黃土隧道初支噴射混凝土配合比選定及性能研究

王松科

（中鐵十八局集團第一工程有限公司，河北涿州 072750）

1 研究背景

我國隧道修建工程蓬勃發展，截至2020 年底，已有16 798 條鐵路投入運營，運營里程高達19 630 km，其中高速鐵路3 631 條，共計6 003 km[1-2]。我國川藏、滇藏鐵路隧道建設過程中面臨高地應力軟巖大變形、巖爆、高低溫、活動帶斷裂、高原高寒等諸多不良地質和復雜環境問題[3-5]，因此構建行之有效的高性能支護體系是大力推行中西部鐵路建設的關鍵[6]。其中，高早強噴射混凝土（24 h 內噴射混凝土具有10 MPa 以上強度）為關鍵支護構件[7-8]，對圍巖和掌子面在開挖后的變形控制、保障作業安全以及高性能體系的建立至關重要。相關研究人員就高早強噴射混凝土進行了研究，取得的研究成果如下[9-13]：①噴射混凝土施工效率和支護效果取決于3 h 抗壓強度，強度愈高效果愈佳；②噴射混凝土的早期強度對著圍巖質量有重要影響，隧道施工過程中噴射混凝土快速凝結硬化比慢速凝結硬化的拱頂沉降少；③濕噴混凝土在硫鋁酸鈣基早強劑與無堿液體速凝劑共同作用下凝結速率加快，3 h 抗壓強度可達5 MPa。

依據GB 50086-2011《巖土錨固與噴射混凝土支護工程技術規范》、DL/T 5144-2001《水工混凝土施工規范》規定[14-15]，噴射混凝土配合比設計三大指標為水灰比、砂率、膠凝材料和集料的比例（以下簡稱“膠集比”）。目前關于高早強噴射混凝土研究主要集中于速凝劑的研究，對于噴射混凝土三大指標和速凝劑對早期強度制約的系統性研究較少。本文以蒙華鐵路MHTJ-5 項目張家園隧道為例，對該項目初期支護所用噴射混凝土配合比選定以及性能展開研究。

2 工程概況

蒙華鐵路MHTJ-5 項目張家園隧道位于陜西省延安市安塞縣坪橋鎮坪橋村，進口里程DK275+416，出口里程DK281+704，全長6 288 m，包含Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ3 類圍巖。鑒于工程圍巖類型，黃土隧道在開挖后自穩性較差，易發生坍塌，構建行之有效的高性能支護體系是解決坍塌的關鍵，高性能支護體系兼具早期高強度和后期耐久性，早期高強度即噴射混凝土24 h 內具有10 MPa以上強度，噴射混凝土早期高強的發展對掌子面開挖后的變形控制、保障作業安全至關重要。

文章擬采用四因素三水平正交試驗手段，旨在分析水膠比、砂率、膠集比、速凝劑摻量4 個因素在3 種配比水平條件下對噴射混凝土早期強度的影響趨勢，得出最佳噴射混凝土的條件。基于最佳噴射混凝土配合比采用控制變量手段，即4 個因素中1 個因素水平發生變化，其他3 個因素保持不變，開展噴射混凝土凝結硬化后抗壓強度、電通量值、抗滲等級、凍融循環質量損失率性能分析。綜合上述噴射混凝土早期強度、凝結硬化后強度、電通量值、抗滲等級、凍融循環質量損失率發展趨勢，得出高早強、凝結硬化后強度發展趨勢較佳、低電通量值、高抗滲等級、低凍融循環后質量損失率的最佳配合比。

3 配合比選定及性能試驗分析

3.1 噴射混凝土配合比設計

依據GB 50086-2011《巖土錨固與噴射混凝土支護工程技術規范》、DL/T 5144-2001《水工混凝土施工規范》規定，濕法噴射混凝土三大指標范圍為：水灰比0.42～0.50、砂率50%～60%、膠集比 1 ∶ 3.5～1 ∶ 4.0。基于上述三大指標設計四因素三水平正交試驗，試驗考察的因素和水平如表 1 所示。為提高噴射混凝土工作性能，在配合比設計時摻加粉煤灰，因此水灰比改為水膠比。

3.2 性能試驗分析

3.2.1 正交試驗結果分析

對制約噴射混凝土8 h 抗壓強度中水膠比、砂率、膠集比、速凝劑摻量的影響因素和水平進行正交試驗，以噴射混凝土回彈率計算出極差，結果如表2 所示。從表中數據可以得出以下結論。

表1 試驗考察的因素和水平

表2 L9（43）正交分析的實驗結果

（1）根據極差的大小，可得出試驗因素對噴射混凝土8 h 抗壓強度的影響情況。水膠比的變化對8 h 抗壓強度極差的影響為0.6，膠集比變化對8 h 抗壓強度極差的影響為 0.5，速凝劑摻量、砂率對8 h 抗壓強度的極差影響分別為0.4 和0.3。因此，水膠比對8 h 抗壓強度影響最大，之后依次為膠集比、速凝劑摻量、砂率。

（2）依據正交試驗原理，水膠比因素下Ⅱ水平平均值最大，因此選擇水膠比為0.46；膠集比因素下Ⅱ水平平均值最大，因此選擇膠集比為1 ∶ 3.8；速凝劑摻量因素下Ⅲ水平平均值最大，因此選擇速凝劑摻量為5%；砂率因素下Ⅱ水平平均值最大，因此選擇砂率為55%。故而，噴射混凝土8 h 抗壓強度最佳條件為水膠比0.46、膠集比為1 ∶ 3.8、速凝劑摻量為5%、砂率為55%。

3.2.2 力學性能、回彈量分析

隧道初支施工中噴射混凝土早期8 h 抗壓強度是關鍵，高早強噴射混凝土有利于隧道結構支撐，防止爆破工序完成后未清理危石掉落，提高施工效率，此外回彈量也是初支噴射混凝土需要考慮的指標，降低回彈量可有效減少對混凝土原材料的浪費、提高施工效率以及控制施工成本支出。為了進一步揭示4 個因素對混凝土抗壓強度、回彈量的影響，采用控制變量的方法，1 個因素發生變化，其余3 個因素不變，分析四因素對抗壓強度、回彈量的發展規律。

（1）不同水膠比對抗壓強度、回彈量影響分析。控制膠集比為1 ∶ 3.8、速凝劑摻量為5%、砂率為55%，水膠比分別為0.43、0.44、0.45、0.46、0.47 時抗壓強度、回彈量的發展規律如圖1 所示，由圖可得：①不同水膠比下抗壓強度發展規律呈先增加后降低趨勢，水膠比為 0.45 時，8 h、3 天、28 天抗壓強度均為最大值；②8 h～3 天抗壓強度增長率發展趨勢為0.44（131.1%）＞0.45（128.4%）＞0.46（127.4%）＞ 0.47（126.5%）＞0.43（119.8%），3 天～28 天抗壓強度增長率發展趨勢為0.44（99.2%）＞0.45（97.6%）＞0.46（96.3%）＞0.47（95.2%）＞0.43（95.0%），即水膠比為0.44 時抗壓強度增長率最大；③隨著水膠比的增加回彈量呈增大趨勢，即0.47（18.6%）＞0.46（17.8%）＞0.45（16.9%）＞0.44（14.9%）＞0.43（14.3%），依據設計文件，為提升噴射混凝土的質量、減少原材料的浪費，噴射混凝土要求回彈量大于15%，水膠比為0.43 和0.44 時滿足設計文件要求。綜合不同水膠比下抗壓強度、回彈量發展規律可得，最佳水膠比為0.44。

圖1 不同水膠比下抗壓強度、回彈量圖

（2）不同膠集比下抗壓強度、回彈量影響分析。基于上述不同水膠比下噴射混凝土抗壓強度、回彈量的發展規律可得水膠比為0.44 時較佳，因此控制水膠比為 0.44、速凝劑摻量為5%、砂率為55%，膠集比分別為1 ∶ 3.6、1 ∶ 3.7、1 ∶ 3.8、1 ∶ 3.9 時抗壓強度、回彈量的發展規律如圖2 所示，由圖可得：①隨著膠集比中集料占比組分的增大，抗壓強度呈先增后減趨勢發展；② 8 h～3 天抗壓強度增長率發展趨勢為1 ∶ 3.7（131.7%）＞1 ∶ 3.8（131.1%）＞1 ∶ 3.9（129.7%）＞1 ∶ 3.6（127.6%），3 天～28天抗壓強度增長率發展趨勢為1 ∶ 3.7（99.6%）＞1 ∶ 3.8（99.2%）＞1 ∶ 3.9（98.7%）＞1 ∶ 3.6（96.9%），即膠集比為1∶3.7 時抗壓強度增長率最大；③隨著膠集比中集料占比組分的增大，回彈量呈增大趨勢，即1 ∶ 3.9（16.2%）＞1 ∶ 3.8（14.9%）＞1 ∶ 3.7（14.6%）＞1 ∶ 3.6（14.2%），回彈量越大越不利于噴射混凝土質量控制，同時造成原材料浪費、增大施工成本，因此合理范圍內回彈量越小越好。綜合抗壓強度增長率、回彈量發展趨勢可得，最佳膠集比為1 ∶ 3.7。

圖2 不同膠集比下抗壓強度、回彈量圖

（3）不同速凝劑摻量對抗壓強度、回彈量影響分析。基于上述不同水膠比、膠集比下噴射混凝土抗壓強度、回彈量的發展規律可得水膠比為0.44、膠集比為1∶3.7 時較佳，水膠比為0.44，膠集比為1∶3.7，砂率為55%，速凝劑摻量分別為3.8%、4.2%、4.6%、5.0%、5.4%時抗壓強度、回彈量的發展規律如圖3 所示，由圖可得：①齡期為8 h、3 天時，隨著速凝劑摻量的增加抗壓強度呈增長趨勢，齡期為28 天時，抗壓強度隨隨速凝劑摻量的增加呈先增后減的趨勢；② 8 h～3 天抗壓強度增長率發展趨勢為4.6%（133.3%）＞5.0%（131.7%）＞5.4%（129.2%）＞4.2%（127.6%）＞4.2%（125.0%），3 天～28天抗壓強度增長率發展趨勢為4.6%（103.4%）＞4.2%（102.7%）＞3.8%（101.9%）＞5.0%（99.6%）＞5.2%（86.0%），即速凝劑摻量為4.6%時抗壓強度增長率最大；③隨著速凝劑摻量的增大，回彈量呈遞減趨勢，即3.8%（16.9%）＜4.2%（15.2%）＜4.6%（14.7%）＜5.0%（14.6%）＜5.4%（14.2%），其中速凝劑摻量不低于4.6%時滿足回彈量的設計要求，回彈量降低有利于混凝土質量及施工成本支出，因此速凝劑摻量合理范圍內選取回彈量越小越好。綜合抗壓強度增長率、回彈量發展趨勢可得，最佳速凝劑摻量為4.6%。

（4）不同砂率對抗壓強度、回彈量影響分析。基于上述分析可得，水膠比為0.44、膠集料比為1 ∶ 3.7、速凝劑摻量為0.46 時較佳，水膠比為0.44，膠集比為1 ∶ 3.7，速凝劑摻量為4.6%，砂率分別為52%、53%、54%、55%、56%時抗壓強度、回彈量的發展規律如圖4 所示，由圖可得：①隨著砂率的增加，抗壓強度呈遞減趨勢發展；② 8 h～3 天抗壓強度增長率發展趨勢為52%（135.2%）＞53%（134.9%）＞54%（134.3%）＞55%（133.3%）＞ 56%（130.6%），3 天～28 天抗壓強度增長率發展趨勢為52%（105.5%）＞53%（104.8%）＞54%（103.7%）＞55%（103.4%）＞56%（95.6%），即砂率為52%時抗壓強度增長率最大；③隨著砂率增大，回彈量呈遞減趨勢，即52%（15.2%）＜53%（15.1%）＜54%（14.9%）＜55%（14.7%）＜56%（14.5%），其中砂率不低于54%時滿足回彈量的設計要求，回彈量降低有利于混凝土質量、降低施工成本，因此砂率合理范圍內選取回彈量越小越好。綜合抗壓強度增長率、回彈量發展趨勢可得，最佳砂率為54%。

3.2.3 抗滲性能、抗凍融循環性能分析

基于上述3.2.2 章節中4 種因素水平下抗壓強度、回彈量發展規律可得，水膠比為0.44、膠集比為1 ∶ 3.7、速凝劑摻量為4.6%、砂率為54%時噴射混凝土的抗壓強度趨勢發展最佳，同時回彈量滿足設計文件要求。噴射混凝土在應用過程中面臨隧道涌水沖刷、嚴寒季節時的凍融現象，因此展開最佳配合比抗滲性能、抗凍融循環性能檢測研究十分必要。

水膠比為0.44、膠集比為1 ∶ 3.7、速凝劑摻量為4.6%、砂率為54%時硬化混凝土養護28 天后不同凍融循環次數后質量損失率的發展如圖5 所示。由圖可知，凍融循環次數增多，質量損失率隨之增大，凍融循環為250 次時，質量損失率為5.2%，依據GB/T 50081-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》判定混凝土抗凍等級為F200，滿足噴射混凝土設計要求[16]。

圖5 最佳配合比下不同凍融循環次數后質量損失率

水膠比為0.44、膠集比為1 ∶ 3.7、速凝劑摻量為4.6%、砂率為54%時硬化混凝土養護28 天后不同抗滲等級下未滲水試件的數量變化如圖6 所示，隨著抗滲等級的增加，未發生滲水的試件個數逐漸減少，抗滲等級為W14 時未滲水試件數量為3 個，依據GB/T 50081-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》判定混凝土抗滲等級為W12，滿足噴射混凝土設計要求[16]。

圖6 最佳配合比下抗滲等級發展圖

4 施工要點及應用效果分析

4.1 噴射混凝土施工要點

噴射混凝土施工要點包括以下幾個方面。

（1）初噴水泥砂漿，待終凝后再噴射混凝土，其目的是減少首層粗骨料的回彈量。

（2）噴射混凝土作業時分段、分片、分層依次進行，且每環應封閉及時。分段施工時，每次噴射混凝土完畢預留斜面，斜面寬度為200～300 mm，再次噴射混凝土時，斜面上應用高壓水沖洗濕潤后再行噴射混凝土。分片噴射要自下而上進行，先噴鋼架與壁面間混凝土，再噴兩鋼架之間混凝土，邊墻噴射混凝土應從墻腳開始向上噴射，使回彈不致裹入最后噴層。分層噴射，兩層噴射應間隔至少15～20 min，若終凝1 h 后再進行噴射時，應先用風水清洗噴層表面，一層噴混凝土的厚度主要由噴射顆粒間的凝聚和噴射層與受噴巖面之間的黏結力而定，一般情況邊墻一次噴射混凝土厚度控制在7～10 cm，拱部控制在5～6 cm，并保持噴層厚度均勻。

（3）噴射速度適當，以利于混凝土壓實，風壓過大，噴射速度增大，回彈量增加；風壓過小，噴射速度過小，壓實力小，影響噴射混凝土強度。

（4）噴嘴與受噴面間距宜為0.6～1.8 m，噴嘴應垂直于巖面角度，以使獲得最大壓力和最新回彈量，但在噴邊墻時，宜將噴嘴略向下俯5°～10°，使混凝土束噴射在較厚的混凝土頂端，避免料束中的粗骨料直接與巖面撞擊，減少回彈量。噴射混凝土時先噴射鋼架背后與圍巖間的空隙，噴射密實后，再噴射鋼架與鋼架間的混凝土，鋼架與噴混凝土形成一體，鋼架應全部被噴射混凝土覆蓋，保護層厚度不小于3 cm。

（5）隧道噴射混凝土厚度大于5 cm 時分兩層作業，第二次噴射混凝土在第一層混凝土終凝1 h 后進行。噴射混凝土終凝2 h 后，進行噴水養護，養護時間不少于7 天。噴射混凝土開挖時，下次爆破距噴射混凝土完成時間的間隔不得小于4 h。

4.2 應用效果分析

水膠比為0.44、膠集比為1 ∶ 3.7、速凝劑摻量為4.6%、砂率為54%時，兼具抗壓強度發展趨勢大、回彈量低、抗凍融循環質量損失率低、抗滲等級高等諸多優點，將該混凝土配合比應用于張家園隧道項目初支用噴射混凝土，該配合比的工程應用實施大幅提高了噴射混凝土的工程質量，有效減少了因回彈量過大造成的混凝土浪費，節約了施工成本。最佳配合比下噴射混凝土現場施工、澆筑示意圖如圖7 所示。

圖7 噴射混凝土現場施工示意圖

5 結論

本研究以蒙華鐵路MHTJ-5 項目中張家園隧道為例，對初支用噴射混凝土配合比選定以及性能展開研究，采用四因素三水平正交試驗手段，旨在分析水膠比、砂率、膠集比、速凝劑四因素三水平條件下制約噴射混凝土早期強度影響趨勢，得出最佳噴射混凝土的條件，結論如下。

（1）對制約噴射混凝土8 h 抗壓強度中水膠比、砂率、膠集比、速凝劑摻量的影響因素和水平進行正交試驗，得出水膠比對8 h 抗壓強度影響最大，之后依次為膠集比、速凝劑摻量、砂率。

（2）對水膠比、砂率、膠集比、速凝劑摻量展開抗壓強度、回彈量分析，水膠比為0.44、膠集比為1 ∶ 3.7、速凝劑摻量為4.6%、砂率為54%時抗壓強度發展趨勢最佳、回彈量較低，有利于施工質量、成本控制。

（3）最佳水膠比、砂率、膠集比、速凝劑摻量下28天抗凍等級為F200，抗滲等級為W12，滿足噴射混凝土抗凍等級F150、抗滲等級W8 的設計要求。上述最佳配合比現已應用于實際工程中，相關研究可為類似隧道工程項目配合比的設計提供參考依據。