噴射混凝土施工技術(shù)在公路隧道施工中的應(yīng)用研究

楊昕

（核工業(yè)華東建設(shè)工程集團(tuán)有限公司，江西南昌 330000）

0 引言

相較于普通公路，高速公路在線路設(shè)計(jì)上具備更大的復(fù)雜性。若在山區(qū)修建高速公路，往往需要開鑿隧道，更是進(jìn)一步提升了施工的難度。為了給予隧道結(jié)構(gòu)有效的保護(hù)和支撐，可以引入噴射混凝土施工技術(shù)。噴射混凝土施工技術(shù)適用性強(qiáng)且經(jīng)濟(jì)效益較高，有利于提高施工安全性，改善隧道工程施工環(huán)境。因此，有必要結(jié)合公路隧道施工實(shí)際情況對(duì)相關(guān)技術(shù)展開深入研究，建立完善的噴射混凝土施工規(guī)范，提高混凝土結(jié)構(gòu)噴射質(zhì)量。

1 工程概況

某高速公路施工項(xiàng)目位于我國南方地區(qū)，其設(shè)計(jì)方案顯示工程中包含一分離式隧道施工項(xiàng)目，左線起訖樁號(hào)為ZK49+180—ZK50+305，長度為1.124km，右線起訖樁號(hào)為K49+180—K50+325，長度為1.146km，整個(gè)施工范圍為雙向四車道，凈高為5m，限寬為10.75m。該隧道項(xiàng)目環(huán)境復(fù)雜、地質(zhì)條件多變，對(duì)支護(hù)施工及其質(zhì)量控制提出更高要求，因此采用噴射混凝土施工技術(shù)進(jìn)行施工。

2 噴射混凝土施工流程及技術(shù)特點(diǎn)

2.1 噴射混凝土施工流程

近年來，隨著公路隧道施工項(xiàng)目的發(fā)展，更多新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備應(yīng)用其中，噴射混凝土施工技術(shù)作為其中的典型代表，具有速度快、強(qiáng)度高、操作便捷、支護(hù)質(zhì)量高等優(yōu)勢(shì)，在公路隧道施工中得到廣泛應(yīng)用。而且，該技術(shù)的應(yīng)用還可以提高整體施工過程的靈活性，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工需求分層、分次追加噴射混凝土，有效增加支護(hù)厚度。

2.2 噴射混凝土施工技術(shù)特點(diǎn)

公路隧道施工中噴射混凝土施工技術(shù)主要包括干法噴射與濕法噴射兩種類型。干法噴射是將水泥、速凝劑、骨料等按配合比進(jìn)行配置并拌和均勻，再利用噴射槍將干混合料快速噴射至公路隧道圍巖巖面。該工藝操作便捷、流程簡單，但混凝土噴射回彈率較大，導(dǎo)致公路隧道施工質(zhì)量降低。濕法噴射是將水、水泥、骨料等按配合比進(jìn)行配置并拌和均勻，先將混凝土混合料壓送至濕式噴射機(jī)噴嘴，再將速凝劑添加在噴頭，隨后將其噴射至公路隧道圍巖巖面。兩種技術(shù)中，濕法噴射更有利于控制混凝土回彈率及施工質(zhì)量，因此該工程中選用濕法噴射技術(shù)進(jìn)行混凝土噴射作業(yè)。將濕法噴射技術(shù)應(yīng)用于公路隧道施工的優(yōu)點(diǎn)如下：一是強(qiáng)度、抗?jié)B性、結(jié)構(gòu)密度等參數(shù)明顯優(yōu)化，大幅度提升了公路隧道工程圍巖結(jié)構(gòu)的整體性；二是利于對(duì)混凝土輸送、澆筑、振搗等環(huán)節(jié)進(jìn)行整合，通常情況下，可節(jié)約混凝土施工成本達(dá)5%～10%；三是濕法噴射技術(shù)速度較快，終凝時(shí)間約為10min，2h、8h、16h、24h 噴射混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可達(dá)0.25MPa、2MPa、5MPa、8MPa，3d 強(qiáng)度可提升70%以上；四是相較于傳統(tǒng)模筑混凝土技術(shù)，噴射混凝土在抗壓強(qiáng)度、抗?jié)B性能等方面均有顯著提升。

3 公路隧道噴射混凝土施工技術(shù)要點(diǎn)

3.1 原材料質(zhì)量控制

3.1.1 拌和用水

拌和用水質(zhì)量控制是噴射混凝土施工的重要基礎(chǔ)。為避免出現(xiàn)噴射混凝土硬化、凝結(jié)等情況，應(yīng)保證將拌和用水的pH 值控制在4 以上，確保硫酸鹽含量在1%以內(nèi)，嚴(yán)禁拌和用水中含有影響水泥凝結(jié)的物質(zhì)，以免對(duì)混凝土的澆筑質(zhì)量及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生不良影響[1]。

3.1.2 水泥

對(duì)于公路隧道施工而言，應(yīng)根據(jù)具體的隧道支護(hù)工程要求、現(xiàn)場(chǎng)供應(yīng)條件以及速凝劑適用性等選擇合適的水泥品種與規(guī)格，盡可能選用抗?jié)B性和強(qiáng)度更高的水泥類型。常用的水泥類型包括普通硅酸鹽水泥與礦渣硅酸鹽水泥等，考慮到該工程現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件比較復(fù)雜，決定選用標(biāo)號(hào)等級(jí)不小于42.5 級(jí)的早強(qiáng)水泥，并在施工前對(duì)水泥材料性能、凝結(jié)時(shí)間、強(qiáng)度等指標(biāo)進(jìn)行抽檢，以保證水泥材料質(zhì)量合格。

3.1.3 骨料

骨料凝結(jié)強(qiáng)度直接影響噴射混凝土施工質(zhì)量。實(shí)踐表明，選用小粒徑骨料能有效增加黏結(jié)面積，提高混凝土材料的強(qiáng)度和質(zhì)量。骨料包括細(xì)骨料與粗骨料，一般而言，為提高噴射混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、減少施工粉塵，宜采用細(xì)度模數(shù)大于2.5、含泥量小于3%、含水率在5%～7%之間的中砂或粗砂作為細(xì)骨料，并加強(qiáng)噴射混凝土質(zhì)量控制，以免產(chǎn)生硬化裂紋，使混凝土具有良好的力學(xué)性能[2]。該工程細(xì)骨料使用技術(shù)要求如表1 所示。

表1 細(xì)骨料使用技術(shù)要求

為降低混凝土回彈率、提高混凝土支護(hù)強(qiáng)度，粗骨料通常為不大于15mm 的卵石或碎石，不僅可以減少噴射機(jī)管路磨損，還可以避免管路堵塞。相較于卵石混凝土，碎石強(qiáng)度高、附著力好且回彈率低，但易對(duì)設(shè)備管路造成一定損傷。粗骨料顆粒級(jí)配規(guī)定如表2所示。

表2 粗骨料顆粒級(jí)配規(guī)定

3.1.4 外加劑

外加劑對(duì)混凝土性能有著較大影響，噴射混凝土施工中使用的外加劑以速凝劑為主，主要目的是降低混凝土回彈率，保證混凝土可以在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)入凝結(jié)期。在使用速凝劑前，需要先開展速凝劑與水的相容性試驗(yàn)，確保混凝土初凝時(shí)間不大于5min，終凝時(shí)間不大于10min，提升噴射混凝土施工質(zhì)量。

3.1.5 配合比控制

公路隧道噴射混凝土施工涉及的配合比參數(shù)主要包括：第一，含砂率。公路隧道施工中噴射混凝土含砂率通常控制在45%～55%之間。實(shí)踐表明，若含砂率不大于45%，則混凝土回彈率較高，易造成管路堵塞；若含砂率不小于55%，則噴射混凝土強(qiáng)度不足，難以滿足工程施工要求。第二，水灰比。結(jié)合公路隧道施工實(shí)際情況分析，噴射混凝土水灰比控制在0.40～0.45 之間時(shí)，回彈率較小且強(qiáng)度較高。第三，干集料重量比。為控制混凝土回彈率，干集料重量比一般控制在1∶4～1∶4.5之間，水泥量控制在375～400kg/m3之間。第四，速凝劑摻和量。噴射混凝土中速凝劑摻和量應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求及試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，通常邊墻為2%左右，拱部為4%左右。總體而言，速凝劑摻和量應(yīng)低于4%，若摻和量過多，會(huì)抑制噴射混凝土中水分的流動(dòng)擴(kuò)散，造成混凝土硬化后氣孔數(shù)量增加，在后續(xù)使用中更易出現(xiàn)裂縫。

3.2 施工設(shè)備參數(shù)控制

施工設(shè)備也是公路隧道工程質(zhì)量的重要保障。施工過程中，應(yīng)避免設(shè)備出現(xiàn)漏氣、漏水等質(zhì)量問題，確保其混合料生產(chǎn)能力達(dá)到3～5m3/h，噴射混凝土最大粒徑在25mm 以內(nèi)，水平方向輸送距離不小于100m，垂直方向輸送距離不小于30m，噴射混凝土噴頭壓力在0.15～0.2MPa。該工程使用的是TK-600型濕噴機(jī)，在濕噴工藝應(yīng)用中發(fā)揮了重要作用。

4 公路隧道噴射混凝土施工技術(shù)應(yīng)用

4.1 施工準(zhǔn)備

在開展公路隧道施工之前，需要做好相應(yīng)的準(zhǔn)備工作。首先，應(yīng)利用檢測(cè)設(shè)備檢查隧道開挖斷面，保證與相關(guān)規(guī)范及施工要求相符。若存在欠挖現(xiàn)象，則應(yīng)第一時(shí)間進(jìn)行斷面處理；若存在超挖現(xiàn)象，則應(yīng)放置鋼筋網(wǎng)片并清理其表面。其次，應(yīng)檢查濕噴機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，保證其各項(xiàng)參數(shù)正常。最后，應(yīng)在現(xiàn)場(chǎng)針對(duì)具體的噴射厚度設(shè)置相應(yīng)的控制標(biāo)志；若存在滲水問題則要采取相應(yīng)的排水措施；并檢查工作平臺(tái)的穩(wěn)定性，避免工作平臺(tái)失穩(wěn)引發(fā)安全事故。

4.2 混凝土攪拌

在進(jìn)行混凝土攪拌過程中，首先，應(yīng)做好原材料的質(zhì)量檢測(cè)工作，確保其達(dá)到施工要求；并基于骨料含水率以及砂細(xì)度模數(shù)對(duì)混凝土配合比進(jìn)行合理調(diào)整。其次，根據(jù)相應(yīng)的配合比完成混凝土生產(chǎn)，保證混凝土坍落度、和易性等指標(biāo)符合要求。最后，利用運(yùn)輸車輛并采用合理的防護(hù)措施將混凝土運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)[3]。

4.3 混凝土技術(shù)指標(biāo)

施工期間應(yīng)做好對(duì)混凝土技術(shù)指標(biāo)的把控。

第一，抗壓強(qiáng)度。噴射混凝土1d 齡期、25d 齡期抗壓強(qiáng)度分別要求在5MPa、20MPa 以上。

第二，強(qiáng)度等級(jí)。根據(jù)施工要求選擇合適的混凝土強(qiáng)度，不同強(qiáng)度下混凝土的軸心抗壓、軸心抗拉設(shè)計(jì)值如表3 所示。抗拉強(qiáng)度的計(jì)算公式為：

表3 噴射混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值 單位：N/mm2

式（1）中：fts表示抗拉強(qiáng)度，MPa；F表示破壞荷載，N；A表示劈裂面面積，mm2；0.85 為換算系數(shù)。

第三，噴射混凝土最小黏結(jié)強(qiáng)度相關(guān)規(guī)定如表4所示。

表4 噴射混凝土最小黏結(jié)強(qiáng)度

第四，不同強(qiáng)度等級(jí)下對(duì)應(yīng)的噴射混凝土彈性模量如表5 所示。

表5 噴射混凝土彈性模量

4.4 混凝土噴射工藝

噴射工藝是公路隧道噴射混凝土施工的核心，施工人員在具體操作中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)噴射角度、噴射距離、噴射順序、噴射方法等方面的把控。第一，噴射角度。在使用濕噴機(jī)進(jìn)行混凝土噴射時(shí)，噴頭與圍巖面的夾角應(yīng)保持90°，若存在支護(hù)設(shè)施則可以根據(jù)實(shí)際情況對(duì)其角度進(jìn)行調(diào)整。第二，噴射距離。通常情況下，噴射口與圍巖面之間的距離應(yīng)控制在80～120cm 之間，施工人員控制濕噴機(jī)保持水平方向環(huán)形作業(yè)，旋轉(zhuǎn)半徑控制在30cm 左右。為保證混凝土噴射的全面性與均勻性，施工人員還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)噴射速度的把控，使混凝土可以和圍巖表面良好接觸，避免出現(xiàn)掉落的情況。第三，噴射順序。噴射順序也是噴射混凝土施工技術(shù)實(shí)施的關(guān)鍵點(diǎn)，一般而言，應(yīng)按照“從上到下、先墻后拱”的順序分片完成施工，以避免重復(fù)噴射、漏噴等問題。值得注意的是，考慮到不同工程施工環(huán)境的差異性，也可對(duì)施工順序進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。第四，噴射方法。分層噴射是混凝土噴射工藝中最常見的噴射方法，每層噴射厚度也存在一定差異，例如，邊墻為5～7cm，拱部為3～4cm[4]。一般在混凝土終凝3h 后開展開挖作業(yè)，以免影響混凝土凝固。施工后還需要進(jìn)行噴水養(yǎng)護(hù)，保證養(yǎng)護(hù)時(shí)間在5d 以上，若施工環(huán)境溫度低于5℃，則不適用噴水養(yǎng)護(hù)方法。

4.5 噴射混凝土指標(biāo)檢查

為提高噴射混凝土施工水平，還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)強(qiáng)度、厚度、密實(shí)度、平整度等指標(biāo)的控制。

第一，強(qiáng)度。濕噴工藝的應(yīng)用有利于提高混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度，同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)原材料質(zhì)量控制，以保證混凝土坍落度、和易性等指標(biāo)符合要求。噴射施工后還應(yīng)采用合適的養(yǎng)護(hù)措施以提高強(qiáng)度，每天灑水養(yǎng)護(hù)3～4 次，并開展強(qiáng)度測(cè)試。噴射混凝土強(qiáng)度計(jì)算公式為：

式（2）中：fcu表示抗壓強(qiáng)度，MPa；F表示破壞荷載，N；A表示受力面積，mm2；0.95 為換算系數(shù)。

第二，厚度。噴射厚度不足易造成混凝土裂縫、剝落現(xiàn)象，對(duì)工程質(zhì)量造成不利影響。影響混凝土噴射層厚度的因素主要包括爆破效果、回彈率、噴射參數(shù)等，施工人員應(yīng)加大對(duì)上述參數(shù)的控制力度，并采用鉆孔法進(jìn)行噴層厚度檢測(cè)，確保檢查點(diǎn)60%噴層厚度達(dá)到設(shè)計(jì)值。

第三，密實(shí)度。為控制混凝土噴射密實(shí)度，施工期間應(yīng)對(duì)圍巖支護(hù)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，清理受噴面表面的灰塵、雜物，使混凝土和受噴面之間良好結(jié)合，同時(shí)在噴射過程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)風(fēng)壓、噴射角度、噴射速度的控制。

第四，平整度。根據(jù)相關(guān)規(guī)定，邊墻兩相鄰?fù)姑娴纳疃扰c距離比不大于1/6，拱頂兩相鄰?fù)姑娴纳疃扰c距離比不大于1/8。

5 結(jié)語

綜上所述，噴射混凝土施工技術(shù)有利于降低混凝土回彈率，因此在公路隧道工程項(xiàng)目中得到十分廣泛的應(yīng)用。在具體操作中，施工單位應(yīng)加強(qiáng)對(duì)噴射混凝土施工技術(shù)的重視，選擇更為科學(xué)的濕噴工藝，以提高工程質(zhì)量。加強(qiáng)對(duì)噴射角度、噴射順序、噴射方法等方面的把控，不斷優(yōu)化施工工藝，以推動(dòng)我國高速公路隧道工程施工水平持續(xù)提升。