影響隧洞噴砼回彈量的因素分析

魏子榮

（甘肅省水利水電工程局有限責任公司，甘肅 蘭州 730000）

噴砼技術廣泛地應用于隧道和道路加工過程中，該技術是在支護理論的基礎上發展起來的，具有施工簡單、支護及時等特點。常見的隧洞噴砼包括干噴、潮噴和濕噴三種技術，其中干噴和潮噴的粉塵量大，回彈率高，對施工質量和施工人員健康影響明顯。隧洞噴砼施工主要環節包括配料、攪拌、混凝土運輸、濕噴機噴射等流程，每個環節均會對其回彈量造成影響。回彈量控制室隧道噴砼施工的關鍵，為了提升隧道施工質量，需要對影響噴砼回彈量的因素進行分析，采取針對性措施進行控制，以確保噴砼施工安全，施工質量滿足工程需求。

1 工程概況

引洮二期骨干工程靜寧輸水渠延長段全長8 654.50 m，直供靜寧縣城調蓄水池段管線設無壓輸水隧洞一座，長度2 296 m，斷面形式為現澆鋼筋混凝土城門洞型襯砌，縱坡1/1000。對隧洞工程的地質進行勘測可知，隧洞橫穿一黃土梁布置，圍巖巖性由新近系(N2L)粉砂質泥巖及第四系風積（Q32eol）馬蘭黃土、洪積（Q31pl）粉質黏土構成，圍巖類別屬Ⅴ類及黃土隧洞Ⅴ1類。隧洞進出段洞身巖性為上更新統風積（Q32eol）馬蘭黃土及洪積（Q31pl）粉質黏土，馬蘭黃土屬中～高壓縮、中等自重濕陷性土；粉質黏土屬中～低壓縮、輕微～非濕陷性土，均屬黃土Ⅴ1類圍巖，極不穩定，圍巖不能自穩，變形破壞嚴重；其他洞身段巖性為新近系(N2L)粉砂質泥巖，遇水軟化，屬極軟巖，巖體具中厚層狀結構，近水平狀產出。無地下水影響，該洞段圍巖屬極不穩定的Ⅴ類圍巖，為了保障施工安全與施工質量，需要加強初期支護。綜合對比不同的支護工藝，由于噴砼工藝施工簡單，施工成本低，因此成為本工程支護的首選方案。

2 噴砼施工工藝問題分析

2.1 問題研究

隧洞工程初期支護選擇噴砼施工工藝，選擇機械攪拌進行噴射，并且利用10 m3的電動空壓機為噴砼供風。噴砼工藝的原料選擇425硅酸鹽水泥，利用石灰巖機制砂，并且選擇芙蓉牌速凝劑。經過現場試驗，選擇水泥：砂：石：水：速凝劑=1∶1.9∶2.4∶0.45∶0.03的比例進行混合，得到級配優良的混凝土材料。噴砼施工工藝的噴射砼控制在2.56 m3，循環進尺為4 m噴射時間為4~6 h。在噴砼施工現場中，噴砼回彈量浪費施工原料和增加施工成本的主要原因，由于噴砼回彈量控制不佳，影響施工效率和施工進度，而且噴砼強度不穩定，影響最終施工成本和施工進度。經過現場測定，噴射砼回彈量為30%，需要加強噴砼回彈量控制與管理。

2.2 問題原因分析

對噴砼回彈量控制不足的原因進行分析，可知影響噴砼回彈量的因素包括：（1）噴砼噴料級配不合適，對原料的配比控制不足，影響最終回彈量控制；（2）速凝劑的選擇和摻入少量不合適，未能達到最佳配比；（3）噴砼施工的供水量、噴射角度、溫度、風壓等因素控制不足。為了加強噴砼回彈量控制，采用現場試驗的方式，分析各種因素的影響，并且采取有效的措施進行控制管理。

3 噴砼回彈量影響因素分析

3.1 水灰比的影響

噴砼回彈量與水泥的凝結時間直接相關，而水灰比對水泥凝結時間的影響會影響噴砼回彈量。通過現場試驗對比，對不同水灰比的水泥凝結時間和噴砼回彈量的研究表明，水灰比較小的情況下，水泥初凝與終凝時間短，但是水泥灰塵多，回彈率高，噴砼表面容易出現砂窩、不密實等情況，水泥表面顏色暗沉，而且強度不滿足設計需求。如果水灰比過大，則會出現噴砼表面拉毛、滑動流淌等質量問題，噴砼厚度控制難度較大。為了有效控制噴砼質量和噴砼回彈量，需要將水灰比控制在0.4~0.5之間，才能保證噴砼強度好，不流淌，黏性好，表面水亮光澤，而且有效降低回彈量。

在本項目工程中，選擇修建20 t容量高位水池作為施工用水。工程期間，水壓穩定，供水鋼管截面較大而且軟管長度一致，便于后期控制。為了有效控制水灰比，可以選擇帶刻度開關裝在噴頭接水管處，對水量進行定量控制。施工期間，每隔20 min測量噴漿機所需要的水流量，有效控制水流量，以保證最佳水灰比。

3.2 速凝劑摻量

噴砼速凝劑可以提高噴層黏性，合理地使用速凝劑能夠增強巖石和噴層的粘結強度，從而縮短噴砼凝結時間，減少回彈率。速凝劑在噴砼中的作用機理是，當將速凝劑摻入水泥中時，水泥水化會促使速凝劑的硫酸和石膏反應聲場硫酸鈣，從而析出鈣和氧化鋁，促使水泥形成氯酸鹽結構，促使水泥加快凝結。一方面速凝劑可以縮短噴砼凝結時間，促使噴層結構穩定，發揮結構承載作用，提升其強度，避免圍巖變形發展。另一方面，速凝劑過量會影響后期強度，并且影響水泥石的收縮率。

通過現場試驗，分別研究不同速凝劑摻量下的水泥速凝效果和噴砼強度，研究不同齡期速凝劑含量對回彈量的影響。研究顯示，速凝劑主要影響噴砼后期強度，從而影響噴砼回彈量。結合現場施工條件，速凝劑摻量控制在2.5%~4%之間可以達到最佳巧果。不同隧道部位的摻量有所不同，拱部的最佳摻量在3.5%左右，而邊墻部摻量在3%左右。

3.3 噴砼風壓的影響

噴砼風壓是影響噴砼工藝的關鍵因素之一，通常噴射機的風壓控制在0.15~0.4 MPa之間，最高風壓在0.8 MPa。噴砼風壓與噴距和噴料級配密歇相關，當噴砼風壓越高，則噴砼密實度越高，后期強度也會更大。而如果風壓過高，反而會影響噴砼黏著力，影響噴料顆粒和噴料反彈量。但是如果風壓過低，會造成噴管堵塞，也會由于風壓不夠大造成噴料散落，影響最終噴砼質量。通過現場施工試驗，在線廁細度模量為2.6的機制砂和1.2的距離情況下，對風壓和噴砼回彈量的關系進行試驗。在線廁0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4、0.45、0.5 MPa等不同風壓強度下，研究顯示在其他參數不變的情況下，0.3 MPa的風壓噴砼回彈量最低，而且噴砼質量最佳。

3.4 噴距和噴射角度的影響

選擇現場試驗的方式，對噴距和噴射角度進行分析。選擇一定級配的集料，固定其他參數，對噴距進行研究，選擇0.5、0.8、1.2、1.4、1.6、2.0 m等不同的噴距下進行研究，研究顯示，在噴距為1.2 m時的噴砼回彈量最低。

結合以往的施工經驗，對噴射角度進行研究，研究顯示：（1）噴射角度為80°的情況下，噴嘴向上，噴射效果最佳；（2）如果是曲面，應該選擇與曲面法線平行的方向進行噴射，同時需要研究中立對噴射的影響。

3.5 其他因素影響

除了以上因素之外，噴料的級配和溫度對噴砼強度和回彈量的影響也十分明顯。現場研究顯示，噴料級配應該適當，當噴漿砂細度模量為2.6左右時最佳。溫度較高時應該適量減少速凝劑用量，而溫度低的情況下需要增加其用量。為了保障最佳的噴射效果，選擇機制砂作為噴漿砂，機制砂具有表面粗糙等特點，噴砼強度高，回彈量低。

4 噴砼回彈量控制措施

結合以上研究，需要從材料、機械和技術等方面加強控制，從而提升噴砼強度，有效控制噴砼回彈量，有效提升噴砼質量。

4.1 混凝土材料的控制

混凝土是噴砼的主要材料，為了有效控制噴砼回彈量，需要從混凝土原料入手，加強各方面的材料控制。

第一，砂。噴砼施工過程中，機制砂具有粘聚性較好，表面粗糙等特點。選擇機制砂有助于降低噴砼回彈量，提升噴砼穩定性。隧道施工要求高，對混凝土的要求也高，為了提升噴砼質量，需要對機制砂的雜質含量和細度模數進行控制。在噴砼施工過程中，需要綜合各種因素調整機制砂的用量，確保各方面配比達到最佳狀態。水泥標號必須達到42.5級以上，而且優先選擇普通硅酸鹽水泥，從而提升圍巖強度。在噴砼施工前，需要對水泥強度進行現場測試與反復試驗，確保配合比滿足要求，才能投入使用。

第二，減水劑選擇。減水劑是噴砼施工的重要原料，隧道施工需要用到大量混凝土，水的用量也會明顯增大。但是水分過多會影響噴砼穩定性，造成噴砼回彈。為了降低噴砼回彈，需要選擇合適的減水劑，并且科學合理使用減水劑，以增強混凝土拌和量的流動性，增強原料和混凝土的粘聚性能。在噴砼施工過程中，減水劑的控制難度較大。為了減少控制難度，確保比例控制準確，可以將減水劑加入拌和噴射的水中，充分混合后發生作用，起到減水和速凝的效果。

第三，速凝劑。速凝劑作為噴砼施工的外加劑，可以提升噴砼穩定性，提升噴砼早期穩定性。為了確保速凝效果，需要合理使用速凝劑，根據水泥和砂石的比例選擇相應的速凝劑摻量。速凝劑產量不能太多，以免影響噴砼施工質量。

第四，合成纖維。合成纖維能夠利用其聯結作用，提升混凝土的拌和粘聚性，從而有效降低噴砼回彈量。在原料配合比中，選擇合適的合成纖維，選擇直徑在40~50 μ，單絲長度在7~18 m的合成纖維。合成纖維的量不能太多，一般控制在1.2 kg/m3。將合成纖維加入噴砼施工中，可以提升混凝土強度，提升混凝土年度，減少噴砼收縮裂縫，降低回彈量，改善其表面性能。

第五，坍落度。現場試驗研究表明，當噴砼混凝土的坍落度控制在70~90 mm之間時，噴砼的回彈量小，施工強度滿足施工需求。因此需要加強原料控制，從材料性質、拌和性能等方面開展控制，確保混凝土拌和性能，并且有效控制其坍落度。

第六，拌和溫度。拌和溫度對原料拌和具有直接的影響，也會影響到噴砼回彈量。溫度太高或態度都將會影響混凝土水化過程，增加混凝土回彈量。因此需要將拌和料溫度控制在10~30 ℃之間，拌和期間需要對溫度進行實時監測，采取有效控制拌和溫度。

4.2 機械設備的控制

選擇合適的噴砼設備，能夠提升施工質量，有效控制噴砼回彈量。濕噴機的選擇是噴砼施工的關鍵設備之一，可以選擇KSP-500型濕噴機。該型濕噴機可以由高壓風帶，將混凝土拌和料和高壓風進行混合后，帶到掌子面。濕噴機的噴嘴前細后粗，可以有效提升噴砼速度，從而提升噴砼效率，也能夠提升噴砼質量。

4.3 施工技術的控制

噴砼施工技術對噴砼回彈量影響很大，加強對施工技術的公職，嚴格按照施工要求開展施工，可以提升噴砼施工質量，減少噴砼回彈量。需要按照以下流程加強施工控制。

第一，處理噴面輪廓。首先需要對噴面輪廓進行處理，確保輪廓圓順，隧道噴砼施工時，必須進行初噴以提升隧道強度。將初噴的厚度控制在4 cm以上。初噴有助于填塞圍巖裂縫，從而提升隧道表面強度，以免隧道開挖后崩塌。利用初噴在圍巖表面形成堅硬的混凝土殼，加固圍巖。

第二，機械設備檢查。施工前必須對機械設備進行全面檢查，包括噴射機械、壓力表、安全閥等，確保設備正常運行，壓力表和安全閥等零部件正常工作。平常要做好設備保養，確保設備狀態良好。

第三，開機準備。只有在系統風壓≥0.5 MPa才能開始噴射施工，如果風壓＜0.5MPa就開始噴射會導致導管堵塞。開機后，對風壓表進行觀察，根據施工情況對風壓和風量進行控制。通過控制風壓確保噴射情況，保證噴嘴出料符合要求，通常拱部噴砼風壓可以控制在0.3~0.5 MPa，邊墻噴砼風壓可控制在0.2~0.4 MPa。

第四，噴射順序。嚴格按照自上而下的順序進行噴射，以便噴射回彈，導致墻角堆積混凝土，影響噴砼密實度。噴砼施工通常選擇分層施工，噴嘴采用螺旋形運行，盡量保持勻速噴砼。

第五，停機操作。噴砼作業完成后，按照規定順序進行停機操作，首先關閉主電機，然后按照振動電機、速凝劑計量開關、主風閥的順利依次關閉。

第六，混凝土養護。噴砼施工完成后，需要立即開展混凝土養護工作。噴砼從噴射到終凝的時間為2 h左右。養護期間，開展灑水養護，養護時間≥7 d，不可暴曬，也不可在低溫情況下開展養護。

5 結語

綜上所述，通過大量現場試驗表明，噴砼回彈量受到多種因素的影響，其中原料、級配、用水、風壓、噴距、設備等均會對噴砼回彈量造成影響，這些因素之間相互聯系又相互制約。在現有的條件下，加強噴砼原料、施工工藝和施工設備的控制，對材料的配合比進行控制以提升混凝土粘接力、控制風壓增強混凝土噴射效率、控制噴砼工藝以改善噴砼質量，最終將隧道噴砼工序時間減少了100 min，而且將回彈量控制在17%，達到工程要求標準，有效地控制了噴砼回彈量。在噴砼回彈量的研究中，結合以往的施工經驗和現場試驗，可以找出相關因素的最佳結合點。在研究的基礎上，加強綜合控制，可以明顯提升施工效益，也可以節約施工成本，推動噴砼工藝的發展。