隧道初支噴射混凝土回彈率控制研究

陶卓

（甘肅綠洲新生態環境建設有限公司,甘肅 蘭州 730010）

1 項目背景

某高速公路項目有隧道4779m/4座,隧道初支噴射混凝土超耗的有效控制對整個項目的利潤起到至關重要的作用。4 座隧道某月初支噴射混凝土超耗情況如表1 所示。

表1 4 座隧道某月初支噴射混凝土超耗情況表

當月總共統計進尺為402.75m,主要以IV 級圍巖為主,統計段落設計噴射混凝土用量1820.7m3, 實際用量4220m3,綜合回彈率為31.1%,綜合超耗率為134.0%。

2 速凝劑對回彈率的影響

2.1 試驗設計

調研選擇出至少3 家優于同行業水平的速凝劑,通過與水泥凈漿凝結試驗對比,得到每種速凝劑初凝時間、終凝時間,確定出效果最佳速凝劑。在噴射混凝土中使用不同摻量速凝劑,計算出不同摻量速凝劑下噴射混凝土的回彈率,確定出噴射混凝土最佳速凝劑摻量。要求隧道噴射一般地段選用初凝時間不大于5min,終凝時間不大于10min 的速凝劑；潮濕或有裂隙水噴射地段選用初凝時間不大于3min,終凝時間不大于8min 的速凝劑,且對噴射混凝土強度影響最小的速凝劑。

2.2 材料選取

2.2.1 水泥。在本次研究中,選用興安海螺、臨桂南方兩種硅酸鹽水泥,水泥強度等級為42.5MPa,硅酸鹽水泥具有與速凝劑相容性好、能速凝、早強、快硬、后期強度較高的特性。

2.2.2 速凝劑。選用兩種一等品粉劑進行試驗,分別為貴州凱襄和江蘇蘇博特有堿性速凝劑。

2.3 水泥和速凝劑凝結時間試驗

分別用不同的速凝劑及摻量和水泥組合進行試驗。試驗結果表明,貴州凱襄速凝劑與興安海螺水泥的匹配度最為理想,結合現場施工使用水泥情況,優先選用貴州凱襄一等品速凝劑。試驗結果如表2 所示。

表2 水泥和速凝劑品種及摻量對初凝時間的影響

3 噴射混凝土配合比對回彈率的影響

3.1 配合比設計

根據試驗要求,選取了兩種不同的細集料,分別為自制機制砂和外購天然河砂。其余材料相同。配合比分別為水泥：水：砂（機制砂）：碎石：速凝劑=480：240：806：745：28.8；水泥：水：砂（河砂）：碎石：速凝劑=452：240：822：759：27.1。

3.2 配合比驗證

機制砂試驗組噴射混凝土回彈率邊墻最小為8%,拱部最小為21.4%；天然河砂組噴射混凝土邊墻最低回彈率為6.8%,拱部最低回彈率為18.1%。噴射混凝土用砂宜選用中粗砂,細度模數大于2.5,含泥量小于5%,含水率控制在以質量計5%～7%為宜,粒徑0.2mm 的顆粒不宜超過20%。碎石粒徑最大不宜超過15mm,且應選用合理的連續級配集料。試驗結果如表3 所示,經驗證,強度指標均滿足要求。在保證回彈率較小的同時,為控制成本,使用自制機制砂更為經濟,經濟性對比如表4 所示。

表3 不同配合比（細集料）實測回彈率

表4 每延米噴射砼經濟比對（未計超挖）

4 施工技術參數比對回彈率的影響

4.1 風壓控制

噴射作業時,輸料管長度一般應控制在20m 左右,噴嘴與噴射機出料口的高差小于5 米,試驗證明,噴射機風壓宜控制在0.25MP 左右,此時回彈率較小,風壓過大或者過小都會致回彈率增大。在施工中操作手要根據拌合料輸送距離、噴射方向、機具型號、軟管的直徑變動,視噴射的狀況和噴射混凝土易粘附程度加以修正噴射壓力,試驗數據如表5 所示。

表5 風壓對回彈率的影響

4.2 水壓控制

試驗表明,噴嘴處水壓控制在1MPa 時回彈率最小,此時噴射混凝土效果也較好。水壓過大,噴射混土在未凝固前被水沖洗形成“淌流”,下垂甚至脫落；水壓過小干拌料不能充分濕潤水化表面出現干斑粉塵、回彈率都顯著增大,并且混凝土硬化后強度達不到要求,控制噴嘴水量最重要方面是防止骨料的含水量出現很大變動,試驗數據如表6、圖1 所示。

圖1 水壓對回彈率的影響

表6 水壓對回彈率的影響

4.3 噴射角度對回彈率的影響

試驗表明在噴射作業過程中噴射角度應垂直于受噴面時回彈率最低,回彈率為20.7%。螺旋的直徑以30cm 為宜,使料束以一圈壓半圈作橫向運動效果最佳,試驗數據如表7、圖2 所示。

圖2 噴射角度對回彈率的影響

表7 噴射角度對回彈率的影響

4.4 噴射距離對回彈率的影響

距離對噴射混凝土質量和回彈率都有很大的影響。試驗表明,距離控制在2.2m（算上噴嘴上0.8～1.0 m）時回彈率最小。距離太遠,會使噴射混凝土回彈率增大,距離太近回彈顆粒會傷害到噴射手且回彈率也會增大。實際施工中,通常在噴頭上接上一根0.8～1m 塑料管,它的作用是使水泥充分與水拌和,且混凝土束較集中,回彈骨料也不會傷害到操作人員,試驗數據如表8、圖3 所示。

圖3 噴射距離對回彈率的影響

表8 噴射距離對回彈率的影響

4.5 一次噴射厚度控制

噴射混凝土一次性噴射厚度拱頂為8cm,邊墻邊墻為13cm 時,回彈率最小。一次噴射過厚會造成混凝土下垂或脫落。當對開挖面進行初噴,形成0.5～1cm 的砂漿塑性層后在進行復噴,效果會更好。

4.6 噴射順序控制

為了減少噴射混凝土因重力作用而引起的滑動或脫落現象,噴射時應分段、分部、分塊,按先墻后拱、自下而上進行噴射。當巖面有較大凹洼時,應在初噴時找平,保證巖面凹陷處應先噴和多噴,而凸出處應后噴和少噴。

4.7 噴嘴選擇

為了能夠盡量減少回彈率,特采用傳統圓形噴頭和扇形噴頭做了噴射對比試驗,根據實驗數據表明,噴頭選用圓頭時回彈率相對較小。

5 結論

把各種最佳技術影響參數進行組合,得出最佳回彈率為20.6%,平均超耗率為65.95%,具體參數如表9 所示。

表9