隧道喷射混凝土施工技术与质量控制浅谈

王国炜 刘 菊 孔祥利

0 引言

喷射混凝土技术是新奥法施工的核心内容之一,是初期支护的主要内容。目前有干喷(潮喷)、湿喷和混合喷(SEG式喷)三种方式。

目前,由于湿喷技术具有明显的优势,湿式混凝土喷射机在各工程中的应用亦越来越多。但由于存在着一些尚待解决的问题,如成本较高,操作维修繁琐等原因。对湿式混凝土喷射机的推广应用起到了一定的阻碍作用,以至于在我国,目前主要的喷射混凝土作业方式仍是干喷。干喷(潮喷)以适应性强,场地需求小,成本低在我国隧道工程中有广泛应用。其缺点是粉尘大,因而限制了它的发展。我们同时使用过两种方法:湿喷粉尘减少,但雾状水泥尘很大,并且每次作业完成后,清洗设备繁琐,使用液体速凝剂成本较高。我们采用的是改良的潮喷,采取有效措施减少了粉尘,工艺简单,操作灵活,施工机动,快速,高效,有较强的适应性。

1 喷射作业流程

1.1 准备工作

检查受喷面的轮廓尺寸,并加以修整,使之符合设计要求。清除受喷面松动岩石、浮碴,并用压力水或高压风清洗除掉受喷面的灰尘。检查机具设备及三管两线和试运转。喷射混凝土地段有漏、滴、渗水现象时,应予以及时处理,采取堵、截、排等手段,使喷射面无淋水、滴水现象,以保证混凝土与岩面的粘结良好。

1.2 机械设备

机械设备主要有空气压缩机、喷射机、搅拌机。

1.3 混凝土喷射机操作流程

每班作业前,应对喷射机进行检查和试运转。

1)开机时应先给风、再给电,当机械运转正常后送料;作业结束时,应先将拌合料输送干净,再停电,最后关风。2)作业完毕或因故间断时,喷射机和输料管内的积料,必须及时清除干净。3)喷射作业。各项准备工作完成后,可以向搅拌机料斗和速凝剂料斗中加满料。首先打开进风总阀门,上风路阀开启1/3圈,再调整下风路到0.5 kg/cm2～1.0 kg/cm2空载风压。这时可以开动搅拌机,并打开供水阀门,向料斗内喷水。只要连续上料处于基本充满状态、不使螺旋叶片暴露出来,搅拌机就会自动均匀地搅拌和准确供料。当喷射机料斗内有料时,即可开动喷射机开始作业。此时的工作压力大约为0.4 MPa～0.5 MPa(取决于拌合料的水灰比大小和输料管长短)。旋流器风压(下风路)调整确定后,再次开启上风路阀门,直到喷射余气口没有较多物料泄出为止。上、下风路阀门调整合适后一般无需再动。当班中需要停风时,只需关闭进风管路总阀门即可。作业中,若发现混合料堆积在搅拌机料斗筛网上时,应及时打开振动器阀门,加速振动筛下料,再将杂物拣出,需要停搅拌机时一定要把供水阀门同时关闭。

短时中断喷射作业时,可以随时停机、停风,无需清理。拌合料和速凝剂可以滞留在料斗中,但一定要关闭供水阀门。长时间停顿或每班工作结束时,首先要停止加料,待搅拌机料斗排空后加入一定数量不含水泥的纯砂石,并加大向料斗的喷水量,保持机组运转,直至料腔中的物料排完为止,而后停机。停机后,应将输料管中的残料吹出去,当没有物料从喷头喷出时,再关闭喷头水阀。最后关闭总进风管路阀门。

2 隧道喷射混凝土的配合比设计

2.1 原材料要求

1)水泥:对水泥的要求是掺入速凝剂后凝结快、保水性好、早期强度高、收缩小。实践中一般选用普通硅酸盐水泥。2)砂:喷射混凝土用砂最好选用中粗砂,细度模数大于2.5,含泥量小于5%,含水率以5%～7%为宜。3)碎石:卵石或碎石均可,但以卵石最好,其最大粒径不宜大于15 mm且应选用连续级配的骨料。4)水:喷射混凝土用水要求与普通混凝土相同。5)外加剂:喷射混凝土的外加剂主要是速凝剂。

2.2 混凝土配合比设计

1)灰骨比:适宜的比例为 1∶4～1∶4.5,水泥过少,回弹量大,初期强度增长慢,水泥过多,粉尘大,硬化后收缩大,水泥用量不能超过400 kg/m3。2)砂率:砂在整个细骨料中所占的百分率对喷射混凝土的施工和力学性能有显著影响。综合考虑,以45%～55%为宜。3)水灰比:适宜的水灰比是0.4～0.5,在这一范围内,混凝土表面平整,呈水亮光泽,回弹和粉尘均减少。偏离这一范围,不仅降低喷射混凝土强度,回弹量也会增加。

3 施工控制及养护

3.1 施工控制方案

1)风压控制:在喷射混凝土作业时,输料管长度应控制在20 m左右,喷嘴与出料口的高差不超过5 m,实践表明当喷嘴处的风压稳定在0.1 MPa～0.2 MPa范围内时,对回弹控制最为有利,此时空压机上压力表的读数为0.2 MPa～0.45 MPa,因此风源风压应控制在0.4～0.65范围。施工中发现,当压送距离、软管或配管的直径发生变化时,空气压力要视喷射的状况和粘附程度加以修正,风力过大或过小,都会导致回弹量增加。2)水压控制:喷水嘴处水压应比输料管风压高 0.1 MPa～0.15 MPa,且喷水作业区的系统水压应大于0.4 MPa,此时喷射混凝土效果最好。3)喷射角度:在喷射平整的受喷面时,喷嘴应与受喷面垂直,如喷射混凝土射流不能与受喷面垂直,将会造成回弹量加大和密实度降低,强度也会大大降低。4)喷射距离:施工中通常的做法是:在喷头上接一个直径为100 mm,长为0.8～1.0的塑料管,它的作用是使水泥与水充分拌和,混凝土束集中和回弹骨料不致伤害喷射手。调到适合风压后,喷嘴与受喷面最佳距离为0.8 m～1.2 m。5)喷射方法:为减少混凝土因重力作用而引起的滑动或脱落现象,喷射时应按分段、分部、分块,自下而上,先边墙,后拱角,最后拱顶的原则进行。喷头正对受喷岩面均匀而缓慢的以顺时针方向做螺旋形移动,可形成均匀的喷射混凝土,可保证回弹量最小。6)喷射人员:主要是喷射手。喷射手在操作过程中应先找一面或者在地上试喷一下,选定最佳的水灰比,然后按喷射规程操作。7)一次喷射厚度及各喷层间的时间间隔:混凝土一次喷射厚度水平方向为7 cm～10 cm、向上为5 cm～6 cm、向下为10 cm～15 cm。各喷层间的时间间隔与水泥品种、施工温度、速凝剂质量等因素有关,根据经验,一般间隔时间为20 min～30 min。

3.2 混凝土养护方案

混凝土终凝后2 h,即应开始洒水养护,养护时间不得少于14 d,洒水次数以能保持混凝土充分湿润为度。

4 喷射混凝土的质量检查

4.1 喷射厚度的检查

喷射前用PVC管固定在岩体上,其外露长度比设计喷层厚度大5 cm,隧道每10 m检查一个断面,纵横向1 m～2 m各设一根,作施工控制和检查用。

合格条件:每个断面上,全部检查孔及PVC管处喷层的厚度,60%以上应不小于设计厚度,其余均不小于设计厚度的1/2。

4.2 强度检查

喷射混凝土强度检查主要做抗压强度试验,需要在喷射施工时采集、制作试件,制作抗压强度试件的方法主要有喷大板切割法、凿方切割法两种。

喷大板切割法:施喷的同时,将混凝土喷射于45 cm×35 cm×12 cm(可制6块)或45 cm×20 cm×12 cm(可制3块)的模板内,喷完后立即将表面轻轻抹平,待达到一定强度后,用切割机去掉周边,加工成10 cm×10 cm×10 cm的立方体试件,在标准条件下养护28 d,而后进行试压。

凿方切割法:在具有一定强度的喷射混凝土层上,用凿岩机打密排钻孔,取出长约35 cm、宽约15 cm的混凝土块,用切割机加工成10 cm×10 cm×10 cm的立方体试件,在标准条件下养护28 d,而后进行试压。

5 安全防护措施

施工中必须采取加强通风、喷雾洒水、控制砂石含水率、使用适宜的工作风压、掌握恰当的水灰比等综合措施,尽量降低粉尘浓度。机械上配备的压力表、安全阀,使用前应进行耐压试验,合格后方可使用。

另外,喷射混凝土易产生粉尘,不仅会影响环境,还会损害施工人员健康。干喷法喷射混凝土作业产生的粉尘主要是水泥,其中有时也含有少量的二氧化硅。它可能引起肺气肿等疾病,可采取下列措施以减少粉尘:1)适当增加砂的含水量,以6%～8%为宜,对减少粉尘有明显效果。2)适当增加骨料含水量,采用潮式干喷。3)拌合机拌和加料顺序:先放入一般碎石,再放入砂、水泥、速凝剂,最后放入另一半碎石。4)加强通风,以迅速排除作业面产生的粉尘。5)采用双水环供水的喷嘴,使干料得到充分湿润,以减少粉尘。6)加长喷嘴管长,以400 mm～1000 mm为宜,以增加水与干料混合的机会,使水泥颗粒充分润湿,降低粉尘。

[1]JTG F60-2009,公路隧道施工技术规范[S].

[2]TB 10204-2002/J 163-2002,铁路隧道施工规范[S].

[3]GB 50299-1999,地下铁道工程施工及验收规范[S].

[4]李福勇.软岩大跨隧道施工技术探讨[J].山西建筑,2009,35(5):292-293.