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隧道初期支护湿喷混凝土施工技术

发表时间：2021/6/3 来源：《基层建设》2021年第2期作者：张毅

[导读] 摘要：隧道初支混凝土湿喷工艺由于其“综合成本低、社会效益好、环境污染小”的优点在隧道施工中逐步占据了主导趋势，并成为铁路总公司强制要求实施的工艺。

        中铁十七局集团第五工程有限公司山西省太原市 030032
        摘要：隧道初支混凝土湿喷工艺由于其“综合成本低、社会效益好、环境污染小”的优点在隧道施工中逐步占据了主导趋势，并成为铁路总公司强制要求实施的工艺。混凝土湿喷施工能巨大的改善隧道施工作业环境。缩短喷射混凝土的作业循环，更尤为重要的是通过湿喷工艺建立喷射混凝土质量保证体系，使喷射混凝土质量稳定可靠。本文结合薛家畔1号隧道湿喷施工为例论述了隧道初期支护湿喷混凝土施工工艺流程及质量控制要点，并针对性的论述了特殊部位的施工要点。
        关键词：隧道；支护；混凝土；湿喷；工程实例。
        一、工程概况
        薛家畔1号隧道位于陕西省靖边县龙洲乡，隧道进口里程DK240+848.85，出口里程DK241+785，隧道全长936.15m，最大埋深63.49m，为单洞双线隧道。隧道DK240+849.37～DK241+131.56段位于R=1200m的左偏曲线上，DK241+593.71～DK241+785段位于R=1200m的右偏曲线上，线间距4.0～4.18m，其余段位于直线上。隧道纵坡为单面坡，坡度及坡长为5‰/936.15m。隧道进口与响水沟大桥相连，桥梁台尾里程DK240+848.85，隧道出口里程DK240+848.85。隧址范围为毛乌素沙漠与黄土高原过渡区，地形起伏较大，冲沟发育。隧道进口自然坡度约51°，出口自然坡度约45°，隧道洞身地质以第四系上更新统风积砂质新黄土、第四系全新统坡积砂质新黄土及白垩系下统洛河组砂岩为主，围岩等级为IV、V级。全隧初期支护喷射混凝土采用湿喷工艺进行施工。
        二、初期支护湿喷混凝土施工
        2.1设备选用
        薛家畔1号隧道初期支护喷射混凝土施工采用湖南五新WXCHP25型混凝土喷射机。　　2.2 原材料的控制及配合比优化
        细骨料采用级配合理且细度模数大于2.5的中粗砂。砂中小于0.075mm的颗粒不应大于20%，含泥量不应大于3%，泥块含量不应大于0.5%；粗骨料应采用坚硬耐久的碎石或卵石，或两者混合物。严禁选用具有潜在碱活性骨料。当使用碱性速凝剂时，不得使用含有活性二氧化硅的石料。喷射混凝土中的石子最大粒径不宜大于15mm，按重量计含泥量不应大于1%，泥块含量不应大于0.25%；水泥选用普通硅酸盐水泥（PO.425），其与混凝土设计标号相适应，且其技术指标应符合国家标准。根据现场施工经验，混凝土塌落度宜控制在140～180mm之间（根据湿喷机性能选择），塌落度过小易出现堵管现象，塌落度过大喷射时混凝土难以自稳、易塌落、回弹量较大，同时速凝剂的用量增大，混凝土强度也得不到保证。
        2.3 喷射前的检查处理及准备工作
        喷射前，首先应测量受喷围岩的基本尺寸，并要求隧洞外轮廓较为光顺，对欠挖部位应进行补凿及清除浮渣，之后用高压气体将受喷面上的污泥、灰尘及细岩清除干净；若隧洞存在漏水地段应查明水源并做好防排水措施，必要时采用凿岩机钻孔以对周边围岩排水以防止喷射混凝土与围岩间的水阻碍混凝土的粘结及延缓混凝土强度提高。埋设喷层厚度检查标志，一般是在围岩基面打铁钉，或安设钢筋头，并记录其外露长度，以便控制喷层厚度；检查机械设备工作状态是否良好。保证作业区内具有良好的通风和照明条件。
        2.4 喷射手培训及湿喷操作要点
        应加强对喷射操作手的培训，使其熟练掌握湿喷机的性能和操作要领。理解湿喷工艺是一个动态的施工过程，应根据现场实际情况，调整混凝土的坍落度、风压、喷射角度及喷射距离。施作时软管长度不宜大于20米，隧道拱顶作业时风压宜控制在0.4～0.6Mpa，边墙湿喷作业时风压宜控制在0.3～0.5Mpa。
        2.4.1 喷射作业
        ①初次喷射混凝土应在开挖后及时进行，喷射厚度约5cm。
        ②喷射操作程序为：打开速凝剂辅助风→缓慢打开主风阀→启动速凝剂计量泵、主电机及振动器→向料斗内加混凝土。
        ③喷射混凝土作业应采用分段、分片、分层依次进行，喷射顺序应自下而上，分段长度不宜大于6m。喷射时先将低洼处大致喷平，再自下而上顺序分层、往复喷射。喷锚施工顺序如下图所示。

        图1 喷锚施工顺序图
        ④作业时喷嘴一般应垂直于喷射面，边墙喷射则宜将喷嘴下俯10°左右，以使混凝土获得最大压实和最小回弹。喷嘴与受喷面间距宜为1.5～2.0m；喷嘴应连续、缓慢作横向环向移动，一圈压半圈，绕圈直径一般控制在30cm左右，喷射工所画的环形圈，横向40～60cm，高15～20cm；若受喷面被钢架、钢筋网覆盖时，可将喷嘴稍加偏斜。如果喷嘴与受喷面的角度太小，会形成混凝土物料在受喷面上的滚动，而产生凹凸不平的波形喷面，增加回弹量，影响喷射混凝土质量；喷射距离应根据混凝土最小回弹和最高强度随时动态调整，不要过于教条，以能看清喷射情况并使料束集中，回弹量最小为宜。喷射过程中喷头应先找平凹处之后将喷头成螺旋形或S形缓慢均匀移动。
        2.4.2 喷射时间间隔及风压控制
        当分层喷射时，后一层喷射应在前一层混凝土终凝后进行，若终凝1h后再进行喷射时，应先用高压风清洗喷层表面。一次喷混凝土的厚度以喷混凝土不滑移不坠落为度，既不能因厚太大而影响喷混凝土的粘结力和凝聚力，也不能因太薄而增加回弹量。边墙一次喷射混凝土厚度控制在7～10cm，拱部控制在5～6cm，并保持喷层厚度均匀。顶部喷射混凝土时，为避免坠落现象，两次间隔时间宜为2～4h。第二次喷射至设计要求厚度。
        喷射速度要适当，以利于混凝土的压实。风压过大，喷射速度增大，回弹量增加；风压过小，喷射速度过小，压实力小，影响混凝土强度。因此在开机后要注意观察风压，起始风压达到0.5Mpa后，才能开始操作，并根据喷嘴出料情况调整风压。一般工作风压为：边墙0.3～0.5Mpa，拱部0.40～0.65Mpa。
        2.4.3 整平
        对喷射层进行整平，对于提高结构强度及耐久性均有利。只依靠喷射混凝土自然形成的面层过于粗糙并对后期二衬防水板的铺设产生影响，因此施工中在喷射混凝土初凝后则用刮刀将多余混凝土刮掉，之后用喷浆或抹灰浆对其找平。
        2.5 养护
        由于湿喷混凝土的表面较为粗糙，对其进行良好的养护非常必要，同时由于拌和物内水泥用量和砂率较高，因此为使水泥充分水化以减少和防止混凝土不正常收缩裂缝的产生因此在其终凝后则应进行养护。养护时应采用洒水养护的方式，养护时间不少于7d以保证后续强度的发展。
        2.6 特殊部位处理
        2.6.1 拱顶光滑岩面的处理：
        当围岩较好、岩体整体性较为完整，开挖时光面爆破控制的较好的情况下，拱顶段的岩面通常较为光滑，喷射混凝土时底层混凝土和岩面通常难以粘结。为保证喷射混凝土同岩面的粘结牢固，应在拱顶光滑岩面正式喷射前在光滑岩面扫喷一层厚约2cm的1：2～2.5的水泥砂浆，并可适当加大速凝剂用量，以实现其在喷射2～3min后即可达到终凝，进而进行喷射混凝土至设计厚度。
        2.6.2 对滴、渗水部位喷射：
        在滴、渗水部位围岩表面喷射混凝土时，其喷射混凝土的凝结时间应随喷射面渗水量的大小而进行调整。
        2.6.3 钢架间的喷射混凝土喷射：
        为确保初期支护安全、可靠，对于Ⅴ类围岩通常都采用H180格栅钢架或I20以上钢架进行支护，钢架间距通常在0.6米左右。钢架背后设置钢筋网片。这就提高了对喷射混凝土的操作要求。因此宜采用低风压、近距离、变换喷射角度的方式进行。风压宜控制在0.2～0.3Mpa，距离在1米左右。先调整角度将拱架背后喷密实，在喷实钢筋网背后，最后恢复正常湿喷方式喷实拱架之间间隙。否则在钢架和钢筋网表面会形成一个混凝土壳，而钢筋网背后、钢架背后易形成空洞。
        2.7 工程实例
        薛家畔1号隧道湿喷施工过程中的经验表明，当砂子细度模数控制在2.5～3.2之间、石子粒径控制在5～10mm（最大粒径不大于15mm）、混凝土塌落度控制在180～190mm时，五新WXCHP25型湿喷机速凝剂计量泵流量调节螺杆示数调至6.5左右时，其喷射速度和喷射效果都较好。正常喷射情况下实际生产率能达到5方/h（该机的额定生产率为6方/h），喷射混凝土的1d、28d强度均能满足设计及规范要求；但喷射砼回弹量在70%～80%左右，增加了施工成本，是本隧道下一步重点解决的问题。
        三、结束语
        隧道施工初期支护湿式混凝土喷射工艺因其高效、环保、高能等优点而被广泛应用，但其在使用中仍存在一定问题，如：喷射混凝土时占用罐车时间长导致施工单位混凝土运输罐车投入增大；因为喷射速度相对其他混凝土施工速度依然较慢；液态速凝剂有一定的腐蚀性对喷射手危害较大；湿喷工艺较干喷回弹量明显增大等因素，制约了湿喷技术的发展和应用，因此对其进行深入研究，不断优化其工艺是当前亟需解决的实际问题。
        参考文献：
        [1]中铁电气化局集团有限公司．铁路工程（隧道、轨道）施工作业操作手册．中国铁道出版社，2014.
        [2]铁道部经规院．铁路隧道工程施工技术指南．中国铁道出版社，2015.
        [3]赵勇等．黄土隧道工程．中国铁道出版社，2011.
        [4]郭陕云．隧道施工技术方案及方法遴选要点．隧道建设，2006.
        [5]傅鹤林．隧道安全施工技术手册．人民交通出版社，2010.06.