軟巖地區隧道低回彈噴射混凝土技術

黃姣媚　趙啟雄　戴軍

摘要：文章依托實際工程項目，從濕噴混凝土配合比設計入手，結合施工現場情況對其配合比進行優化，總結出濕噴工藝控制要點，通過與干噴工藝進行對比，分析兩者綜合性能的優劣性。結果表明：噴射混凝土配合比需根據設計配合比及現場施工調試后確定最終的施工配合比；濕噴混凝土回彈率與濕噴角度、濕噴距離、速凝劑摻量及施工人員的熟練程度密切相關；隧道濕噴較干噴在綜合性能方面具有一定的優勢。

關鍵詞：軟巖地區隧道；濕噴混凝土；配合比設計；干噴混凝土；綜合性能

0引言

噴射混凝土作為國內外隧道工程初期支護最普遍的施工工藝，具有高強度、快支護、操作簡單等優勢，特別是在軟弱圍巖地質條件下，配合鋼拱架及系統錨桿作為聯合支護，優點更為明顯。但因其回彈率普遍較高，施工過程中粉塵量較大，對原材料造成了極大的浪費［1］。

黎波［2］從濕噴混凝土的原材料入手，通過配合比的設定及噴射技術的工藝流程展開介紹，對濕噴混凝土技術在隧道項目的應用進行深入分析；何鵬等［3］從回彈機理角度出發，認為先噴射砂漿再噴射混凝土的方法或調整噴射速度的措施能降低濕噴混凝土回彈率。宋云［4］依據混凝土濕噴作業原理設計工藝流程，概述了施工要點，將抗壓強度、破壞荷載、濕噴回彈率均控制在范圍之內。孫海東［5］結合工程實際分析了濕噴混凝土技術，并提出了相應的注意事項，以切實提升濕噴混凝土施工技術在公路工程中的實踐應用水平。

但目前對于低回彈噴射混凝土配合比設計優化及其工藝確定的研究較少。因此，對噴射混凝土性能及其施工控制要點進行分析具有一定的必要性，旨在為隧道工程噴射混凝土施工提供一定的參考和借鑒。

1 工程概況

巴馬至平果段高速公路隧道工程均為雙向六車道，設計速度為120 km/h，設計內輪廓凈寬為19.18 m、凈高為11.19 m。隧道圍巖自穩能力差，無支護時易掉塊、塌方。巖體以中風化粉砂巖夾泥巖為主，巖體總體破碎，結合差，節理裂隙發育，局部泥質等軟弱夾層發育。

2 濕噴混凝土配合比設計

2.1 原材料

（1）水泥：選用廣西登高（集團）田東水泥有限公司生產的P·O 42.5級水泥。

（2）機制砂：選用健康石場生產的0.075～4.75 mm型機制砂。

（3）減水劑：選用北京路智恒信科技有限公司的緩凝高效減水劑。

（4）速凝劑：選用廈門林晟通科技有限公司的HS-S1型速凝劑。

（5）水：水選用平果市黎明鄉飲用水。

2.2 配合比設計

根據《水工混凝土配合比設計規程》（DL/T 5330-2015）規定，混凝土強度試驗至少應采用3個不同水膠比的配合比，其中一個應為確定的配合比，其他配合比的用水量不變，水膠比依次增減，變化幅度為0.05，砂率可相應增減1%［6-7］。因本項目無統計資料計算混凝土強度標準差，故其設計值按現行國家標準《混凝土結構工程施工及驗收規范》（GB 50204）的規定選取σ=5.0。

所以混凝土配置強度為：fcu，0=fcu，k+1.645σ=25+1.645×5.0=33.2 MPa

水膠比為：W/C=aa fb/（fcu.0+aaabfb）=0.53×48.4/（33.2+0.53×0.20×48.4）=0.67，校核基準水膠比選取0.39。因此，該試驗水膠比分別按照0.34、0.39和0.44進行試驗，試塊養護時間分別按照1 d、7 d、28 d后進行水泥混凝土抗壓試驗檢測。因此，根據C25噴射混凝土配合比設計書，每立方混凝土用料表如表1所示。

2.3 抗壓強度測試

試驗主要根據《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》（JTG 3420-2020）（以下簡稱《試驗規程》）進行，試驗儀器為GL01020008（BP1）142-01～02/I微機控制恒加荷速率壓力試驗機，試驗溫度為22 ℃，濕度為72%，試驗結果如圖1所示。

由圖1可知：

（1）水泥混凝土抗壓強度隨著養護齡期的增大而增大。主要是因為水泥熟料礦物在一定的溫度、濕度條件下隨時間的增長不斷水化，且水泥的水化會隨著時間的推移不斷深入，增多的水泥凝膠體填充于毛細孔中，相應地也增加了膠空比值，于是強度也就隨之不斷增高。

（2）在養護齡期一定的條件下，齡期為1 d的混凝土抗壓強度隨水膠比的增大而逐漸增大，齡期為7 d和28 d的混凝土強度隨著水膠比的增大而逐漸減小。主要是由于水泥在固化過程中，3 d內水泥的強度增長速度較快，3～7 d內水泥強度增長放慢，28 d后基本就不會增加了。

（3）根據設計要求，確定水膠比為0.39。其中水膠比為0.34的水泥混凝土在28 d的抗壓強度高出設計水膠比水泥混凝土抗壓強度的23.8%，抗壓強度滿足要求，但會導致使用更多的原材料）。水膠比為0.44的水泥混凝土在28 d的抗壓強度小于設計抗壓強度，不滿足設計要求。而水膠比為0.39的水泥混凝土抗壓強度剛好滿足設計要求，又不會浪費更多的原材料，所以最終確定水膠比為0.39的水泥混凝土配合比為施工配合比。

2.4 稠度測試

試驗主要根據《試驗規程》進行，試驗溫度為22 ℃，濕度為74%，攪拌方式為機械攪拌加人工拌和，試驗數據如表2所示。

根據設計要求、構件截面尺寸和施工工藝的特點，選取坍落度T=140～180 mm。

由表2可知：3種水膠比下水泥混凝土坍落度均滿足設計要求，為140～180 mm。因此，依據抗壓強度試驗，選擇水膠比為0.39的水泥混凝土更適合施工配合比的設計。

2.5 表觀密度測試

試驗溫度為22 ℃，濕度為74%，攪拌方式為機械攪拌加人工拌和，設計混凝土容重mcp=2 365 kg/m3。該試驗水膠比分別按照0.34、0.39和0.44進行試驗，試驗數據如表3所示。

由表3可知：

（1）水泥混凝土表觀密度測定值隨著水膠比的增大逐漸減小。主要是由于在體積一定的條件下，隨著水膠比的增加，集料越稀疏，單位體積內混凝土質量越小，從而導致表觀密度逐漸減小。

（2）由于設計混凝土容重為2 365 kg/m3，在水膠比為0.39的情況下，混凝土表觀密度剛好滿足設計要求，因此由表觀密度試驗確定水膠比為0.39的水泥混凝土配合比更適用于施工配合比。

（3）綜合上述3個試驗結果分析確定采用配合比Ⅰ來指導施工。

3 噴射混凝土配合比優化

3.1 濕噴角度測試

本試驗以噴射工作面與濕噴嘴之間的夾角作為控制因素，分別設置45°、60°、70°、80°和90°五個設計噴射角度，根據施工經驗確定濕噴距離為1 m，通過回彈率來確定最終噴射角度。濕噴角度測試結果統計如下頁圖2所示。

由圖2可知，隨著濕噴角度的增大，回彈率逐漸減小。主要是因為隨著噴射角度的增大，受噴面范圍也逐漸增加，噴射能量就會分散，從而導致回彈率降低。因此，在噴射混凝土施工過程中，應盡量保持噴嘴與噴射面垂直，以獲得良好的密實性。本試驗建議噴射角度為90°。

3.2 噴射距離測試

本試驗以噴射工作面與濕噴嘴之間的距離作為控制因素，分別設置0.6 m、0.8 m、1.0 m、1.2 m和1.4 m五個設計噴射距離，根據上述試驗確定的濕噴角度為90°，通過回彈率來確定最終噴射距離。濕噴距離測試結果統計如圖3所示。

由圖3可知，濕噴混凝土回彈率隨著濕噴距離的增加先減小后增大，而在濕噴距離為1 m時回彈率達到最低值，與施工經驗距離一致。主要原因是噴射距離越小，噴射混凝土抵達噴射工作面時速度較大，噴射能量較大，從而噴射混凝土在噴射工作面上更加密實，強度較大，在重力作用下不易脫落，使濕噴混凝土回彈率降低。因此，本試驗建議濕噴混凝土噴嘴與受噴面距離為1 m。

3.3 速凝劑摻量測試

根據設計配合比速凝劑摻量為23.3 kg/m3，但經現場測試后發現回彈率較大，造成材料的浪費。因此，對速凝劑摻量進行測試具有一定的必要性。通過對速凝劑摻量的不斷調試，確定速凝劑摻量為28.55 kg/m3、30.55 kg/m3、32.55 kg/m3、34.55 kg/m3和36.55 kg/m3，分別進行濕噴測試。其中濕噴角度控制為90°，濕噴距離控制為1 m，通過回彈率來確定最終速凝劑摻量。速凝劑摻量測試結果統計如圖4所示。

由圖4可知，濕噴混凝土回彈率隨著速凝劑摻量的增加先減小后增大，當速凝劑摻量為32.55 kg/m3時，混凝土回彈率達最低值，僅為14%。根據回彈機理，附著在噴射面上未來得及凝結的混凝土因凝結速度慢，內部粘聚力較低，在后續噴射混凝土的沖擊下被沖掉；隨著速凝劑摻量的增加，混凝土凝結時間縮短，內部粘聚力增加，強度增大，損失減小。所以速凝劑摻量較少時，混凝土凝結時間較慢，粘聚力較小，噴射混凝土容易掉塊；而速凝劑摻量過大時，混凝土凝結速率較快，導致混凝土在噴射到工作面時會凝結成硬核而被彈回。因此，本試驗建議濕噴混凝土速凝劑摻量為32.55 kg/m3。

3.4 施工人員的熟練程度測試

在施工過程中發現，濕噴機械手操作人員的熟練程度對濕噴混凝土回彈率的影響較大。因此，針對施工人員的熟練程度對濕噴混凝土回彈率展開測試，測試通過收集連續施工7 d的回彈率進行分析，其中濕噴角度控制為90°，濕噴距離為1 m，速凝劑摻量為32.55 kg/m3。測試結果如圖5所示。

由圖5可知，濕噴混凝土回彈率隨著施工次數的增加而降低，且在5 d后逐漸趨于穩定。主要因為濕噴機械手操作人員對于濕噴機械的掌握程度逐漸熟悉且穩定，從而可以更好地控制濕噴角度、濕噴距離及噴射方式。

4 濕噴工藝與干噴工藝綜合性能對比

4.1 工藝對比

干噴是直接將水泥、瓜米石及照設計比例在干噴機械手料倉內攪拌均勻，然后通過壓縮空氣將干集料在軟管內呈懸浮狀態壓送至噴槍，再由噴頭處融入水后噴出［8-9］，如圖6所示。濕噴是將水泥、瓜米石、砂和水按設計比例在拌和站拌和均勻后運至濕噴機械手料倉內，然后由濕噴機壓送至噴頭處，再由噴頭處融入速凝劑后噴出［10］，如圖7所示。

由圖6和圖7可知：

（1）濕噴工藝流程較干噴工藝流程復雜，有利于提高濕噴混凝土質量。

（2）濕噴機械手結構復雜，導致機械清理過程繁瑣，而干噴機械手結構較簡單，機械清理過程比較容易。

（3）干噴工藝不需要減水劑，且在干骨料攪拌過程中，各材料混合均勻性較差，導致干噴混凝土質量不易控制。

4.2 性能對比

根據室內試驗及現場測試，最后確定濕噴與干噴的配合比及單價如表4所示。

本文以隧道出口左洞濕噴工藝與隧道進口右洞干噴工藝進行數據對比分析，主要對噴漿時間、回彈率、噴射效率、每延米噴射方量進行對比分析，對隧道噴射混凝土工藝的選擇提供一定的參考，具體數據如圖8所示。

由圖8可知：

（1）每延米濕噴所用時間比干噴短，噴射效率高，濕噴工藝可節約一定的時間成本。

（2）濕噴的回彈率比干噴回彈率低40%，每延米濕噴混凝土方量較干噴降低26%，可大量節省材料成本。

4.3 成本對比

根據設計圖紙及現場施工統計，對隧道濕噴與干噴的成本進行對比分析，如圖9所示。

由圖9可知：

（1）濕噴混凝土配合比中比干噴混凝土多了減水劑，且濕噴混凝土中速凝劑價格較干噴貴，但濕噴混凝土所用方量較小，故濕噴混凝土每延米單價比干噴混凝土單價低，設計每延米單價降低了32.3%，實際每延米單價降低了6%，其中實際每延米降低單價與設計每延米單價差距較大，主要是由于超欠挖方量引起。

（2）濕噴工藝每噴射1方混凝土機械價格比干噴貴，主要是由于濕噴機械手價格昂貴，兩者人工及材料成本基本一致。

4.4 環保性對比

在施工過程中，濕噴作業時幾乎沒有灰塵出現，且噪音較小，而干噴作業時出現大量灰塵，且噪音較大。

綜合施工效率、成本及環保三方面考慮，本研究建議使用濕噴工藝進行隧道初支噴射混凝土施工。

5 結語

（1）濕噴混凝土配合比首先需要在實驗室進行配合比的初試，然后再根據現場施工情況進行調節，最終確定最佳配合比。

（2）濕噴混凝土回彈率與濕噴角度、濕噴距離、速凝劑摻量及施工人員的熟練程度密切相關。其中，建議噴射角度控制為90°，噴射距離控制為1 m，速凝劑摻量為32.55 kg/m3。

（3）濕噴較干噴所用時間短，噴射效率高，濕噴工藝可節約一定的時間成本，且濕噴過程中回彈率很小；濕噴混凝土每方單價與干噴混凝土單價基本一致。從環保性分析得出，采用濕噴工藝施工相比干噴工藝施工更環保，施工現場粉塵很少，噪音很小，能夠消除靜電作用對人體的危害，所以建議隧道初支混凝土施工采用濕噴工藝進行施工。

參考文獻：

［1］朱躍球，孫來超.淺談隧道濕噴超耗的原因及改進措施［J］.西部交通科技，2018（4）：129-132.

［2］黎 波.隧道施工混凝土噴射施工技術［J］.黑龍江交通科技，2021，44（2）：136-137.

［3］何 鵬，曹宇春.濕噴混凝土的回彈機理試驗研究［J］.浙江科技學院學報，2019，31（3）：247-252.

［4］宋 云.濕噴技術在隧道施工中的應用［J］.交通世界（下旬刊），2021（15）：54-55，61.

［5］孫海東.高速公路隧道工程中濕噴混凝土的施工技術［J］.黑龍江交通科技，2020，43（12）：147-148.

［6］李佳夢，韓 斌，吳建勛，等.濕噴混凝土配合比優化試驗［J］.現代礦業，2014，30（12）：156-159.

［7］寧逢偉，丁建彤，白 銀，等.濕噴混凝土回彈率影響因素的研究進展［J］.水利水電技術，2018，49（1）：149-155.

［8］閆高文.大型噴射混凝土機械手濕噴工藝施工技術［J］.2021（23）：119-120.

［9］范仁玉.隧道噴射混凝土濕噴工藝［J］.低碳世界，2019，9（6）：254-255.

［10］湯遠亮，解蘭生.干法噴射混凝土施工［J］.價值工程，2010，29（6）：254.

作者簡介：黃姣媚（1986—），工程師，主要從事公路工程試驗檢測與技術管理工作。