隧道工程喷射混凝土质量控制.doc

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隧道喷射混凝土质量控制

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摘 要：

隧道复合衬砌是有内外两层复合而成，其外层常称为初次柔性支护，通常采用喷射混凝土等支护形式；内层常称为二次衬砌，一般采用现浇混凝土。

外层支护主要承受围岩的初期变形，待初期支护变形基本稳定后，再做内层衬砌。

外层支护与内层衬砌相互依赖共同承受围岩的变形和压力。

现代公路隧道衬砌已经普遍采用喷射混凝土技术，而喷射混凝土的施工质量将直接影响隧道支护效果，对确保围岩的稳定起着重要作用。

关键词：

喷射混凝土；湿喷；干喷；质量；试验；强度

1喷射混凝土作隧道支护的主要性能特点

喷射混凝土是使用混凝土喷射机，按一定的混合程序将掺有速凝剂的细石混凝土拌合料与高压水混合，经过喷嘴喷射到岩壁表面，并迅速凝固结成一层支护结构，从而对围岩起到支护作用。

喷射混凝土时一种新型的支护结构，又是一种新的施工工艺与技术，它可以根据需要分次追加厚度，也可以与各种类型的锚杆、钢钎维、钢拱架、钢筋网等构成复合式支护。

已有的工程实践表明，采用喷射混凝土作隧道支护具有以下性能特点：

⑴喷射混凝土具有强度增长快、凝结力强、密度大、抗渗性能好的特点，能较好地填充岩块间的裂隙与凹穴，增加围岩的整体性，防止岩面的风化和松动，并与围岩共同工作。

⑵喷射混凝土施工将输送、浇注、捣固几道工序合而为一，更不需要模板，因而施工快速简捷。

在软弱围岩的隧道中若采用复合式衬砌（即以锚杆喷射混凝土作为初期支护），与整体式模注混凝土衬砌相比，能节约工程投资约5%~10%。

⑶喷射混凝土能及早发挥承载作用。

它能在10min左右终凝，一般2h后即具有强度，8h后可达2MPa，16h后可达5MPa，1天后可达7~8MPa，4天后可达到28天强度的70%左右。

⑷喷射混凝土与模注混凝土相比，其物理力学性能有所改善，尤其以湿式喷射和水泥裹砂喷射混凝土的抗压强度、抗弯曲疲劳强度、早期强度和抗渗性能有更显著的提高。

2喷射混凝土的施工工艺种类及其优缺点

2.1干法喷射

干法喷射（也叫干喷法）是用搅拌机将骨料、水泥和速凝剂按设计配合比比例干拌均匀，用压缩空气使干混合料在软管内呈悬浮状态并压送到喷枪，再在喷嘴处与高压水混合，以较高速度喷射到岩面上（格栅网片上）。

干法喷射使用的喷射机机械结构较简单，机械清洗和故障处理容易，但容易产生较大的粉尘，回弹量大，加水由喷嘴处的阀门控制，水灰比的控制较难且与操作手的熟练程度有关。

2.2湿法喷射

湿法喷射（也叫湿喷法）是将骨料、水泥和按设计配合比比例拌合均匀，用湿式喷射机压送拌合好的混凝土混合料到喷头处，再在喷头上添加速凝剂后以较高速度喷射到围岩上。

湿法喷射混凝土质量容易控制，喷射过程中的粉尘和回弹量较少，但对喷射机械要求，机械清洗和故障处理较麻烦。

在隧道建设中，随着人们环保意识的增加和对喷射混凝土质量要求的提高，以及更先进的湿式混凝土喷射机的研发生产，湿法喷射混凝土已成为目前隧道施工现场较多使用的混凝土喷射工艺。

3喷射混凝土的施工质量控制

3.1喷射混凝土原材料质量要求

（1）水泥应优先采用普通硅酸盐水泥，也可采用矿渣硅酸盐水泥；在软弱围岩中宜选用早强水泥。

水泥标号不低于42.5级，使用前应对强度、安定性、凝结时间等进行抽样检测。

（2）粗骨料为防止喷射混凝土过程中堵塞管道，减少回弹量以及保证混凝土支护结构的强度，粗骨料应采用坚固耐久的碎石或卵石，粒径一般不大于15mm。

（3）细骨料为保证喷射混凝土的强度和减少施工作业时的粉尘，以及减少混凝土硬化时的收缩裂纹，细骨料应用坚硬耐久的中、粗砂，细度模数一般应大于2.5，含水量宜控制在5%~7%。

（4）水为保证喷射混凝土正常凝结和硬化，以及确保混凝土的强度和稳定性，水质应符合工程用水的有关标准。

不得使用污水及PH值小于4的酸性水和含硫酸盐量超过1%的水，也不得使用含有影响水泥正常凝结核硬化的有害物质的水。

（5）外加剂喷射混凝土使用的外加剂只要是速凝剂，用采用符合质量要求、并对人体危害性很小的外加剂。

在选用外加剂之前，应做速凝剂与水泥的相容性检测及水泥净浆凝结效果检测。

所采用的速凝剂应保证初凝时间不大于5min，终凝时间不大于10min，应注意外加剂的存放，使其保持干燥，防止受潮变质。

为使喷射混凝土在输送管道中的顺畅和喷射后密实性高，粗细骨料级配应符合有关规范标准，宜控制在表1的范围内。

表1喷射混凝土骨料的级配

骨料粒径/mm

0.15

0.30

0.60

1.20

2.50

5.00

10.00

15.00

级配（I）

5~7

10~15

17~22

23~31

35~43

50~60

73~82

100

级配（II）

4~8

5~22

13~31

18~41

26~54

40~70

62~90

100

3.2喷射混凝土配合比的确定

根据大量工程实践并结合有关技术规范，喷射混凝土配合比应满足一下要求：

（1）干集料中水泥与砂石重量比：

干集料中水泥与砂石重量比一般控制在1:

4~1:

4.5;每m³干集料中水泥用量宜控制在375~400kg。

这种配合比能满足喷射混凝土强度，且回弹量较少。

（2）含砂率：

含砂率一般应控制在14%~55%。

实践证明，低于45%时易造成堵管，且回弹量大；高于55%时强度降低，收缩加大。

需特别强调的是喷射混凝土中不宜采用细砂，它会影响混凝土强度，增加收缩开裂等。

（3）水灰比：

水灰比一般以0.40~0.45为宜，否则强度降低、回弹量增大。

通过工程实践验证，喷射混凝土的配合比采用表2所列的配合比较为适合，且能保证质量。

表2喷射混凝土配合比

喷射部位

配合比（重量比）

边墙

水泥：

细骨料（粗中混合砂）：

粗骨料（碎石）=1：

（2.0~2.5）：

（2.5~2.0）

拱部

水泥：

细骨料（粗中混合砂）：

粗骨料（碎石）=1:

2.0：

（1.5~2.0）

（4）速凝剂：

速凝剂一定要由效果试验来确定其最佳掺量值，并要求达到各龄期的设计强度。

一般情况下，实际使用时拱部可用2%—4%、边墙可用2%的速凝剂掺量，通过试验适当调整即可达到最佳掺量。

通过试验确定合理而适当的配合比，必须满足喷射混凝土工艺的设计要求，即易喷射、不易堵管、减少回弹量和粉尘，同时要求质量好、强度高、密实性高以及达到其它物理力学指标等。

3.3喷射混凝土施工机械设备要求

喷射混凝土施工所使用的主要机械设备有混凝土喷射机、喷射机械手、强制式搅拌机、压力水泵、空气压缩机、上料机等。

为保证喷射混凝土施工质量，减少粉尘和回弹量，喷射混凝土施工机械设备应符合下列要求：

（1）密封性良好，不漏水、不漏气。

（2）生产能力（干混合料）为3—5m³/h。

（3）输送连续、均匀，允许输送的骨料最大粒径为15mm，输送距离水平方向为100m，垂直距离为30m。

（4）喷射混凝土所选用的空压机，应满足喷射混凝土作业风压和耗风量的要求，工作效率高。

（5）混合料的拌和应采用强制式搅拌机。

（6）供水设施应保证喷头处的水压为0.15~0.2MPa。

喷射机应具有较大的移动范围，其施工布置应合理。

4喷射作业前检查及准备工作

4.1喷射作业前检查主要内容

（1）喷射前应对开挖断面尺寸进行认真检查，清除松动浮土或是浮石，欠挖超标严重的应预先处理。

（2）如有喷岩面有集中渗水时，应做好排水引流处理；无集中渗水时，应根据岩面受潮湿程度，适当调整水灰比。

（3）应根据岩面地层情况，在喷射前用高压风或水清洗受喷面，有利于混凝土粘结。

（4）埋设喷射层厚度检查标志，一般是在连接处埋设钢筋头，记录外露程度并保留影像资料。

（5）检查调试好喷射机械设备的工作状态

4.2喷射作业前准备工作内容和要求

（1）材料方面：

对水泥、砂、碎石、水、速凝剂材料应进行质量检测；砂、碎石筛分析、含泥量、泥块含量、含水率应符号要求；水泥、速凝剂凝结时间、安定性、相容性应符合要求。

（2）施工机械及管路方面：

喷射机、搅拌机、喷射机械手、压力水泵、空气压缩机、上料机等使用前均应检查检修是否调试完好，就位前进行试运转。

管路及接头是否保持良好，要求风管不漏风、水管不漏水，沿风管、水管每隔40-50m安装一阀门接头，以便当喷射机移动时，连接风管及水管。

喷射作业面需要充足的照明，照明灯上应罩防护网。

5、喷射混凝土施工技术要求

（1）严格掌握配比规定的速凝剂掺量，并添加均匀。

喷射时应严格控制水灰比，使喷层表面平整光滑，无滑落流淌现象。

（2）在位上混凝土拌合料之前，先开高压风及高压水，喷出的水应呈雾状。

如喷嘴风压不足（适宜的风压一般为0.1-0.15MPa），可能是出料口堵塞；如喷嘴不出风，可能是输料管堵塞，这些故障应及时排除。

再开电动机进行空转，待喷射机运转正常后才开始投料、搅拌和喷射。

（3）为保证喷射混凝土质量，减少回弹量和降低粉尘，喷射时应分段、分部、分块进行，分段长度不应超过6m，分部为先下后上，分块大小为2m×2m，并严格按先墙后拱、先下后上的顺序进行喷射，以减少混凝土滑动或脱落现象的发生。

（4）掌握喷嘴与受喷面的距离和角度。

喷嘴至岩面的距离为0.8-1.2m，过大或过小都会增加回弹量；喷嘴与受喷面垂直，并微微偏向刚喷射的部位（倾斜角不宜大于10°）；对于喷射面凹陷处应先喷和多喷，而凸出处应后喷和少喷。

（5）喷射时喷射机喷嘴需要对受喷岩面做均匀的顺时针方向的螺旋形移动前进，一圈压半圈的横向移动，螺旋直径约为20-30cm，以使混凝土喷射密实，也可以采用S形往返移动前进。

（6）应根据喷射情况调节好风压和水压。

过大的风压会造成喷射速度太高而增大回弹量，损失水泥；风压过小会使喷射力减弱而造成混凝土密实性差。

可结合输料管长度参考表3调节风压。

表3风压调节参数表

输料管长度/m

20

40

80

120

160

200

风压/MPa

1.0~1.5

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

为保证高压水能从喷头处内壁小孔高速射出，把干拌和迅速拌均匀，水压应稍高于风压。

一般水压应比输料管的压力至少高1.0~1.15MPa，同时要求供水系统的水压不应大于4.0MPa，供水系统水压不足时，需要采用压力水箱提供稳定的水压。

（7）若设计喷射混凝土较厚，喷射作业应分层进行，分层喷射时，一般分2~3层喷射。

一次喷射太厚，在自重作用下，喷层会出现裂纹而引起大片塌落；一次喷射太薄，大部分骨料会回弹，使受喷面上仅留下一层薄薄的混凝土或砂浆，影响工程质量。

一般情况下的一次喷射厚度为（当不掺速凝剂时）：

边墙是2~7cm，拱部是3~4cm；当掺速凝剂时，边墙是7~8cm，拱部是5~6cm。

（8）分层喷射的合理时间间隔应根据水泥品种、速凝剂种类及掺量、施工温度和水灰比等因素，并视喷射的混凝土终凝情况而定。

分层喷射一般要求在初喷混凝土终凝以后，再进行复喷。

当间隔时间较长时，复喷前应将初喷混凝土表面清洗干净，且复喷时应将凹陷处进一步找平。

一般在常温下（15℃~20℃）采用红星Ⅰ型速凝剂时，可在5~10min后进行下一次喷射；而采用碳酸钠速凝剂时，最少要在10min后才能进行复喷。

（9）为使水泥充分水化，使喷射混凝土的强度均匀增长，防止或减少混凝土的收缩开裂，喷射后需要有良好的养护，应在其终凝1~2h后进行洒水养护，养护时间一般不少于7天。

（10）冬季施工时喷射混凝土作业区的气温不得低于5℃；若气温低于5℃，不得洒水；混凝土强度未达到设计强度的50%时，若气温降低到5℃以下，则应注意采取保温防冻措施。

6喷射混凝土质量检测

6.1喷射混凝土质量检验指标

喷射混凝土质量检验指标主要有喷射混凝土的强度和喷射混凝土的厚度两项内容。

喷射混凝土强度包括抗压强度、抗拉强度、抗剪强度、疲劳强度、粘结强度等。

由于这些强度之间存在着