隧道噴射混凝土回彈量控制技術(shù)研究

張清帥 廖梓材

摘要：文章以廣西崇愛(ài)高速公路觀音山隧道為依托，從混凝土各物料質(zhì)量、物料間配合比以及噴射工藝等方面，探討隧道噴射混凝土回彈率高的影響因素，并提出相應(yīng)降低回彈量的措施，以降低隧道初期支護(hù)成本、減少風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：隧道；噴射混凝土；正交試驗(yàn)；回彈量控制

中圖分類(lèi)號(hào)：U455.48+1A311034

0引言

噴射混凝土作為目前山體隧道復(fù)合式襯砌初期支護(hù)中的主要手段之一，具有支護(hù)及時(shí)、支護(hù)強(qiáng)度高、密實(shí)度好、施工方便、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)。但其回彈量過(guò)高導(dǎo)致混凝土的大量浪費(fèi)，一直是噴射混凝土施工過(guò)程中難以解決的重難點(diǎn)問(wèn)題，究其原因在于混凝土配合比、外加劑的使用及施工工藝等。本文以廣西崇左-愛(ài)店高速公路第二分部K31+666～K34+076段觀音山隧道施工段為項(xiàng)目依托，探究隧道噴射混凝土回彈行為的影響因素及控制措施。

1工程概況

觀音山隧道位于廣西寧明縣觀音山森林公園，是水口-崇左-愛(ài)店公路的關(guān)鍵性控制工程。隧道為分離式小凈距特長(zhǎng)隧道，大致呈東北-西南走向。隧道左線(xiàn)長(zhǎng)度為4 790 m，右線(xiàn)長(zhǎng)度為4 820 m，設(shè)計(jì)為單洞單向雙車(chē)道，采用三心圓的拱形斷面，開(kāi)挖尺寸凈寬為12.80 m、凈高為10.15 m。愛(ài)店端洞門(mén)處于傍山側(cè)坡地區(qū)，其中左線(xiàn)位于外側(cè)，覆土淺。

觀音山隧道屬特長(zhǎng)隧道，進(jìn)出口同時(shí)施工。愛(ài)店端施工左線(xiàn)2 395 m，右線(xiàn)2 410 m，組織雙口施工。施工范圍為：雙洞Ⅲ級(jí)圍巖2 565 m，約占總長(zhǎng)的52.9%；Ⅳ級(jí)圍巖1 972 m，約占總長(zhǎng)的41.4%；Ⅴ級(jí)圍巖281 m，約占總長(zhǎng)的5.7%，最長(zhǎng)連續(xù)長(zhǎng)度812 m。出口端均為端墻洞門(mén)，左線(xiàn)明洞段為7 m，右線(xiàn)明洞段為10 m。

觀音山隧道噴射混凝土設(shè)計(jì)總量為6.4萬(wàn)m3，現(xiàn)場(chǎng)采用濕噴法進(jìn)行噴射混凝土施工作業(yè)，為實(shí)現(xiàn)“降本增效”的目標(biāo)，需控制好噴射混凝土回彈總量，從而初期支護(hù)降低成本、減少安全風(fēng)險(xiǎn)。

2噴射混凝土回彈影響因素

結(jié)合工作實(shí)際和經(jīng)驗(yàn)，噴射混凝土回彈產(chǎn)生很大差異的主要原因是配合比和施工工藝。

2.1混凝土原材料及配合比

混凝土配合比在混凝土工程中占據(jù)重要地位，影響混凝土作用時(shí)的全方面性能。（1）噴射混凝土膠凝材料與骨料的比值通常保持在1∶4～1∶4.5，因膠凝材料過(guò)少、粘附力小則回彈量大，膠凝材料過(guò)多，則收縮量增大，當(dāng)水泥用量＞400 kg/m3時(shí)，其噴射混凝土的強(qiáng)度將不隨水泥用量增多而提高［1］。（2）混凝土砂率是混凝土流動(dòng)性、粘聚性的主要影響因素，砂用于填充粗骨料之間的間隙，一般認(rèn)為，砂率越大，其流動(dòng)性增大，但當(dāng)砂率超過(guò)一定范圍時(shí)，其流動(dòng)性反而下降；同時(shí)砂具有良好的保水性，增大砂率，其混凝土的保水性能隨之增強(qiáng)，對(duì)混凝土回彈量影響較大。（3）水膠比是決定混凝土強(qiáng)度的關(guān)鍵因素，對(duì)支護(hù)圍巖效果起到?jīng)Q定性影響，尤其在濕法噴射工藝中，水膠比同時(shí)是影響噴射效果的重要因素，因此，其對(duì)混凝土回彈量影響重大。（4）速凝劑摻量可有效縮短初凝時(shí)間和提升混凝土早期強(qiáng)度，在高風(fēng)壓噴射作用下，混凝土早期強(qiáng)度和初凝時(shí)間是影響其回彈量的重要因素，速凝劑摻量越多，早期強(qiáng)度增長(zhǎng)效果越快，但混凝土后期強(qiáng)度會(huì)損失越多。因此，速凝劑摻量是混凝土回彈量與強(qiáng)度的影響因素之一［2］。

2.2噴射工藝的影響因素分析

噴射工藝是噴射混凝土的關(guān)鍵因素，噴射效果好壞將會(huì)直接影響混凝土的回彈量。噴射工藝取決于噴射厚度、角度及距離，且噴射前應(yīng)當(dāng)對(duì)所噴射區(qū)域進(jìn)行清理，以保證噴射效果與施工安全。

2.2.1噴射厚度

施工過(guò)程中，單次噴射混凝土的厚度太大時(shí)，混凝土在自重作用下會(huì)出現(xiàn)散落等現(xiàn)象，噴層也會(huì)在重力的作用下出現(xiàn)裂紋，從而導(dǎo)致大面積坍塌。一次噴射厚度太小，混凝土層太薄則粘附力不足，容易片落，且大骨料與拱架、鋼筋網(wǎng)及基巖接觸更容易回彈，導(dǎo)致噴射面僅留下一層混凝土砂漿，不僅影響回彈量且使其強(qiáng)度大大降低。

2.2.2噴射角度

噴射角度取決于施工人員的經(jīng)驗(yàn)把握，需對(duì)厚度過(guò)大與過(guò)小區(qū)域進(jìn)行調(diào)整，否則容易導(dǎo)致混凝土面厚度不均勻、回彈量過(guò)大。

2.2.3噴射距離

已有研究［3］和工程經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在隧道噴射混凝土施工過(guò)程中，當(dāng)濕噴機(jī)噴嘴與噴射面距離＞1.5 m時(shí)，噴射嘴與噴射面接觸時(shí)的入射角較小會(huì)使混凝土中的粗骨料豎向位移較大，貫入力減小，從而導(dǎo)致回彈量過(guò)大。

3噴射混凝土回彈量控制措施

3.1混凝土原材料選用

噴射混凝土原材料均由觀音山隧道噴射混凝土施工現(xiàn)場(chǎng)提供。主要材料參數(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

3.2噴射混凝土配合比控制

3.2.1噴射混凝土配合比計(jì)算

根據(jù)隧道設(shè)計(jì)圖紙及《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ55-2011）［4］要求進(jìn)行初步配合比計(jì)算。

（1）混凝土配制強(qiáng)度（fcu，0），δ值查表取5.0MPa：

fcu，0=fcu，k+1.645δ=25+5×1.645=33.2MPa

（2）水膠比取值為：

W/B=[SX（]aafb[]fcu，0+aaabfb[SX）]=[SX（]0.53×1.16×42.5[]33.2×0.53×0.2×1.16×42.5[SX）]=0.68

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取水灰比0.35，查表得知用水量mwo=228（kg/m3），外加劑減水率為25%，用水量mwo=228×（1-25%）=171（kg/m3）。

（3）膠凝材料用量mbo=171/0.35=489（kg/m3）。

（4）外加劑摻量為膠凝材料總量的1.6%；mao=489×1.6%=7.82（kg/m3）。

（5）速凝劑摻量為膠凝材料總量的7.0%；ma01=488×7.0%=34.23（kg/m3）。

（6）選定砂率βs=45%（質(zhì)量法）。

（7）計(jì)算粗、細(xì)骨料用量。

采用質(zhì)量法對(duì)混凝土配合比進(jìn)行計(jì)算，假定容重mcp=2 300（kg/m3），則細(xì)骨料mso=738（kg/m3），粗骨料mgo=902（kg/m3）。

通過(guò)計(jì)算結(jié)果確定混凝土初步配合比為：水泥∶細(xì)集料∶粗集料∶水∶外加劑∶速凝劑=489∶738∶902∶171∶7.82∶34.2=1∶1.51∶1.84∶0.35∶0.016∶0.070。按混凝土初步配合比進(jìn)行試拌，試拌25 L拌和物，對(duì)拌和物的性能進(jìn)行測(cè)試，得出其坍落度為110 mm，容重為2 300 kg/m3。

3.2.2噴射混凝土配合比正交試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)對(duì)比試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)對(duì)噴射混凝土的性能的影響規(guī)律，對(duì)三組配合比進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)正交試驗(yàn)［5］，其中基準(zhǔn)為計(jì)算得出的初步配合比，另外兩個(gè)水平的水膠比分別增加和減少0.05，砂率分別增加和減少1%，用水量與試拌配合比保持相同，設(shè)計(jì)出L9（33）的正交試驗(yàn)，分析主要影響因素的權(quán)重，從而找到最優(yōu)試驗(yàn)組。主要因素及水平試驗(yàn)組見(jiàn)表2［6］。

選取觀音山隧道左洞三級(jí)圍巖段進(jìn)行噴射混凝土現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3可知，在噴射混凝土的回彈率指標(biāo)中，5號(hào)試驗(yàn)組效果最好，回彈率為13.3%。根據(jù)噴射混凝土回彈率試驗(yàn)結(jié)果分析，三個(gè)影響因素之間存在顯著性差異，其影響大小排序?yàn)樯奥剩舅z比＞膠凝材料用量（見(jiàn)表4）。故計(jì)算得出該噴射混凝土理論配合比為觀音山隧道噴射混凝土的最佳配合比，詳見(jiàn)表5。

由表6可知，最佳配合比下的混凝土工作性能優(yōu)良、強(qiáng)度滿(mǎn)足要求且經(jīng)濟(jì)合理，故選擇基準(zhǔn)配合比為C25混凝土試驗(yàn)室理論配合比。

3.3噴射工藝

3.3.1噴射厚度

噴層厚度試驗(yàn)選用噴大板法［7］。通過(guò)在試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)噴嘴位置、噴射方向（垂直噴射面）、噴射距離、工作風(fēng)壓等變量進(jìn)行定量分析，分別對(duì)10 cm、20 cm、30 cm、40 cm、50 cm和60 cm等6個(gè)厚度進(jìn)行試驗(yàn)，觀察和統(tǒng)計(jì)在這6個(gè)不同噴層厚度情況下，出現(xiàn)的回彈量情況。根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)分析結(jié)果如圖1所示。

3.3.2噴射角度

噴射角度一直被認(rèn)為是影響濕噴混凝土回彈率最重要的因素［8］。根據(jù)設(shè)計(jì)要求濕噴機(jī)的噴嘴需垂直巖面，噴射束需與巖面的垂線(xiàn)成5°～15°。現(xiàn)場(chǎng)僅以噴射角度為變量，分別進(jìn)行3次試驗(yàn)，根據(jù)數(shù)理分析，確定回彈最低的最佳噴射角度（如表7所示）。

根據(jù)表7顯示，噴射料束與受?chē)娒娲咕€(xiàn)所形成的夾角越小，回彈率越低，試驗(yàn)結(jié)果與MARKUS P［9］的研究成果，即噴射部位間的對(duì)應(yīng)關(guān)系基本一致（見(jiàn)圖2）。

3.3.3噴射距離

根據(jù)觀音山隧道設(shè)計(jì)要求，噴嘴距巖面距離以0.6～1.5 m為宜。根據(jù)已有研究表明，在隧道噴射混凝土施工過(guò)程中，當(dāng)濕噴機(jī)噴嘴與噴射面距離＞1.5 m時(shí)，噴射嘴與被噴射面接觸時(shí)的入射角較小，會(huì)使混凝土中的粗骨料豎向位移較大，貫入力減小，從而導(dǎo)致回彈量過(guò)大。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)3次試驗(yàn)，得出結(jié)果如下頁(yè)表8所示。

由表8可知，噴射嘴與被噴射面的最佳距離為0.8～1.2 m，當(dāng)噴射壓力值出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，間距可適當(dāng)調(diào)整。

綜上，通過(guò)對(duì)噴射混凝土配合比及噴射施工工藝進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析表明，可以通過(guò)優(yōu)化配合比和工藝參數(shù)降低混凝土回彈損失，并提出針對(duì)觀音山噴射混凝土回彈量的控制措施如下：

（1）施工配合比應(yīng)根據(jù)最佳配合比嚴(yán)格制備，并按照其影響大小，即砂率＞水膠比＞膠凝材料進(jìn)行用量的調(diào)配，水膠比以0.35進(jìn)行控制，但砂率不宜過(guò)大，因砂率越大，其流動(dòng)性增大，但當(dāng)砂率超過(guò)一定范圍時(shí)，其流動(dòng)性反而下降，且砂具有良好的保水性。

（2）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施時(shí)，需嚴(yán)格控制初始噴射的厚度，應(yīng)控制在500 mm左右。噴射束與被噴面垂線(xiàn)盡量保持垂直，可減少回彈損失。噴射嘴與被噴射面的最佳距離為0.8～1.2 m，當(dāng)噴射壓力值出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，間距可適當(dāng)調(diào)整。

4結(jié)語(yǔ)

本文以崇愛(ài)高速公路觀音山隧道為項(xiàng)目依托，分析了引起噴射混凝土回彈的因素，得出了觀音山隧道噴射混凝土的回彈損失主要由混凝土配合比以及噴射工藝導(dǎo)致，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證其最佳配合比為水泥∶細(xì)集料∶粗集料∶水∶外加劑∶速凝劑=489∶738∶902∶171∶7.82∶34.2=1∶1.51∶1.84∶0.35∶0.016∶0.070；針對(duì)施工工藝上的主要影響因素噴射厚度、噴射角度、噴射距離等進(jìn)行試驗(yàn)分析，取得最佳施工參數(shù)，即噴射的最佳厚度為500 mm，最佳角度為90°，噴頭與受?chē)娒娴淖罴丫嚯x為0.8～1.2 m，當(dāng)噴射壓力值出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，間距可適當(dāng)調(diào)整。通過(guò)嚴(yán)格把控噴射時(shí)相關(guān)參數(shù)指標(biāo)將有利于控制其回彈行為，為更好地建成觀音山隧道提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，也為今后類(lèi)似工程提供借鑒。

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作者簡(jiǎn)介：張清帥（1995—），助理工程師，主要從事橋隧施工管理工作。