隧道噴射混凝土高回彈率原因及控制措施

馬草原，牟明俊，歐陽(yáng)祿龍

(中國(guó)建筑土木建設(shè)有限公司，北京 100070)

1 工程概況

某高速公路隧道工程全長(zhǎng)為13.2 km，穿越數(shù)條大斷裂帶和數(shù)十條斷層破碎帶，經(jīng)過(guò)水文地質(zhì)勘察結(jié)果顯示，該段地下涌水多且地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。通過(guò)對(duì)已完成噴射混凝土施工經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)施工中存在噴射支護(hù)厚度未達(dá)標(biāo)、回彈率高、混凝土脫落等情況，其中以高回彈率問(wèn)題最為突出，導(dǎo)致隧道工程的整體噴射支護(hù)效果差，現(xiàn)場(chǎng)噴射效果如圖1所示，嚴(yán)重影響隧道工程的整體施工質(zhì)量與進(jìn)度。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)噴射效果圖

2 高回彈率原因

為確保隧道工程的施工質(zhì)量與進(jìn)度，在充分了解施工現(xiàn)場(chǎng)噴射混凝土高回彈率問(wèn)題的基礎(chǔ)上，從影響噴射混凝土的回彈率大小的3個(gè)主要因素上著手分析高回彈率原因。

2.1 原材料質(zhì)量

在隧道噴射混凝土施工中，原材料質(zhì)量對(duì)回彈率的大小有著直接影響，如果出現(xiàn)原材料質(zhì)量不合格，就會(huì)引起高回彈率問(wèn)題。如果水泥材料的初凝速度過(guò)低，就會(huì)出現(xiàn)回彈率過(guò)高問(wèn)題；如果在施工中砂子過(guò)粗，導(dǎo)致砂子與碎石不能均勻混合，回彈率會(huì)顯著增大，而在該隧道工程中，所采用的是砂子細(xì)度模數(shù)為3.2、含泥量為4.2%的中粗砂，符合施工要求，不影響回彈率。對(duì)采購(gòu)不同批次的水泥摻量5%速凝劑進(jìn)行測(cè)試，檢測(cè)結(jié)果顯示均滿足標(biāo)準(zhǔn)中合格品凝結(jié)時(shí)間檢測(cè)指標(biāo)的要求，但不同采購(gòu)批次的水泥顏色存在差異，說(shuō)明水泥存在明顯品質(zhì)波動(dòng)。由此可見(jiàn)，水泥品質(zhì)影響了回彈率大小。

2.2 噴射混凝土配合比

配合比直接決定著噴射混凝土的回彈率大小，因此在一般情況下，噴射混凝土配比都是根據(jù)隧道初期支護(hù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并嚴(yán)格控制水泥、砂子、減水劑等材料質(zhì)量。在該隧道施工中，根據(jù)隧道初期支護(hù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，噴射混凝土采用的是和易性較好的C25混凝土，配合比如表1所示。并在施工前對(duì)水泥、砂子、速凝劑等原材料的品質(zhì)、性能進(jìn)行檢驗(yàn)，各項(xiàng)性能指標(biāo)均能滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，其工作性如表2所示。

表1 C25混凝土配合比 單位：kg/m3

表2 混凝土的工作性

由表2可知，混凝土各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求，具有較好的和易性，且在施工中并未出現(xiàn)和易性不良問(wèn)題。由此可見(jiàn)，在隧道工程中噴射混凝土的配合比是滿足噴射施工要求的不會(huì)引起高回彈率。

2.3 噴射工藝

噴射工藝是影響噴射混凝土高回彈率的主要原因，而噴射工藝主要受混凝土噴射厚度、噴射角度、風(fēng)壓、水壓等因素的影響。本次隧道施工中，噴射施工中主要存在以下問(wèn)題。

1)噴射混凝土流動(dòng)性較大。在噴射混凝土施工過(guò)程中，由于混凝土入噴射機(jī)坍落度為150 mm，導(dǎo)致混凝土流動(dòng)性不足，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)料困難，相關(guān)操作人員在作業(yè)過(guò)程中往混凝土中加水，使得混凝土的流動(dòng)速度增大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)混凝土設(shè)計(jì)要求的坍落度。當(dāng)混凝土加水后，混凝土在凝結(jié)硬化過(guò)程中需要更多的速凝劑，但是速凝劑的量是一定的，隨著自由水量的增多，凝結(jié)硬化時(shí)間變長(zhǎng)，噴射混凝土的回彈率也隨之增加。

2)單層噴射厚度過(guò)厚。本次噴射混凝土施工為降低回彈率，采取分層噴射。但是，從單層噴射厚度來(lái)看，拱腳和拱肩的一次性噴射滿足設(shè)計(jì)厚度，而拱頂?shù)膯螌訃娚浜穸冗^(guò)厚，導(dǎo)致粘結(jié)在拱頂巖面的粘結(jié)力不足以抵消混凝土自身的重力，使得混凝土發(fā)生脫落，增加了回彈率。

3)噴射角度不正確。在噴射施工中，噴嘴與隧道弧面切線并未呈90°，導(dǎo)致噴射機(jī)噴射混凝土的噴射力F自動(dòng)分解為擠壓混凝土的力F1和剪切混凝土的力F2，具體如圖2所示，如果混凝土凝結(jié)硬化產(chǎn)生的抗彎力難以抵消剪切力，就容易產(chǎn)生混凝體脫落現(xiàn)象，進(jìn)而增加回彈率。

圖2 噴射力示意圖

4)噴射風(fēng)壓過(guò)低。據(jù)研究表明，風(fēng)壓過(guò)高或過(guò)低都會(huì)造成混凝土脫落，從而增加回彈率。如果噴射風(fēng)壓過(guò)低，會(huì)使混凝土受壓實(shí)力不足，并導(dǎo)致噴射的混凝土不能與受噴面黏結(jié)密實(shí)，造成混凝土脫落，最終增大混凝土的回彈率。

3 控制措施

針對(duì)噴射混凝土高回彈率出現(xiàn)原因，本文主要從原材料質(zhì)量控制、優(yōu)化材料配合比以及加強(qiáng)工藝要點(diǎn)管理等方面，提出相應(yīng)的控制措施，以有效降低噴射混凝土回彈率。

3.1 嚴(yán)格控制原材料質(zhì)量

為有效降低回彈率，在施工過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制原材料質(zhì)量。根據(jù)以上論述，主要控制水泥質(zhì)量。本次隧道混凝土噴射施工中，在水泥、砂子、減水劑等原材料的各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足相關(guān)要求且保持均勻穩(wěn)定的情況下，在原材料保存時(shí)應(yīng)在分批次驗(yàn)收合格后分類入倉(cāng)，不得隨意變更原材料產(chǎn)地與批次。同時(shí)，還應(yīng)將速凝劑與水泥的檢測(cè)基準(zhǔn)樣封存，做好水泥同速凝劑的匹配性，提升水泥品質(zhì)的穩(wěn)定性，避免出現(xiàn)水泥品質(zhì)波動(dòng)問(wèn)題。

3.2 優(yōu)化材料配合比

在施工中要準(zhǔn)確計(jì)量各原材料，嚴(yán)格控制混凝土攪拌時(shí)間，確保拌合物質(zhì)量均勻穩(wěn)定，使出機(jī)料具備良好的和易性。同時(shí)，還應(yīng)針對(duì)噴射施工中出現(xiàn)的混凝土流動(dòng)性問(wèn)題，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況對(duì)配合比進(jìn)行優(yōu)化，當(dāng)出現(xiàn)混凝土流動(dòng)性不足時(shí)，嚴(yán)禁在噴射施工前加水，應(yīng)通過(guò)優(yōu)化配合比，如適當(dāng)增加減水劑摻量或改善減水劑的保塑效果等。對(duì)于因待料時(shí)間過(guò)長(zhǎng)已初凝的混凝土作廢料處理，可有效減少回彈率。

3.3 加強(qiáng)工藝要點(diǎn)管理

針對(duì)上述噴射工藝缺陷，要想降低噴射混凝土回彈率，就必須加強(qiáng)工藝要點(diǎn)管理。主要從以下幾個(gè)方面著手。

1)分層噴射厚度控制。混凝土黏結(jié)在拱頂巖面的黏結(jié)力不足以抵消混凝土自身的重力而出現(xiàn)脫落現(xiàn)象。因此，需要結(jié)合不同噴射部位混凝土的下墜力不同的特點(diǎn)，合理調(diào)整速凝劑摻量，通常情況下拱頂速凝劑摻量要大于拱腳、拱肩速凝劑摻量。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，每層厚度控制在5 cm以內(nèi)，噴嘴繞受噴巖面做橢圓形運(yùn)動(dòng)，先進(jìn)行拱腳處理，然后開(kāi)展邊墻和拱腰處理，最后噴射拱頂部分，相鄰區(qū)域間隔時(shí)間不得低于3 min，避免在噴射壓力的作用下，導(dǎo)致混凝土脫落。

2)噴射角控制。根據(jù)上文論述，噴嘴與隧道弧面切線的角度宜控制為 90°，以降低回彈率。但是，在噴射邊墻結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)將噴嘴適當(dāng)向下傾斜10°左右，這樣才能確保噴射的混凝土束可以落在厚度較大的混凝土頂端區(qū)域，減少回彈量。

3)風(fēng)壓管理。在噴射過(guò)程中，噴射風(fēng)壓宜控制在 0.8～0.9 MPa，避免因噴射風(fēng)壓過(guò)低，影響混凝土的受壓實(shí)力，使噴射的混凝土不能與受噴面黏結(jié)密實(shí)，造成混凝土脫落，增大回彈率。同時(shí)還應(yīng)合理控制噴嘴與受噴面的距離，因距離過(guò)大而導(dǎo)致噴射密實(shí)度不足，最終導(dǎo)致混凝土脫落。

除上述幾點(diǎn)外，在隧道噴射混凝土施工中，誤操作也是造成高回彈率的一個(gè)重要原因。因此，在進(jìn)行噴射施工前，必須組織相關(guān)人員進(jìn)行專業(yè)技術(shù)、噴射工藝技能等培訓(xùn)，增強(qiáng)其專業(yè)技能和作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，能夠在施工中按照規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)施工，合理控制回彈率，提升噴射施工質(zhì)量和標(biāo)準(zhǔn)化程度。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著高速公路、鐵路建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，噴射混凝土施工技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越廣泛。高回彈率是噴射混凝土施工技術(shù)中最主要的問(wèn)題，因此本文結(jié)合實(shí)際案例展開(kāi)分析，水泥品質(zhì)的穩(wěn)定性和噴射混凝土配合比是影響噴射混凝土回彈率大小的重要參數(shù)，而噴射厚度、角度、風(fēng)壓等噴射工藝是噴射混凝土回彈率大小的關(guān)鍵要素。針對(duì)高回彈率出現(xiàn)的原因提出合理、有效的控制措施，降低噴射混凝土回彈率，有效提高噴射施工質(zhì)量。