中铁二十五局集团第四工程有限公司 广西柳州 545007
摘要：随着我国经济和交通建设快速发展，贯穿南北的高速铁路不断规划建设，为保证高速铁路线型，在穿山越岭时需要修建大量的隧道工程，隧道在穿越软弱破碎围岩地带时，由于围岩自稳能力差，受力复杂，围岩应力释放不均衡等特点，为保证围岩变形过大导致结构失稳，我们需要进行初期支护，而相对于施工单位而言，成本不可控因素最大来源于开挖和喷射混凝土，所以我们提高喷射混凝土的合格率，不仅降低隧道施工的成本同时大大提高了工程质量问题。
关键词：弱膨胀、粉质黏土、初期支护
引言
1 工程概况
1.1隧道结构形式
白鹤岭隧道位于南宁市邕宁区白鹤岭附近，为丘陵区，洞身为一丘包，地形较为开阔，隧道进出口均位于丘陵区的缓坡地带，山体坡面植被茂密、局部山体较陡，洞口附近为乡村道路，交通条件一般。隧道起讫里程：DYK1+864-DYK2+071.75，全长207.75m，为单洞单线马蹄形断面，开挖断面面积约为105㎡，隧道均在直线上；隧道坡度及长度为25‰/86m、6.5‰/121.75m，隧道内为单面上坡，隧道进口高程：116.0931m，出口高程：119.1176m。
1.2工程地质及水文地质条件
隧址为一丘包，地表水为出口水塘蓄水，供居民灌溉。地下水主要为基岩裂隙水，水位及水量受降雨影响较大。隧道范围内不良地质不发育，隧址区分布的第四系粉质黏土自由膨胀率Fs=22~36%，蒙脱石含量M=1.55~5.6%，阳离子交换量CEC（NH4+）=35.54~76.41mmol/L，根据本区工程经验，自由膨胀率FS＞30%即普遍具有弱膨胀性。
2隧道施工开挖与支护
2.1施工方法
隧道结构采用复合式衬砌（初期支护+二次衬砌）预留变形量8~10cm。初期支护采用湿喷喷锚支护，由C25喷射混凝土（厚25cm）、钢筋网（Φ8，网格间距20×20cm）、锚杆（长3.5m，间距：环向1.2m×纵向1.0m）及型钢钢架（I18型钢，间距0.8m）组成。二次衬砌为模筑钢筋混凝土，厚45cm。初期支护与二次衬砌之间铺设 EVA 防水板和土工布缓冲层。超前支护采用Φ42小导管进行超前支护并预注水泥浆加固，小导管长3.5m，每环向长度2.4m，环向间距0.4m，外插角10~15°，纵向搭接长度≮1m。隧道全线均为V级围岩；暗洞DYK1+887~DYK1+917、DYK2+024~DYK2+054段采用三台阶临时横撑法施工，DYK1+917-DYK2+054采用三台阶法施工。
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2.2施工控制要点
初期支护是复合式衬砌的主要组成部分，初期支护既要与围岩共同变形，又要有足够的强度和刚度能控制围岩变形。
由于地质差，围岩自稳能力差，隧道的初支成为施工能否顺利施工的关键。
隧道开挖中尽量减少对围岩的扰动，开挖后必须及时支护。采用机械开挖，施工中尽量减少对围岩的扰动，严格控制超欠挖，以达到开挖轮廓圆顺，开挖面平整。
隧道初期支护必须紧跟开挖及时施做，同时按设计要求进行监控量测的相关作业，对位于岩溶发育及不良地质隧道，支护应及时封闭成环。
隧道施工时严格遵循“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”的基本工艺施工，施工组织和施工工序严格遵守“先排管、后注浆、再开挖、注浆一段、开挖一段、支护一段、封闭一段”的原则进行。
2.2.1锚杆
根据不同围岩级别按要求设置锚杆间距、数量、长度符合设计要求，设置垫板、螺帽。锚杆外露端头在防水层施工前必须切除。锚杆头外露部分不能悬挂异物。
2.2.2钢筋网
钢筋网加工的网格满足设计要求，网格搭接长度为1~2个网格。网片的焊接质量、焊接长度满足要求。
2.2.3型钢钢架
钢架加工后进行试拼，允许误差：沿隧道周边轮廓误差不大于3cm；螺栓孔眼中心间误差不超过±0.5cm；钢架平放时，平而翘曲小于±2cm。钢架平面垂宜于隧道中线，其倾斜度不大于2°。钢架的任何部位偏离铅垂面不大于5cm。
钢架拱脚必须安放在稳固的基础上，拱脚网侧设锁脚钢管。每段钢架连接板紧贴、螺栓拧紧。
2.2.4喷射混凝土
采用泵式喷射机湿式喷射栓，将已加水拌和好的混凝土拌和料压送至喷嘴处，在圧缩空气助推下喷出。
拌合料的质量、喷头与受喷面的距离、角度、混凝土的养护都是控制的要点。
若受喷面被钢筋网覆盖时，可将喷头稍加倾斜，为使水泥充分水化，减少和防止收缩裂缝，在喷射混凝土终凝后即开始洒水养护，养护时间和洒水次数，取决丁水泥品种和空气湿度。
2.2.5水的影响
水不仅影响隧道的正常施工，也会影响隧道的正常使用。在施工期间，水的作用不仅降低围岩的稳定性（尤其是对膨胀性粉质粘土影响更为严重），使得开挖施工十分困难，而且增加了支护的难度和费用，需采取超前支护或预注浆堵水和加固围岩，有时甚至会使施工被迫停工，影响工程进展。由于地下水渗流的影响，大量的隧道涌、突水将对隧道建设造成严重影响，甚至掩埋施工人员和机具；在隧道运营阶段，地下水的渗漏则隧道结构稳定、洞内设施运转、行车安全等产生诸多不良影响甚至威胁。因此，如何查明地下水的分布规律，经济、合理地处理好地下和地表水问题，往往关系到隧道工程的成败。
3 采取的措施
经过调查分析，得出影响喷射混凝土施工一次合格率的主要原因有：①水对隧道施工的影响；②喷射混凝土对隧道施工的影响。
3.1水
3.1.1洞顶防排水
隧道洞口及浅埋段，应尽量避免雨季施工，避不开。施工前清理洞顶坡面，做好地表及洞顶的截排水系统，使地表水远离隧道；封闭洞顶地表裂隙，夯填平整洞顶的低洼，空洞等处，严防地表水下渗。
3.1.2洞口防排水
为截排进、出口洞顶表面径流，防止地表水冲刷自然坡、灌入洞内。结合地形在开挖边线10m以外设截水沟，其坡度根据地形设置，但不应小于3‰，以免淤积。将水引离洞口，避免坡面水流冲刷构筑物，保证隧道洞门结构的稳定。
3.1.3洞内排水
隧道内设置双侧水沟将洞内水引排至洞外。
为了疏导和防止衬砌背后积水、减小静水压力造成的衬砌渗漏水，在衬砌背后环向设置φ50排水盲管，间距弱富水地段按9m直接引入侧沟，并尽量设于集中出水处；暗洞墙角纵向设φ80排水盲管，分段以9m引入隧道侧沟内，以引排防水层背后的积水。
洞口衬砌完成后，应及时修建洞门。
3.2喷射混凝土
成本、质量和安全不可控因素最大来源于开挖和喷射混凝土，所以我们提高喷射混凝土的合格率，不仅降低隧道施工的成本同时大大提高了工程质量问题。
3.2.1喷射角度、距离因素
技术人员在喷射过程中进行旁站，严格要求喷浆手对应部位按照设定的风压、喷射角度、分层厚度、夹层处理、距离工作面距离进行喷射操作，并对施工里程做好标记。
为进一步确认“喷射角度、喷射距离”对“回弹率”、“24h强度”、“28d强度”的影响大小，现场进行了几个循环的试验，分别采用不同角度、距离进行施工，并做好记录、采集数据，小组再次组织对现场采集数据进行对比分析，如下表
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通过对测量数据对比分析发现，通过对不同角度，不同距离进行施工，得出来的结果相差较大。末端因素“喷射角度、喷射距离”对“回弹率”、“24h强度”、“28d强度”的影响较大。
混凝土回弹量越小，需要混凝土粘结力和在工作面的距离越大，故受力面积越小，力越大，位移越大，以受喷面与湿喷嘴之间的夹角为控制因素，根据现场施工情况，喷射角度越小，回弹范围越大，且回弹率高故将角度分为45°、60°、70°、90°进行施工数据对比
由上图可知，随着喷射角度趋于与受喷面垂直，施工面缩小，能量集中，附着力变大，混凝土在工作面位移增加，回弹率明显降低，且混凝土更加密实，故垂直于喷射面是喷射混凝土良好的角度。
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②众所周知，喷枪距离工作面越近，混凝土速度越大，则能量越大，但是刚刚附着的混凝土强度未上来，能量太大会将刚刚喷射的混凝土一起冲掉，距离越大，与工作面接触速度小，则能量越小，附着能力能力小，这两样都会造成较大的混凝土回弹，我们需要找到合适距离，故现场将喷射距离0.6m、0.9m、1.1m、1.3m、1.6m，由上图可知，随着喷射距离为0.9m时，喷射能量较为符合要求，回弹率较小，且又能使混凝土密实，故0.9m是喷射混凝土较为合适的距离。
通过对喷射角度与喷射距离的不断调整。采取不同部位不同角度与距离的调整得到最合适的数据，为喷射混凝土施工合格率打下坚实基础，降低施工成本。
3.2.2速凝剂掺量
速凝剂到场后，实验室取样进行速凝剂与水泥相容试验及与水泥净浆凝结试验检测，合格后方可投入使用。
为进一步确认“速凝剂掺量”对『24h强度』、『28d强度』、『回弹率』的影响大小，小组对不同速凝剂的喷射混凝土进行记录并对数据进行对比，如下表所示：
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通过统计表中的数据对比结果可以看出，速凝剂掺量直接影响混凝土强度和回弹率。
水泥的凝结是由水泥中的铝酸三钙发生水化生成钙矾石，添加速凝剂的作用是无碱速凝剂与水发生反应后生成碱性物质与水泥中的石膏发生反应，生成NaSO4消除石膏的缓凝作用，同时水泥中的铝酸三钙遇到碱性物质迅速发生水化作用生成钙矾石，混凝土的早期强度迅速增加。故通过实验室数据，现场按设计速凝剂掺入质量分数为0、2%、4%、6%、8%，进行湿喷试验，并做好标记，对速凝剂的掺量对混凝土强度与回弹率的影响进行试验分析，现场采集数据绘图如下：
由上图可知，由于速凝剂的作用，混凝土1d强度的得到较大的提升，是因为添加速凝剂后的各种化学反应加速了石膏的凝结作用，使混凝土快速析出钙矾石晶体和水化铝酸钙，但添加速凝剂的混凝土后期强度明显降低，是因为水泥中的铁铝酸四钙（C4AF）水化反映析出的胶阻隔硅酸钙与反应物质后期水化，同时减小了混凝土强度的持续上升，根据实验分析，速凝剂掺量在4%时，混凝土强度指标既满足设计要求，又能持续上升。
②对回弹率的影响：
速凝剂不同，混凝土回弹量也不一样，是因为速凝剂能直接影响到混凝土的初凝时间及强度，分别以掺量2%、4%、6%进行试喷试验
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速凝剂掺入质量过少时混凝上凝结速度慢，附着在射工作面上的泥凝土由于凝结慢，导致内部粘聚力较低，在后续强劲喷射出混凝土的冲击下，喷射在工作面上未来得及凝结的混凝士被冲掉随着速凝剂掺入质量分数的增加，混凝土凝结时间缩短，内部粘聚力增加，强度增大，损失减小速凝剂掺入质量分数继续增加，前期喷射在工作面上的混凝土内部迅速形成凝结核，再次喷射至工作面的混凝土骨料被前期工作面上混凝土凝结成的硬核回弹进而导致了回弹率增加，由上图可知，当掺量为4%时混凝土回弹率达到一个理想值。
现场通过贯入法及取芯的方式对混凝土强度检验并混凝土回弹量数据收集，得到检查效果表如下：
速凝剂4%掺量对混凝土强度及回弹率检查表
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3.2.3混凝土养护
现场喷射混凝土施工完成后，对左右边墙进行区分，对左边进行洒水养护，然后进行并进行贯入试验和取芯进行抗压强度试验。
为进一步确认“混凝土养护”对『24h强度』、『28强度』的影响大小，对现场进行划区试验，并读取数据，结果如下表：
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通过对施工现场数据统计发现，混凝土进行洒水养护强度比不养护高10%~15%，混凝土养护对『24h强度』、『28强度』的影响较大。
混凝土的强度，取决于水泥的水化反应，隧道由于通风不良，洞内空气相对干燥，混凝土水化热会引起混凝土内部温度升高，表面水分蒸发较快，混凝土中的水泥与水接触时间短，水化程度低，混凝土强度低，再加上收缩引起的张力，会使混凝土开裂，为使混凝土中的水泥更好的进行水化反映，混凝土喷射两个小时后，需进行洒水养护，洒水不仅能降低混凝土内部温度，同时水泥在遇水时，促进各种化学反应加速了石膏的凝结作用，使混凝土快速析出钙矾石晶体和水化铝酸钙，持续的洒水养护促进水泥中的铁铝酸四钙（C4AF）不断水化，使混凝土强度不断上升。
由上图可知，洒水养护会使混凝土强度上升的较快，且28天强度比正常情况下高10%~15%。
4 结语
初支养护到达龄期后，采用贯入法对24h强度进行验证，采用取芯对28d抗压强度进行验证，通过分析，强度合格，施工质量可靠。
项目部于2021年1月20日完成白鹤岭隧道初支70m，比计划初支50m超前20m，经济效益明显。
混凝土回弹节约：70m*8.06*500元/m³*0.15=42315元；
人工：70m*8.06*340元/m³*0.15=28774元；
节约直接成本7.1万元。