嚴寒地區鐵路隧道濕噴混凝土質量控制措施分析

劉濤

（中鐵二十三局集團第二工程有限公司， 黑龍江 齊齊哈爾 161000）

針對嚴寒地區鐵路隧道復合支護建設上， 噴射普通與鋼纖維兩種混凝土是十分關鍵的內容， 并且大多采用濕噴形式。 相比于澆筑方式， 噴射擁有著易于操作、 強度與密度大等眾多優點。 特別是在面對圍巖較為松軟地質時通過增加以鋼拱架、 鋼筋網與系統錨桿的加固支護后能夠起到良好穩固效果。結合實踐可知， 隧道建設中受山體破壞應力改變影響， 圍巖必然出現形變， 所以我們就需要借助于支護結和圍巖自承能力嚴格控制圍巖應力釋放， 從而達到應力在可釋放范圍內而不是徹底釋放。 但就實踐情況來看， 嚴寒地區在低溫凍融下隧道襯砌往往易于受損， 這樣一來便造成其受力結構因此而大大減弱， 影響安全行車。 另外， 在此類區域混凝土普遍存在回彈量大、 穩定性不足、 強度弱等問題， 給鐵路隧道施工質量造成負面影響。

1 噴射混凝土施工工藝與機械原理

1.1 干噴混凝土施工的特點

在嚴寒地區， 濕式噴射工藝應用優勢比干式噴射混凝土工藝更顯著。 后者雖有著更遠工作距離且作業面平整性高， 然而其混凝土強度明顯不足。 這是因為該工藝原來拌合是在噴嘴外完成， 這樣就容易造成水膠比不當以及所制成混凝土有較高回彈量，同時隧道內作業場所粉塵漂浮物較多， 在一定程度上對混凝土質量造成不利影響。 兩者相較而言， 濕式噴射工藝成效更顯著， 因素濕噴混凝土技術受到廣泛青睞。

1.2 濕噴混凝土施工的優點

在濕噴混凝土施工中， 所有混合骨料除了速凝劑外， 其他拌和材料均在拌和站內進行， 當速凝劑與拌和材料充分攪拌均勻后由噴頭利用高壓風噴射而出。 值得注意的是， 必須嚴格控制混合骨料配比、混凝土均質性， 只有這樣才能確保水泥水化程度，用以提高混凝土穩定性。 同時， 濕噴混凝土施工粉塵回彈量相對較小， 對環境污染、 施工質量具有研究價值[1]。

2 濕噴機型號及人員配備

濕噴機型號為鐵建重工HPS3016SW， 規格為11234mm×2500mm×3198mm， 其中柴油機功率、電機功率分別為75KW 和55kW， 輸送頻率為30m3/h。 平均一臺濕噴機至少需要配置兩名操作人員， 其中一人為前臺指揮， 一人為噴射手。

嚴格把控噴射混凝土配合比至關重要。 在施工過程中， 技術人員要充分考量混凝土強度、 機械手適用性及混凝土回彈率， 只有不斷優化、 調整配合比， 才能確保噴射混凝土質量達到鐵路隧道施工要求。

1） 濕射混凝土配合比設計應滿足以下要求： ①滿足密實性、 高強度、 耐久性要求， 同時混凝土配比設計強度必須符合鋼架、 受噴面黏結力標準； ②噴射混凝土應滿足射程、 噴射厚度要求， 并且確保回彈率低； ③避免噴射面坍塌或堵管現象發生， 確保機械手適用性。

2） 合理設計噴射混凝土配合比： ①膠骨比。 同一規格混凝土其材料用量不同對骨膠比影響不同；②砂率。 細砂、 中砂和砂率對噴射混凝土性能產生不同影響； ③水灰比。 同一單位混凝土其水灰比不同對混凝土性能影響不同； ④合理化速凝劑摻量。在進行噴射混凝土施工中， 把控好速凝劑摻量， 以結構強度為導向對混凝土早、 中、 后期進行設計，同時采用現場驗證、 試驗方式檢驗噴射混凝土配合比設計是否科學合理。 值得注意的是， 液態速凝劑摻量不得小于或等于水泥摻量7%。

3 施工工藝及質量控制

在嚴寒地區鐵路隧道濕噴混凝土施工過程中，應加強施工工藝及質量控制， 用以減少混凝土回彈，從而保障濕噴混凝土強度。

1） 濕噴混凝土攪拌。 該混凝土是通過強制式攪拌機來完成， 并且配比計量由設備根據設定進行放料， 拌和時長不得小于2min， 速凝劑由機械手自動化加入， 值得注意的是， 濕噴混凝土拌和速度與罐車運輸速度相匹配， 避免混凝土坍落造成不必要浪費。

2） 保持巖面平整潔凈。 可以借助高壓風將巖屑、 浮塵等雜質清理干凈， 增加巖面與混凝土附著力。 值得注意的是， 假設存在巖面滲水情況要及時處理， 堵水成功后方能噴射混凝土。 通常在滲水處采用濕噴方式將其封住， 仍有大股水滲漏現象則采用導管注漿堵水方式； 或者采用導管將裂隙滲水、小股水排出， 用以保持巖面平整度。

3） 噴射厚度和工序。 嚴格遵循“先墻后拱”噴射原則， 初噴前， 應預埋好控制噴射厚度鋼筋頭，通常埋設在拱腳和拱頂兩側， 同時大致噴平低洼處，首噴厚度不得小于40mm。 復噴時， 應遵循分層、 分片、 分段由下而上進行噴射， 注意噴射厚度邊墻控制在7 ～10cm， 拱部控制在5 ～8cm， 分段噴射時長度不得小于6m。 其次， 壁面與鋼架之間應先噴壁面和鋼架連接處再噴兩鋼架接縫處。 此外， 斷面開挖采用臺階法。 當上下導坑均有噴射任務時， 那么應遵循下導鋼架、 上臺階鋼架噴射順序[2]。

4） 射程和噴射角度。 噴射時， 確保噴面和噴頭處于垂直， 并且嚴格控制噴面和噴頭距離在0.8 ～1.2m之間， 避免回彈率過高。 同時邊墻回彈率控制在10%、 拱部回彈控制15%左右。 值得注意的是，噴射過程中出現鋼筋網、 鋼架覆蓋于噴面上， 需要根據現場要求調整噴面距離與噴射角度， 確保鋼筋網及鋼架背面均噴填到位。 噴射仰拱和邊墻時， 避免回彈物黏附在下半斷面噴層中形成“氣泡” 對支護能力造成負面影響， 因此需要清理干凈上半斷面拱腳噴射產生回彈物， 用以保障噴射混凝土強度。

5） 嚴格控制混凝土坍落度。 阻力過大混凝土坍落度不足則容易引發堵管或沖掉塑料噴頭現象， 只有將混凝土坍落度控制在（160 ±20） mm， 才能確保噴射質量， 從而保障工效。

6） 噴射混凝土厚度。 一般情況下， 復噴比初噴回彈要小且相對穩定， 初噴時回彈最大， 當噴射厚度大于2cm時， 則回彈趨于穩定。 值得注意的是，濕噴過程中， 混凝土掉塊時有發生， 由一次噴射過厚造成的， 因此需要待混凝土初凝后方能繼續復噴。最后， 清洗終凝噴層雜質， 1h 后再進行噴射。 噴射任務完成后， 統一對混凝土厚度、 表面平整度進行檢查， 一旦出現噴射密實性不足、 拱架外露、 空洞等現象要復噴處理。

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7） 堵管措施。 一般情況下， 自動化機械手很少出現濕噴堵管現象， 假設出現堵管應遵循以下關閉順序： 關閉機械手、 計量泵、 風閥、 振動裝置。 確定所有組件處于斷電狀態后利用清水沖洗輸送管和機艙等， 恢復噴射工作前必須確保管路處于暢通狀態。

8） 超噴處理。 超噴處容易產生積壓， 施工人員應將其鏟平后再進行補噴， 確保鏟口平整后方能進入下一道工序， 避免噴射不當造成襯砌空間被侵占現象。

9） 混凝土養護。 混凝土養護得當有利于提高混凝土穩定性、 高強度、 密實性。 首先， 確保水泥充分水化， 規避混凝土裂縫、 氣泡、 收縮等問題。 其次， 混凝土施工結束后， 介入灑水養護方法， 養護時長不得低于14d。 當然， 具體情況被現場情況而定， 比如在嚴寒地區， 當溫度低于5℃時， 應采用噴霧養護更為適宜。

10） 噴射作業質量控制。 在開展噴射作業前現場人員必須確保輸料管長度達到方案要求。 作業開始后施工人員應當嚴格按照操作規程控制好噴射角度要和作業面呈90°， 否則不僅會導致混凝土浪費，同時還容易導致其回彈量與強度達不到方案要求。噴射作業中除控制好與作業面距離以外， 還需按照方案采取分段循環+逐層方式， 并嚴格依據規范控制各層厚度及噴射時長。 噴射機運轉過程中應控制好風壓以使其始終保持在規定值內。 最后， 若是隧道圍巖出現線狀滲（漏） 水情況時現場人員應對該處做堵水處理， 而后才開展噴射。 若隧道圍巖發生涌水情況就應當馬上采取化學灌漿或注漿方式處理，待停止方可噴射[3]。

11） 隧道保溫。 相較于其他區域， 嚴寒地區因溫度低而容易發生結冰情況， 這不但對鐵路隧道建設進度和安全帶來不良影響， 同時還會造成噴射混凝土質量下降， 最終導致項目整體達不到方案要求，因此要做好隧道保溫工作。 為避免給排水管道發生結冰， 處于隧道外管路應采取棉被包住。 若條件應允或方案有所要求， 給水管道采取兩層方式， 即內部小管加上電熱水， 然后在該基礎上套上一個大點的塑料管， 這樣一來能夠很好地進行保溫。 隧道挖掘前期由于長度短為了保溫， 企業可利用塑料或棉布在洞口設置門簾， 同時要做好內部通風， 并派專人指揮人車進出。 最后， 鐵路隧道施工現場包括途經道路、 轉渣場等區域需派遣專人開展除雪（冰）、清理雜物等清潔工作， 以此防止結冰影響建設效率及安全。

4 混凝土拌制運輸

在進行混凝土攪拌時， 依次按照以下順序將混合骨料加入其中， 投放順序為： 砂→碎石→水泥→水， 繼而投入SG稠度劑， 注意設置攪拌不得低于120s， 隨后投入DEL穩定劑混合攪拌， 值得注意的是， 攪拌時長控制在2 ～4min 為宜。 就以往實踐經驗可知， 攪拌時長低于2min， 不足以使穩定劑均勻分布在混凝土當中， 而高于4min 則穩定劑性能受到不同程度破壞， 從而對混凝土拌制質量造成負面影響。 其次， 在混凝土罐體車行駛過程， 通常保持轉動狀態， 用以避免混凝土初凝現象。 此時應注意觀察穩定劑投入后， 假如在2h 內混凝土噴射成功， 那么攪拌結束， 反之， 持續攪拌則會影響穩定劑性能甚至穩定劑功能消失。 除此之外， 混凝土取樣至關重要， 以防混凝土無法正常噴射或出現機械故障時，可及時送檢。 首先， 取出部分混凝土置于樣品袋中，認真觀察混凝土狀態， 一旦出現堵管或噴射不及時，則有可能是TBM機械故障， 基于此， 應立即將樣品送檢并觀察檢驗樣品是否有異樣， 有利于快速排查故障原因， 及時處理， 投入使用。 一般情況下， 坍落度應控制在14 ～18cm， 假設檢驗樣品不合格則運輸罐內混凝土應全部作廢或降級使用[4]。

5 特殊情況下的噴射工藝

對于特殊部分噴射工藝十分講究， 應引起高度重視， 有利于提升濕射混凝土質量均質性、 密實性。比如對掛鋼筋網區域進行噴射時， 常常出現混凝土層呈波浪狀， 這是由于噴射過程中混凝土噴頭噴射角度不合理造成的。 基于此， 混凝土噴頭應與巖面保持垂直， 爾后進行噴射任務有利于確保混凝土噴射均勻、 平整， 從而規避巖面波浪起伏。 其次， 在進行全圓鋼拱架區域噴射任務時， 普遍面臨巖石破碎問題， 因此， 填充巖面裂縫、 空洞成為混凝土噴射工作第一步， 填充質量與噴射效果緊密相連。 首先， 噴射由下而上由拱架底逐漸向拱頂緩慢移動，注意噴頭與噴面呈兩條平行線， 同時噴頭方向保持一致， 不得隨意轉動。 另外， 采用噴射混凝土方式對圍巖和鋼拱架縫隙進行填充并確保達到一定密實度， 只有用混凝土將鋼拱架包裹嚴實， 才能形成強有力抗拉力體系， 從而提升噴射混凝土整體受力。除此之外， 噴射過程中對于混凝土掉落部位不得立即進行補噴， 通常10 ～15min 后方能進行二次噴射，用以提高混凝土噴射質量。 反之， 立即補噴則會引起混凝土相繼脫落， 且掉落面積逐漸擴大。 值得注意的是， 噴射過程中常常出現凸包， 這是由于噴頭隨意旋轉造成的， 不僅影響美觀， 還會對混凝土密實性造成不利影響， 因此施工單位應樹立良好施工意識、 提高施工人員專業技能水平， 從根本上保障噴射混凝土質量。 最后， TBM 掘進后， 隧道斷面光滑呈圓形。 眾所周知， 隧道工程大部分接觸地下環境居多， 積水、 低洼地段屢見不鮮， 因而加劇了噴射難度。 光滑平整巖面不利于產生附著力、 粘結力，因此噴射混凝土和巖面粘結力不足， 最終導致混凝土垮落。 基于此， 初噴前應采用導管法將滲漏水排放干凈， 再利用噴射方式進行防滲補漏措施[5]。

6 施工中應注意的事項

嚴寒地區鐵路隧道濕噴混凝土施工是一項系統性工程， 不僅施工細節繁瑣， 對施工工序、 施工人員專業性、 業務能力、 混凝土配比、 攪拌方式等提出高要求。 因此， 在施工中應注意以下細節， 用以保障噴射混凝土質量。

1） 確保原材料質量。 嚴寒地區鐵路隧道噴射混凝土建設質量很大程度與原材料相關聯。 因此企業需確保其質量。 粗河沙選用上應嚴格依據方案要求一是確保其細度模數， 二是硬度與潔凈度也要合規。碎石選用上則是基于輸送管路大小來定， 一般情況下前者直徑要小于后者1/4， 同時其硬度、 耐性也必須滿足方案標準。 水泥選用上應以凝結時間少，硬度大為基準。 通常情況下可以采用硅酸鹽水泥。同時出于保障其性能與質量考量， 水泥應防潮存放，并且超出生產日期15d 的產品不可再用。 最后速凝劑與減水劑選用上， 企業必須以設計規范、 施工方案為依據來確定。 通過加入這兩種添加劑不但能夠增強混凝土強度， 同時對于提升其滲透性也大有幫助。 另外， 還需提高混凝土拌和質量和原材料檢測力度， 從根本上確保噴射混凝土質量不受影響。

3） 利用水泥漿潤滑送料管與混凝土輸送泵是噴射前期準備工作之一， 有利于混凝土順利噴出； 噴射任務完成后， 必須將管路內殘留混凝土清理干凈。

4） 噴射混凝土質量與噴射工長緊密相連， 因此施工人員應深刻學習噴射相關知識、 提高自身專業技能水平， 同時還要總結好各種地質中作業經驗，以便于后續其他項目建設中可以更好地開展噴射施工。

5） 確保施工人員勞動保護權益不受侵犯， 因此必須做好施工安全保護措施， 比如混凝土噴射任務過程中設置噴射工長站位， 避免混凝土坍塌引發傷人事故[6]。

6） 強化養護。 待噴射作業結束后企業就應當開展養護工作， 這樣做目的在于避免混凝土因化學反應熱出現裂縫。 通常終凝2h 后現場人員就可以對其進行灑水， 隨后結合表面濕潤程度以及相關規范明確每回水量與單日次數， 另外養護天數應達到28d。

7 噴射混凝土質量評定

噴射混凝土質量主要取決于回彈率、 巖石與混凝土附著力、 噴層厚度及強度。 基于此， 只有不斷深化研究各個環節， 才能確保噴射混凝土質量達到嚴寒地區鐵路隧道濕噴混凝土施工要求。 以下進行一一詳細說明。

7.1 抗壓強度

條件允許情況下， 施工企業可以根據施工現場、施工要求結合實踐經驗， 采用噴試模法制取試塊進行模擬試驗， 試驗貫穿全流程， 涵蓋制備階段、 養護階段等， 并嚴格依據方案要求完成28d 養護檢測其抗壓強度。 據統計， 平均值28.7MPa； DK346 +499 ～DK346 +502 段混凝土抗壓強度試驗結果。

7.2 噴層厚度

進行噴射混凝土施工時， 對有錨桿地段進行濕噴施工時， 充分利用錨桿露頭； 標準施工條件下，檢測噴射厚度通常采用鑿孔法進行。 值得注意的是，注水嚴重路段除外， 其他路段濕噴混凝土厚度應超過設計厚度。 一般情況下， 5cm、 8cm、 10cm為常規設計厚度， 濕噴混凝土厚度視施工需要、 實際情況而定[7]。

7.3 混凝土與巖石黏結強度

混凝土終凝后， 施工人員應及時檢測混凝土是否滿足施工標準， 一般來說利用鐵錘敲擊即可。 在該檢測中若沒有出現混凝土洞就表明其與巖石黏結性、 緊密性良好[8]。

7.4 噴射材料的回彈率

據調查顯示， 標準施工條件下， 除積水、 低洼地段外， 其他干燥、 無水地段其回彈率低， 且控制在8%左右為宜； 而對于注水嚴重地段其回彈率較高， 說明巖層與混凝土附著效果、 黏結性不強， 基于此， 施工人員應采取相應措施， 將回彈率調整在可控范圍之內[9]。

8 結語

綜上所述， 在噴射混凝土施工技術中， 濕噴混凝土技術效果明顯優于干噴混凝土， 因此得到廣泛應用。 尤其在嚴寒地區鐵路隧道建設中， 能夠突破干噴混凝土瓶頸， 較好地提高噴射混凝土質量， 攻克混凝土強度不足問題， 從技術上保障了混凝土緊密性、 回彈率。 此外， 隨著時間推移， 施工人員積累不同地質條件下不同噴射經驗， 為后續深化研究噴射混凝土技術提供可靠支持。 同時， 施工單位應組織開展濕噴混凝土公益活動， 以教育培訓為抓手，最大限度提升工作人員專業技能水平、 專業知識儲備， 避免堵管、 噴射不及時等問題出現， 從根本上保障噴射工長。 值得注意的是， 針對有水地段噴射混凝土工藝是濕噴混凝土未來主要研究課題， 應引起高度重視。 其次， 濕噴混凝土具有生產率高、 回彈率低、 粉塵少等優勢， 是一項值得推廣應用技術，不僅混凝土質量穩定性顯著， 還能規模化生產， 作為一種嶄新施工工藝值得基層推廣使用。