機(jī)制砂噴射混凝土在隧道初期支護(hù)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(shè)集團(tuán)有限公司，云南 昆明 650224；2. 交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088）

0 引言

當(dāng)前，隨著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)的快速發(fā)展，天然砂越來越難以滿足基建行業(yè)與日俱增的需求量。天然砂作為建筑施工行業(yè)中的細(xì)集料，被各種工程廣泛應(yīng)用，但因?yàn)槠浞植挤秶痪鶆颍簧俚貐^(qū)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(qū)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(yuǎn)距離的采購(gòu)和運(yùn)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(shè)項(xiàng)目的發(fā)展。因此，使用機(jī)制砂代替天然砂將是解決天然砂資源短缺有效且經(jīng)濟(jì)的辦法。

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

1 施工現(xiàn)場(chǎng)原材料選材及配合比設(shè)計(jì)

施工現(xiàn)場(chǎng)噴射的機(jī)制砂混凝土原材料一般包括水泥、粗細(xì)骨料、速凝劑、減水劑以及水，原材料的選擇在按照規(guī)范要求的基礎(chǔ)上，應(yīng)該結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)的情況，盡量就地取材，節(jié)省工程成本。

張恒等[2]在機(jī)制砂噴射混凝土中摻入大量粉煤灰對(duì)機(jī)制砂進(jìn)行改性研究，以此來解決機(jī)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(qiáng)度低等技術(shù)性問題。他們?cè)O(shè)計(jì)研制出一種粉煤灰摻量為 40%、水膠比為 0.37 的適合現(xiàn)場(chǎng)濕噴的大摻量粉煤灰機(jī)制砂噴射混凝土。經(jīng)過改性后的機(jī)制砂噴射混凝土工作性能更好、強(qiáng)度更高，初期支護(hù)的外觀質(zhì)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(jī)制砂噴射混凝土相比，摻入大量粉煤灰的機(jī)制砂噴射混凝土有了更好的耐久性、工作性、強(qiáng)度、穩(wěn)定性。

唐富學(xué)[3]認(rèn)為機(jī)制砂的各方面性能與天然砂有著較大差異，在進(jìn)行機(jī)制砂噴射混凝土配合比設(shè)計(jì)和應(yīng)用時(shí)僅僅簡(jiǎn)單地借鑒天然砂噴射混凝土的配合比設(shè)計(jì)理論和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)顯然是行不通的。因此，他分析總結(jié)了各原材料質(zhì)量和品質(zhì)的變化對(duì)機(jī)制砂噴射混凝土性能的影響規(guī)律，設(shè)計(jì)研制出了符合規(guī)范要求及施工現(xiàn)場(chǎng)要求的機(jī)制砂噴射混凝土的配合比。按其配合比設(shè)計(jì)生產(chǎn)出來的機(jī)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(qiáng)度可以達(dá)到 39.2MPa，符合強(qiáng)度要求。此外，混凝土表面光滑，呈現(xiàn)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(rèn)為噴射混凝土回彈率的大小和很多因素有關(guān)。除了合理的配合比以外，噴射機(jī)具的型號(hào)大小及性能。噴射混凝土?xí)r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(shù)水平高低也都影響回彈量和回彈率的大小。在嚴(yán)格控制水泥用量。選取合理含砂率。優(yōu)選粗細(xì)骨料以及調(diào)整速凝劑摻量的同時(shí)，她認(rèn)為改進(jìn)攪拌工藝也是降低機(jī)制砂回彈率的一種措施。即把計(jì)量準(zhǔn)確的速凝劑撒布在預(yù)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(jī)，則可較大程度地減少回彈。

李發(fā)雙[4]對(duì)多座隧道工程及施工隊(duì)伍情況進(jìn)行分析比較，提出應(yīng)從以下幾個(gè)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(nèi)，以此來降低回彈量，改善噴射混凝土的質(zhì)量。（2）在噴射過程中嚴(yán)格控制噴射的水壓和水灰比，同時(shí)對(duì)隧道的風(fēng)壓也要進(jìn)行調(diào)控。風(fēng)壓控制在1.0～1.3MPa，水壓應(yīng)略高于風(fēng)壓，水灰比最佳范圍控制在 0.45～0.50 之間。（3）嚴(yán)格把控混凝土的每一次噴層厚度和分層噴射的時(shí)間間隔。

劉洋等[5]認(rèn)為施工工人在隧道支護(hù)受噴面上首次噴射混凝土?xí)r，由于受噴面剛度過大，往往會(huì)導(dǎo)致噴射混凝土回彈量很大，且噴射質(zhì)量不理想。為了有效地避免這種狀況發(fā)生，他建議在初噴混凝土進(jìn)行之前對(duì)收噴面進(jìn)行預(yù)處理，即先噴一層強(qiáng)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(xiàn)象發(fā)生

當(dāng)使用機(jī)制砂噴射混凝土不當(dāng)時(shí)，經(jīng)常發(fā)生堵管現(xiàn)象，這給施工生產(chǎn)帶來了困難，影響工程的進(jìn)度的同時(shí)也增加了施工成本。

王從軍[6]基于所在項(xiàng)目，對(duì)水洗機(jī)制砂濕噴混凝土堵管問題進(jìn)行了分析研究。他通過對(duì)水洗機(jī)制砂的級(jí)配進(jìn)行改良以及選用合理的配合比，使噴射混凝土滿足強(qiáng)度、耐久性、工作性和質(zhì)量的要求，有效解決了機(jī)制砂噴射混凝土施工中存在的堵管問題，保證機(jī)制砂噴射混凝土施工順利。同時(shí)他還強(qiáng)調(diào)，在施工過程中應(yīng)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(duì)機(jī)制砂在孤山隧道中的技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)可行性和實(shí)施可行性等多方面探討與論證，提出避免堵管現(xiàn)象發(fā)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(guān)鍵，控制機(jī)制砂含泥量在 5% 以下，以確保工程質(zhì)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(huì)導(dǎo)致堵管現(xiàn)象的發(fā)生，影響工程質(zhì)量。

2.3 噴射工程中的質(zhì)量控制

初期支護(hù)噴射混凝土作為隧道建設(shè)工程中的重要組成部分，關(guān)系到整個(gè)隧道施工的后續(xù)工程以及安全問題。魯?shù)8]認(rèn)為機(jī)制砂噴射混凝土施工時(shí)，應(yīng)該分區(qū)分層作業(yè)。針對(duì)不同的區(qū)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(yīng)控制在0.6～1.8m 之間，對(duì)于回彈的混凝土，可采用地面鋪設(shè)彩條布的方法來收集。在分層噴射混凝土?xí)r，應(yīng)該等前一層混凝土完全終凝后再進(jìn)行下一層的噴射。此外，初次噴射混凝土要在開挖后及時(shí)進(jìn)行。為了確保機(jī)制砂混凝土噴射后前一層的支護(hù)能力和噴層的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和厚度，復(fù)噴混凝土宜分層、分時(shí)段地進(jìn)行。在圍巖變化階段，對(duì)于不同的受噴面，及時(shí)地調(diào)整噴射距離、角度、減水劑摻量（坍落度）、速凝劑摻量（凝結(jié)時(shí)間）是非常必要的。通過上述施工技術(shù)參數(shù)的調(diào)整以及噴射順序與步驟的優(yōu)化，在施工過程中可以杜絕噴射混凝土松散、強(qiáng)度低、回彈量大、建筑材料浪費(fèi)等情況的發(fā)生。

李發(fā)雙[4]認(rèn)為，在隧道初期支護(hù)施工的工程中，噴射混凝土的厚度應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求厚度，且誤差要控制在合理范圍內(nèi)，同時(shí)要避免噴射厚度偏薄，以防出現(xiàn)安全問題。在有鋼拱架作為初期支護(hù)的隧道中，往往會(huì)出現(xiàn)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(yīng)要求噴射手在完成全斷面螺旋噴射后，及時(shí)對(duì)鋼拱架進(jìn)行補(bǔ)噴；或者在掛防水板前，要求現(xiàn)場(chǎng)施工人員對(duì)噴射混凝土表面進(jìn)行詳細(xì)地檢查和排查，發(fā)現(xiàn)噴射厚度不夠的地方要進(jìn)行及時(shí)補(bǔ)噴。施工過程中會(huì)出現(xiàn)局部區(qū)域噴射混凝土不均勻的情況，在掛防水板前需將突出區(qū)域的混凝土剔除并打磨。

3 機(jī)制砂噴射混凝土施工應(yīng)用中應(yīng)注意的幾個(gè)問題

（1）必須嚴(yán)格控制噴射混凝土原材料的質(zhì)量和品質(zhì)，特別是機(jī)制砂的質(zhì)量和品質(zhì)。在選用加工成機(jī)制砂的堅(jiān)硬母巖時(shí)，應(yīng)選擇強(qiáng)度大于設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度等級(jí)的1.5 倍母巖，同時(shí)還要滿足不能低于 80MPa 的要求。在生產(chǎn)加工機(jī)制砂的過程中，影響其工作性能的因素有很多，所以導(dǎo)致機(jī)制砂的顆粒級(jí)配波動(dòng)較大、棱角更多。噴射混凝土中機(jī)制砂含量很高，因此其質(zhì)量和品質(zhì)會(huì)對(duì)混凝土拌合物工作性能產(chǎn)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(shí)，也應(yīng)時(shí)常關(guān)注機(jī)制砂的質(zhì)量和品質(zhì)的變化[5]。

（2）施工時(shí)注重噴射混凝土配合比的調(diào)整和控制，在現(xiàn)場(chǎng)條件允許的情況下盡量采用級(jí)配良好的骨料。施工過程中重點(diǎn)著手骨料的級(jí)配調(diào)整工作，除了嚴(yán)格要求骨料在工地試驗(yàn)室中做好定期的質(zhì)量檢測(cè)外，對(duì)于骨料的采集應(yīng)符合要求和規(guī)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(jí)配良好，做好對(duì)原材料選材和加工的控制。

（3）噴射混凝土是隧道支護(hù)施工中非常重要的一道工序，從確保施工質(zhì)量和保護(hù)施工人員健康角度出發(fā)，濕噴工藝是最適合機(jī)制砂噴射混凝土施工的方法。在施工過程中，預(yù)先可以精確計(jì)算包括水在內(nèi)的各種材料的所需量。相比較潮噴和干噴，濕噴技術(shù)對(duì)水灰比的控制更加容易，將水灰比控制在合理范圍內(nèi)，不僅可以降低回彈量和回彈率，也可以起到提升混凝土強(qiáng)度和減少粉塵的目的。此外，輸送到噴射機(jī)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(zhì)量。

4 結(jié)語

機(jī)制砂由于生產(chǎn)加工的設(shè)備和工藝不同，其顆粒級(jí)配比較差，且級(jí)配波動(dòng)較大，導(dǎo)致混凝土的流動(dòng)性、粘聚性及保水性較差，在噴射過程中容易發(fā)生堵管現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致混凝土外觀質(zhì)量缺陷。通過對(duì)原材料質(zhì)量的嚴(yán)格把控，對(duì)機(jī)制砂進(jìn)行改良，選取合理的配合比，以及對(duì)施工過程進(jìn)行多方面的控制，保證機(jī)制砂噴射混凝土的施工質(zhì)量，滿足強(qiáng)度、耐久性、工作性以及經(jīng)濟(jì)性的要求。同時(shí)，在施工過程中也應(yīng)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(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境效益。