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浅谈隧洞施工喷射混凝土超耗控制技术

发表时间：2021/6/1 来源：《基层建设》2021年第2期作者：王坤

[导读] 摘要：在隧洞施工中，喷射混凝土的超耗问题，一直是制约隧洞施工成本控制的主要原因，对初期支护的成型质量也有较大影响。

        云南建投第一水利水电建设有限公司云南昆明 650217
        摘要：在隧洞施工中，喷射混凝土的超耗问题，一直是制约隧洞施工成本控制的主要原因，对初期支护的成型质量也有较大影响。本文通过对隧洞初期支护成形前，超前支护、控制爆破、喷射混凝土质量及喷砼工艺等工序控制质量对喷砼超耗控制的影响，及应对措施进行了研究和总结，对隧洞喷砼超耗控制具有很好的借鉴意义。
        关键词：隧洞；喷射混凝土；超耗控制
        柔性初期支护是隧洞新奥法施工理念的精髓，也是隧洞施工过程的主要组成部分。锚喷形成初期支护的技术以其工艺的简便、支护的及时性在水工隧洞工程中得到极为广泛的运用。
        喷砼工艺主要分为干喷、潮喷和湿喷三种。前两者具有机械成本低、适应性强、操作方便等优势在过去得到较为普遍的应用，但由于其回弹率较高、粉尘含量大、对操作人员职业健康影响大等因素而限制了其发展，目前隧洞工程的初期支护施工主要还是采用湿喷工艺。喷砼工艺是隧洞工程施工的重要工作内容，喷射混凝土超耗问题是影响隧洞工程施工成本控制的主要因素之一。
        现结合隧洞现场施工，研究超前支护、控制爆破、喷射混凝土质量及喷砼工艺控制对喷射混凝土超耗问题的影响，为今后的喷砼超耗控制提供一些依据。
        1、超前支护对喷砼超耗的影响及控制措施
        在隧洞Ⅳ类以上围岩施工中，由于地质情况差，围岩较为破碎，自稳能力差，开挖后围岩极易变形，在对其进行初期支护之前，就容易出现塌方的情况，存在极大的安全隐患，针对这种情况，都会采用超前支护的方式使岩体的自稳能力得到改善或提高，实现隧洞的施工安全。
        隧洞超前支护有多种方法。在此以山体隧洞经常使用的超前小导管支护为例分析超前支护对喷砼超耗控制的影响。
        一是其自身加固原理，包括锚杆管棚作用及注浆浆液通道两方面作用；二是灌浆浆液对周边围岩的加固作用。两个作用都是为了限制围岩应力释放，加强围岩自稳能力，对控制围岩的超挖及控制砼超耗均有利。因此，加强超前支护的施工质量和注浆效果是控制地质情况较差的情况下喷砼超耗的重要工作。
        1.1加强超前小导管成形质量
        超前小导管以掌子面前面的钢支撑以及未开挖部位的岩体作为支点，将前方不稳定的岩块或岩层穿连起来，在隧洞环向上形成一道拱形承载壳，类似于一道环形的简支梁墙。
        理论和实践均表明，超前小导管在环向布置上越接近弧面，管间距越均匀，小导管穿连起来的这道拱形承载壳对限制围岩应力释放变形脱落，对阻止破碎围岩从管间脱落越有效。同时，若小导管外插角越小，管体前段距离隧洞开挖轮廓线越近，浆液渗入开挖轮廓线以内的概率越大，浆液对开挖轮廓线以外的破碎围岩的加固效果越明显。所以，小导管的的外插角越小、钻设越近似弧面，管间距越均匀，对减少隧洞拱部岩体坠落导致的超挖越导致的喷砼超耗越有效。
        在实际施工过程中，应在靠近掌子面作为支点的钢架上按设计间距标记出钻孔位置，严格按照布点钻孔。同时在已施作段初支上标记钻孔孔位的对应点，便于钻孔过程中作为参照，随时检查钻孔的倾斜度和方向，外插角控制在10~15°，保障小导管按照间距均匀的弧面布设。
        1.2加强超前小导管注浆质量
        灌浆浆液通过施工的小导管扩散到地下孔隙和裂隙中，从而改变周边围岩的物理力学性能，这样第一方面可以起到止水作用，第二方面可以在周围形成一个地层自拱，第三方面管体自身可以起到超前锚杆的作用。这样就有效延长了自稳时间，提高了围岩的自稳能力，有效的控制了围岩的松动变形脱落，从而达到控制超挖的目的。
        在对超前小导管进行注浆过程中，应保证足够的注浆压力使浆液在土层岩石裂隙中充分扩散，从而达到骨戒松散岩体的目的，注浆压力一般控制在0.5~1.0Mpa。
        超前注浆按照由下至上的顺序进行。注浆量一般通过现场工艺性试验确定。
        主要做好以下几个方面工作：
        1）注浆前应在工作面一定范围进行喷砼施工形成止浆层。达到一定强度时方可注浆，这样做的目的是防止浆液从各裂隙中渗透。
        2）注浆时应按照自下而上的顺序进行，先对无水孔进行注浆，后对有水孔进行注浆。
        3）注浆压力应严格控制，要注意岩体不破坏、不跑浆。
        4）当注入量大，无法达到设计压力时，则增大浓度。当注浆压力达到设计值80%以上的时候可以停止注浆，但是需要稳定压力到一定时间，这样有利于浆液进一步渗透。
        5）单个导管注浆时，应打开相邻导管上的阀门以排出管内积水，当相邻管内流出浓浆时应停止注浆，关闭阀门。然后在相邻管接上注浆管，继续进行补压注浆。
        6）隧洞爆破开挖应在小导管注浆3h以后进行，使注入浆液有效固结破碎岩体。
        2、控制爆破对喷砼超耗的影响及控制措施
        在钻爆法施工中，普遍存在超欠挖现象。欠挖需增加人力或机械清除，若加以补炮的话，更易形成超挖，超挖不但增加了隧洞的出渣量，且极大的增加了砼的回填工程量。
        通过在隧洞开挖过程中的不断实践总结，影响隧洞超欠挖的主要因素有：测量放线、钻孔精度、爆破技术及围岩地质情况。
        因此，在隧洞开挖过程中具体控制措施有：
        2.1严格控制测量放线工序
        测量放线是隧洞开挖工序的重中之重，相关人员必须充分熟悉设计要求，尤其要控制好设计开挖轮廓线的精度。同时应考虑预留变形量。
        2.2提高炮孔钻孔精度
        在作业前应专门组织施工人员对其进行交底培训，严格按照设计要求及施工方案布孔，保证孔位、孔深和角度的精确并保证炮孔数量。
        2.3采用合理的爆破技术
        在隧洞开挖过程中应根据现场实际情况来确定爆破器材、爆破参数、装药方法和爆破方式，不同的爆破技术会造成不同程度的超欠挖。
        2.4根据地质条件和爆破效果不断调整参数
        围岩条件是客观形成的，是确定爆破参数的主要依据。需要不断调整开挖及爆破参数来控制隧洞超欠挖。
        3、喷射混凝配合比对超耗的影响及控制措施
        良好的喷射混凝土配合比不但具有良好的和易性和流动性，而且是减少喷砼回弹量的根本措施。下面分析以下几个主要配合比参数对混凝土质量及回弹率的影响。
        3.1灰骨比（水泥与骨料之比）
        灰骨比是喷射砼重要指标，经论证，1：4~1：4.5之间的灰骨比较为适宜。
        3.2水灰比
        水灰比是影响砼强度的关键因素。多次试验证明，水灰比为0.4~0.5较为合理。
        3.3外加剂
        使用外加剂的主要目的是促使喷射砼较快速凝结硬化，防止因重力作用而导致砼脱落，减少回弹量。
        通过多次试验得知，加入速凝剂之后，水灰比越大，则速凝效果越差。
        4、喷砼施工工艺对超耗的影响及控制措施
        喷射混凝土在施工过程中，影响超耗的因素主要是混凝土的回弹率。在工艺上主要有如下几个方面的控制手段：
        4.1风压控制
        在施工中发现，当喷头的风压控制在在0.1~0.2Mpa这个范围时，回填量会得到有效控制。此时喷射机上的压力为0.2~0.45Mpa，而供风源毅力则稳定在0.4~0.65Mpa。作业时，送料管长度一般控制在20m左右。
        实践表明，使用喷砼的风压不宜过小或过大，原因在于风压过小或过大都会导致砼回弹量增大。
        4.2喷射角度控制
        在喷射平整的工作面时，喷砼应与工作面保持垂直，如喷射流与工作面未形成90°关系，则砼的密实度会降低且强度会受较大影响。
        有关专家在施工过程中经过大量的试验，得到回弹率与喷头角度的关系如图1：

                                        图1
        4.3喷射距离控制
        喷射距离对砼的回弹量和质量有影响较大。喷砼距离过远或过近，都会造成回弹量增大。实践表明，当风压控制好时，喷射最佳距离一般为0.8~1.2m。通过试验得出如图2关系：

                                      图2
        4.4一次喷砼厚度及间隔时间控制
        喷射厚度过厚极易造成混凝土下坠脱落，回弹率增大。
        在施工中发现开始回填率较大，喷射厚度达到5cm后，后续骨料逐渐嵌入，回弹才基本稳定下来。而且不同方向的受喷部位，对喷砼的控制厚度也略有区别，见表1。
                          表1 一次喷砼最佳厚度

        各喷层的间隔时间与水泥种类、工作温度和速凝剂等因素有关。一般经过过15~20min后对受喷面进行复喷。
        5、结论
        通过上面的因素分析和试验总结，可得到如下结论：
        1）超前支护以及超前预注浆的质量卡控对提高软弱围岩自稳能力有利，减少了开挖后因围岩失稳导致的超挖，降低因回弹导致的喷砼超耗。
        2）在开挖过程中制定合理的爆破参数，采取合适的爆破技术，是降低喷砼超耗的主要手段。
        3）制定适宜的混凝土配合比，通过一系列科学的控制措施来降低喷砼回弹率，是降低喷砼超耗的保证措施。
        4）合理的喷砼风压、喷射角度、喷砼厚度及顺序是降低喷砼超耗的重要方法。
        参考文献：
        [1]张凤爱，《浅谈对隧道超前小导管注浆的质量管理》.
        [2]何华，《喷射混凝土技术在任胡岭隧道的应用与控制研究》.