情況的發生。

李發雙[4]認為，在隧道初期支護施工的工程中，噴射混凝土的厚度應達到設計要求厚度，且誤差要控制在合理范圍內，同時要避免噴射厚度偏薄，以防出現安全問題。在有鋼拱架作為初期支護的隧道中，往往會出現鋼拱架處噴層厚、兩鋼拱架間噴層薄的情況。為了防止這種情況帶來的危害，施工過程中應要求噴射手在完成全斷面螺旋噴射后，及時對鋼拱架進行補噴；或者在掛防水板前，要求現場施工人員對噴射混凝土表面進行詳細地檢查和排查，發現噴射厚度不夠的地方要進行及時補噴。施工過程中會出現局部區域噴射混凝土不均勻的情況，在掛防水板前需將突出區域的混凝土剔除并打磨。

3 機制砂噴射混凝土施工應用中應注意的幾個問題

（1）必須嚴格控制噴射混凝土原材料的質量和品質，特別是機制砂的質量和品質。在選用加工成機制砂的堅硬母巖時，應選擇強度大于設計混凝土強度等級的1.5 倍母巖，同時還要滿足不能低于 80MPa 的要求。在生產加工機制砂的過程中，影響其工作性能的因素有很多，所以導致機制砂的顆粒級配波動較大、棱角更多。噴射混凝土中機制砂含量很高，因此其質量和品質會對混凝土拌合物工作性能產生很大的影響。所以在施工過程中，施工單位在把控好原料選材的同時，也應時常關注機制砂的質量和品質的變化[5]。

（2）施工時注重噴射混凝土配合比的調整和控制，在現場條件允許的情況下盡量采用級配良好的骨料。施工過程中重點著手骨料的級配調整工作，除了嚴格要求骨料在工地試驗室中做好定期的質量檢測外，對于骨料的采集應符合要求和規范，骨料的加工過程中要避免其他因素的干擾，以此來采取多種措施保證骨料的級配良好，做好對原材料選材和加工的控制。

（3）噴射混凝土是隧道支護施工中非常重要的一道工序，從確保施工質量和保護施工人員健康角度出發，濕噴工藝是最適合機制砂噴射混凝土施工的方法。在施工過程中，預先可以精確計算包括水在內的各種材料的所需量。相比較潮噴和干噴，濕噴技術對水灰比的控制更加容易，將水灰比控制在合理范圍內，不僅可以降低回彈量和回彈率，也可以起到提升混凝土強度和減少粉塵的目的。此外，輸送到噴射機中的混凝土，都是提前被均勻拌和的，均勻性和混合性良好的原材料有利于控制和保證噴射混凝土的質量。

4 結語

機制砂由于生產加工的設備和工藝不同，其顆粒級配比較差，且級配波動較大，導致混凝土的流動性、粘聚性及保水性較差，在噴射過程中容易發生堵管現象，會導致混凝土外觀質量缺陷。通過對原材料質量的嚴格把控，對機制砂進行改良，選取合理的配合比，以及對施工過程進行多方面的控制，保證機制砂噴射混凝土的施工質量，滿足強度、耐久性、工作性以及經濟性的要求。同時，在施工過程中也應重視人員操作及施工方法和水平的提高，在今后的噴射混凝土施工中取得好的經濟、社會、環境效益。