隧道噴射混凝土超耗原因分析及控制措施

馬草原，牟明俊，趙得權

(中國建筑土木建設有限公司，北京 100070)

0 引言

噴射混凝土是用噴射機以適當的壓力將摻有速凝劑的粗細骨料混凝土高速噴射到隧道巖壁表面或混凝土的表面而形成。在隧道施工中，噴射混凝土質量直接影響著施工成本和施工質量。噴射混凝土工藝中，受諸多因素的影響，在噴射施工中經常發生混凝土超耗、回彈率高、噴射厚度不均勻等問題，不僅增加施工成本，同時還會影響工程的整體施工質量。本文以混凝土超耗為研究課題，結合某隧道工程實例，對隧道噴射混凝土超耗問題進行了詳細研究。

1 工程概況

某隧道工程全長14.09 km，隧道進口里程 DK345+400，出口里程 DK359+490，為單洞雙線，其中左線DK345+400—DK353+120，全長7 720 m；右線DK353+120—DK359+490，全長6 370 m。根據水文地質勘察結果顯示，該處地質多為Ⅳ級圍巖，隧道地下涌水多且地質情況較復雜，最大涌水量約為80 000 m3/d，不良地質為巖溶、危巖落石、高地溫等，無特殊巖土。該隧道采用光面爆破法與機械手濕噴工藝，從施工情況來看，施工中線性超挖偏大、噴射混凝土回彈量大等問題導致隧道噴射混凝土嚴重超耗。

根據統計數據顯示，在當年3月31日—4月30日施工期間，該隧道左線設計噴射混凝土用量為1 690.20 m3(見表1)，實際混凝土用量為5 070.60 m3，超耗量為3 380.40 m3；右線設計噴射混凝土用量為1 870.64 m3，實際混凝土用量為2 677.92 m3，超耗量為2 414.28 m3。

表1 噴射混凝土超耗量

如果噴射混凝土按照700元/m3的價格計算，3月31日—4月30日施工期間，該次隧道工程噴射混凝土超耗造成的成本損失為：(3 380.4+2 414.28)m3×700元/m3=405.63萬元。

2 隧道噴射混凝土超耗原因

通過上述隧道噴射混凝土超耗現狀分析，在充分了解施工現場噴射混凝土超耗問題的基礎上，主要從線性超挖、噴射混凝土回彈、現場管理不到位3個角度分析了噴射混凝土超耗原因。

2.1 線性超挖

2.1.1 測量放樣

由于測量人員在測量放樣時，只是測量隧道開挖輪廓線和周邊眼位置，并未對內圈眼位置進行標識，加上鉆孔作業人員操作隨意，導致內圈眼形狀未形成輪廓，光爆層厚度不均勻，容易出現線性超挖。同時爆破完成后，測量人員未及時對開挖斷面進行測量，不能為線性超挖分析提供必要的數據支撐。

2.1.2 鉆孔作業

周邊眼間距設計為40～50 cm，但在此次鉆孔作業時，施工人員未嚴格控制周邊眼間距，甚至個別達到60～70 cm，遠遠超過設計要求；以及開挖臺架設計等原因，使得隧道的輔助眼不能形成平順圓弧，不利于控制線性超挖。同時，操作過程中，在施工現場操作空間以及作業人員操作水平的影響下，掏槽眼角度、鉆孔外插角等不嚴格，鉆孔眼底深淺不一，出現比較嚴重的隧道超欠挖現象。

2.1.3 裝藥與爆破

在實際操作中，裝藥量并未按照設計的藥量進行，完全憑借炮工經驗，裝藥密度高達0.5～0.6 kg/m，遠遠超出設計值，容易出現“掛門簾”和底部“巖坎”現象。同時周邊眼采取連續裝藥結構，影響隧道超挖的線性控制。

2.2 噴射混凝土回彈

混凝土超耗的主要原因是噴射混凝土回彈，而影響噴射混凝土回彈量的因素主要有原材料質量、配合比設計、混凝土拌合質量。

2.2.1 原材料質量

噴射混凝土是由水泥、砂、碎石、水以及外加劑等材料，按照一定比例組成的混合料。材料的性能對混凝土回彈量的影響具有差異性，其中速凝劑和機制砂的影響較大。①速凝劑的影響：在確定速凝劑摻量時，應充分考慮初、終凝時間以及速凝劑與水泥的相容性問題。在本次隧道噴射施工中，由于配合比中速凝劑與水泥的融合性較差，導致噴射施工中混凝土回彈量較大。②機制砂的影響：根據原配合比可知，機制砂細度模數為3.2，偏粗，且機制砂中的石粉含量為3%～4%，含量較低，嚴重影響機制砂性能，進而影響噴射混凝土的彈性模量，增加噴射混凝土的回彈量。

2.2.2 配合比設計

根據原配合比設計方案可知，并未摻加減水劑，影響混凝土的性能。在噴射過程中存在加水現象，降低了混凝土的強度。加上機制砂中的石粉含量較低，導致噴射混凝土回彈率達15%左右，造成混凝土材料嚴重浪費。

2.2.3 混凝土拌合質量

由于混凝土生產期間拌合站對原材料管理工作未落實到位，混倉現象時有發生，混凝土拌合存在質量問題。加上混凝土出廠時質量檢查不嚴格以及運輸途中溫度散失等因素，導致噴射現場的混凝土工作性能不合格。

2.3 現場管理不到位

除了上述2個技術原因，現場管理不到位也是造成隧道噴射混凝土超耗的主要原因。在本次隧道施工中，由于缺乏對噴射混凝土施工的重視，導致線性超挖和噴射混凝土超耗專項治理組織架構不完善，職責不清晰，獎罰未落實，現場管理嚴重不到位。一是技術交底落實不徹底。雖然對噴射的機械配置、工藝工法等進行了交底，但在現場仍出現光爆孔間距與光爆層厚度倒置現象，存在落實不徹底情況；二是缺少預留變形量的動態管理。在施工中并未圍巖量測結果對預留變形量進行動態調整，增加噴射混凝土超耗；三是機械排險和人工排險都存在很大隨意性：未認真采取應對措施，導致線性超挖和噴射混凝土超耗問題嚴重。

3 控制措施

針對上述噴射混凝土超耗原因，本文主要從控制線性超挖、控制噴射混凝土回彈量，以及強化現場管理等方面，提出相應的控制措施，以有效控制噴射混凝土超耗量。

3.1 控制線性超挖

為有效控制線性超挖，減少噴射混凝土消耗，必須從測量、鉆孔質量、裝藥和爆破等方面加強控制。

3.1.1 加強測量工作

根據隧道地質及掌子面圍巖情況，確定開挖輪廓線和炮孔位置，并準確標識隧道中線、水平線、開挖輪廓線和逐個周邊眼的位置。同時還應準確標出內圈眼孔位，確保光爆層厚度均勻，避免出現線性超挖。此外，爆破完成后，測量人員應及時采用全站儀或三維激光掃描儀對開挖斷面進行測量，統計并分析隧道超欠挖情況，為噴射混凝土超耗分析提供可靠數據依據。

3.1.2 嚴格控制鉆孔質量

在鉆孔作業前，施工人員不僅要熟悉炮眼布置，同時還不得隨意改動周邊眼和掏槽眼的位置、間距及數量，嚴格按照設計要求進行鉆孔。鉆孔作業時，要做到“準、直、齊”，鉆孔位置誤差應不大于5 cm。當周邊眼眼深3 m時，鉆孔外插角小于3°，并嚴格按照周邊眼、掏槽眼—臨近周邊眼的一圈輔助眼—剩余輔助眼—其他炮眼的順序進行鉆孔，避免鉆孔眼底深淺不一，提高鉆孔質量。

3.1.3 嚴格控制裝藥和爆破

根據圍巖情況合理選擇爆破方式，本次隧道工程采用光面爆破法。周邊眼采取間隔裝藥，并采用PVC 管準確定位裝藥，藥量隨掌子面圍巖的變化及時進行動態調整，有效控制隧道線性超挖。爆破時，使用水炮泥封堵周邊眼、掏槽孔、輔助孔的孔口，降低爆破振動強度及煙塵含量。

3.2 控制噴射混凝土回彈量

控制噴射混凝土回彈量不僅能減少混凝土超耗量，還能優化隧道施工環境，實現綠色施工的目標。

3.2.1 嚴把材料質量關

由于原配合比中使用的速凝劑與水泥的融合性較差，因此需要更換另一品牌的速凝劑，與水泥具有良好的融合性。同時更換后的速凝劑滿足初凝時間不大于5 min、終凝時間不大于10 min的要求。調整機制砂的參數，將其細度模數控制在2.8，石粉含量控制在5%～7%，通過實踐證明，噴射混凝土回彈得到明顯改善。粗骨料選用粒徑在15 mm以內的碎石，可有效降低噴射混凝土的回彈量，提高噴射混凝土支護強度，同時還能解決噴射管道堵塞的問題。

3.2.2 優化配合比

通過反復試驗、調整配合比，本次隧道噴射混凝土選定的混凝土等級為C25，配合比參數為：P·O 42.5水泥、機制砂、粒徑為5～10 mm的碎石、減水劑以及速凝劑，混凝土工作性能最佳。從試驗段施工情況來看，優化配合比后的混凝土綜合性能得到顯著提升，不僅噴射混凝土強度得到提高，噴射混凝土回彈量也大幅度下降，混凝土的工作性能如表2所示。

表2 混凝土的工作性

3.2.3 嚴格控制噴射混凝土材料的質量

不僅要加強拌合站管理，提升原材料管理質量，適當延長混凝土攪拌時間，延長攪拌時間控制在35～60 s；還應根據運輸距離，合理調整混凝土坍落度，控制在140～180 mm。此外，對進場的混凝土進行嚴格檢測，防止不合格混凝土入場。

3.3 強化現場管理

為強化現場管理，應建立健全線性超挖和噴射混凝土超耗專項治理組織架構，根據工作內容，明確各方職責。根據隧道地質條件、設備配置、圍巖情況等選擇合理的施工方法，并編制詳細的施工方案，逐級做好技術交底工作，使操作人員掌握施工技術要點及施工流程，規范作業，降低混凝土的回彈率。根據監控量測結論隨時調整隧道預留變形量，實現動態管理，降低噴射混凝土超耗。在爆破結束后，安排專人監督檢查機械排險工作，避免因責任意識差、方法不當等造成局部線性超挖，增加噴射混凝土超耗。此外，為提升現場管理質量，獎罰考核是必要的。根據每月噴射混凝土超耗指標，對現場技術、測量、試驗、操作等人員進行獎優罰劣，提高責任意識。

4 控制效果

4.1 線性超挖控制效果

通過在施工現場采取上述的線性超挖控制措施，經過3個多月的實踐，隧道平均線性超挖由36.5 cm下降至12.8 cm，線性超挖量得到了有效控制，如圖1所示。

圖1 線性超挖控制效果趨勢圖

4.2 噴射混凝土回彈量減少

經過材料質量控制和配合比優化后，在隧道的后續噴射施工中回彈量大大減少，不僅節約了施工成本，還減少了資源浪費。

4.3 提升現場管理能力

通過開展線性超挖和噴射混凝土超耗專項治理活動，大大改善了線性超挖和噴射混凝土超耗現象，提高了全員的責任意識，使項目部的現場管理能力得到提升。

4.4 噴射混凝土超耗控制效果

通過控制線性超挖、噴射混凝土回彈以及強化現場管理等措施，經過3個多月的實踐，發現隧道噴射混凝土超耗率由200%下降至90%，如圖2所示。

圖2 噴射混凝土超耗控制效果趨勢圖

5 結語

噴射混凝土是隧道施工中的重要環節，如果發生噴射混凝土超耗問題，不僅影響施工成本，還會對隧道支護效果造成影響，因此必須采取有效措施來控制噴射混凝土超耗。本文以某隧道施工為例，針對隧道噴射混凝土出現超耗的原因，總結出相應的控制措施，如控制線性超挖、控制材料質量、改善速凝劑、優化配合比，以及強化現場管理等，噴射混凝土超耗控制效果良好，經濟效益明顯。