浅谈坪头水电站引水隧洞湿喷射混凝土配合比设计及质量控制

杜青林，李 建，李光伟，刘志辉

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川 成都 610072)

1 问题的提出

所谓湿喷是相对干喷和潮喷而言的，将拌好的混凝土料由输送泵输送至喷嘴后，在喷嘴处加速凝剂、高压风，从而实现混凝土的喷射作业。湿喷具有工作环境好、混凝土质量稳定、回弹小、生产效率高等优点。目前，在国外许多发达地区，湿喷已在喷混凝土施工中占主导地位，在我国近几年发展也越来越快。湿喷工艺对机械设备性能要求较高，所需机械一般有混凝土输送泵、外加剂输送泵、空压机等。

喷射混凝土为浇筑和振捣合一的施工工艺，不需要模板，能在临空面或狭小工作面上制成薄壁结构，是地下工程和岩石支护工程中的一项重要措施，因而得到广泛应用。它在降低粉尘改善作业环境、减少回弹、节约工程材料等方面的优势已为大家所认识和接受。随着湿喷射混凝土技术的进步，以及湿喷法工艺的广泛推广和应用等，对保证喷射混凝土质量、改善混凝土性能、减少环境污染、节约工程成本有着十分重要的作用。

坪头水电站引水隧洞湿喷射混凝土均采用龙头沟骨料场爆破开采的细晶白云岩作为人工骨料。由于细晶白云岩强度偏低，因此在生产人工骨料时，存在加工性能差、破碎易成粉的特点，即使采用不同种类的破碎机破碎后的细晶白云岩原状砂的石粉含量仍在22%～26%左右，超过DL/T5144-2011《水工混凝土施工规范》中人工砂的石粉含量宜控制在6%～18%的规定。因此，结合坪头水电站的实际，采用石粉含量偏高的细晶白云岩人工砂配制满足设计要求的引水隧洞喷射混凝土是设计者十分关注的问题。笔者结合坪头水电站工程隧洞湿喷射混凝土配合比设计以及在施工过程中的质量控制要点进行研究，提出了满足设计要求的湿喷射混凝土配合比和质量控制方法，成功解决了细晶白云岩高石粉含量在喷射混凝土施工中的问题，加快了施工进度，施工质量满足设计要求。

2 工程概况

坪头水电站是美姑河干流规划“一库五级”开发方案(牛牛坝、瓦洛、瓦吉吉、柳洪、坪头)最下游的一个梯级电站，引水隧洞长约12 760m，开挖断面为马蹄形断面，开挖尺寸为5.36～5.5m×6.5～6.8m。根据围岩岩性的不同，采用钢筋混凝土衬砌和锚喷支护两种衬护型式。在Ⅱ、Ⅲ类围岩地段，采用马蹄形断面、C25湿喷射混凝土进行永久性锚喷衬砌,其中引水隧洞锚喷支护采用湿喷射混凝土的占5 892m，其喷混凝土总量为15 030m3。

3 湿喷射混凝土配合比设计研究

湿喷射混凝土的配合比不同于普通混凝土的配合比，需要根据施工工艺来选择。为了减少回弹量需要较高的砂率，砂率增加意味着集料的总面积增加，这就要求用更多的水泥来包裹集料表面，以满足喷射混凝土的强度要求。由于人工砂石粉含量偏高，若采用过高水泥用量，湿喷射混凝土就越容易干缩、开裂，同时成本也增加。因此首先确定水泥用量，根据经验水泥用量宜为375～450kg/m；其次确定砂率，宜选用粗砂或中砂，砂率宜为50%～55%，砂率过高或过低易造成堵管；再次确定水灰比，水灰比宜为0.4～0.45，水灰比过小会产生粉尘，回弹量大，粘结力低，喷层会产生干斑、砂窝等现象，水灰比过大会造成强度低、速凝效果差，喷层流淌、滑移、坍落等现象。另外还需注意根据施工环境的温度、周围岩壁类别、施工队伍的施工水平做相应的调整。

以下结合坪头水电站引水隧洞湿喷射混凝土施工配合比、工艺研究，提出了坪头水电站引水隧洞湿喷射混凝土配合比的设计方案。

3.1 湿喷射混凝土强度及均方差的确定

GB50086-2001《锚杆喷射混凝土支护技术规范》和DL/T 5181-2003《水电水利工程锚喷支护施工规范》均规定，检验喷射混凝土抗压强度的标准试块应在一定规格的喷射混凝土板件上切割制取，加工成边长10cm的立方体试件。

DL/T 5181-2003《水电水利工程锚喷支护施工规范》将边长10cm的立方体试件的抗压强度作为最终强度，不用再乘以强度系数，而GB50086-2001《锚杆喷射混凝土支护技术规范》则要求乘0.95的强度系数。在进行大板加工的立方体试件强度试验时，采用了DL/T 5181-2003方法，不乘以强度系数。这是考虑到用大板加工的试件多少要受到加工过程的损伤，加之所加工的试件尺寸、形状与成型的立方体试件相比总是要差一些，会给试验结果带来负误差。机口和室内成型的边长10cm的立方体试件抗压强度则按DL/T 5150-2001《水工混凝土试验规程》规定，乘以强度系数0.95。以下将室内和机口用标准方法成型的试件和所测得的强度分别称为标准试件和基准混凝土强度。

坪头水电站喷射混凝土机口和大板试件的强度与标准差见表1。

表1 机口与大板混凝土试件的强度与标准差

从表1可以看出：

(1) 大板强度比机口标准试件强度要低，二者相差11.8MPa左右。大板强度低与以下因素有关：首先湿喷射混凝土的密实性不如标准条件成型的试件，在配合比一定的条件下，密实性是决定强度的首要因素。标准试件可以通过插捣、振动使试件达到密实。湿喷射混凝土大板的密实性与喷射工艺有关，同一盘混凝土不同人或不同喷射角度、距离等都会影响大板的密实性，还会因喷射带入混凝土中一定的气泡(现场喷射大板时混凝土会夹带部分空气，由于混凝土加入了速凝剂，混凝土迅速硬化，喷射过程中捕掳的空气形成气泡，并保持在混凝土中，部分气泡也起到了提高抗冻性能的作用)；其次大板中混凝土掺入了速凝剂，混凝土凝结快，凝结快的混凝土水泥水化产物结构较粗大，使混凝土强度受到一定影响；再者大板试件需加工成立方体试件，加工过程、试件的尺寸和形状都会给试验结果带来负误差。

(2) 机口试件与大板试件的强度差和机口试件的强度成正比，即机口强度越高二者之差越大。这一现象与大板试件的密实性有关，即大板试件强度除了受基准混凝土强度影响外，很大程度上还受到掺速凝剂和密实性影响。在喷射工艺一定的条件下，大板的密实性是一定的，即使基准混凝土强度提高很多，大板试件的强度提高也不多，使得二者强度差增大。因此，基准混凝土强度选择过高意义不大。

(3) 大板混凝土试件强度标准差较大，达到4MPa左右；而机口基准混凝土强度偏差更大，达到6MPa左右。大板试件强度变异系数Cv为0.124，比DL/T 5181-2003《水电水利工程锚喷支护施工规范》规定的均匀性合格要求(Cv≤0.25)要好得多。由此可见，喷射混凝土强度标准差比常态混凝土的大。

3.2 喷射混凝土配合比设计方法

喷射混凝土配合比设计可以在水工混凝土配合比设计方法的基础上，结合喷射混凝土的特点进行。具体配合比参数选用可按如下步骤进行：

3.2.1 确定喷射混凝土配制强度

喷射混凝土配制强度的确定要考虑设计强度、强度保证率、施工水平(大板强度均方差)以及基准强度与大板强度的差异。喷射混凝土配制强度可按下式计算：

R配=R标+tσ+ΔR

式中R配——配制强度，MPa；

R标——设计龄期强度标准值，MPa；

t——概率度系数；

σ——大板试件强度均方差；

ΔR——基准混凝土强度与大板试件强度差，MPa。

概率度系数t可按DL/T5144-2001《水工混凝土施工规范》附录A选用。

ΔR在无试验资料时可选用10～16MPa。本配合比按表1试验结果选用12MPa。

大板试件强度均方差可通过施工试验资料确定，当无试验资料时，可参照GB50086-2001《锚杆喷射混凝土支护技术规范》表8.10.2中母体标准差选用。

3.2.2 确定水灰比

根据配制强度、水灰比与强度关系计算水灰比，并与《水电水利工程锚喷支护施工规范》给出的水灰比比较，当计算水灰比小于或在规范给出的水灰比范围内，则此水灰比可用于下步配合比设计中；当计算水灰比大于规范给出的水灰比，则在规范规定水灰比的上限以下选取水灰比。根据湿喷混凝土经验，素喷混凝土水灰比宜不大于0.45。

3.2.3 确定胶凝材料用量

胶凝材料用量和水灰比关系到混凝土的黏聚性和回弹率。胶凝材料用量少混凝土的黏聚性差、回弹率高。虽然每立方米混凝土胶凝材料费用少，但回弹率大的混凝土综合经济性能差。如果胶凝材料用量适当，但水灰比过大，黏聚性变差，也会增大回弹率。因此适当的胶凝材料用量和较低的水灰比是喷混凝土配合比设计应考虑的主要因素。

3.2.4 用水量

湿喷混凝土骨料粒径小(最大粒径为10～15mm)、砂率高(60%～70%)，混凝土用水量高，为了减少混凝土收缩、提高黏聚性，应采用坍落度保持性能好的高效减水剂。坍落度保持性能好的高效减水剂可以降低混凝土用水量，使混凝土在较低水胶比条件下保持较好的流动性。混凝土坍落度应在14～16cm左右。喷射混凝土在达到喷口前是靠柱塞推动，流动性好的混凝土可以填满管道、减少输送时管道压力，同时使速凝剂掺量准确，减少超掺。混凝土用水量应通过试拌确定。

3.2.5 砂 率

根据喷混凝土施工经验，素喷混凝土砂率宜在50%～60%左右。

3.2.6 速凝剂掺量

由于速凝剂凝结时间试验方法的局限性，加之速凝剂与水泥的适应性的影响，试验室确定的速凝剂掺量适用于速凝剂的相对比较，而施工速凝剂掺量应以满足施工需要为准。掺速凝剂的混凝土初凝时间不宜过快，初凝过快影响与第二层的粘接。应避免第二层喷射时形成“硬着陆”，增大回弹率。

3.2.7 配合比参数的最终确定

按上述六个步骤确定的配合比参数，应通过试拌调整，经现场试喷试验，并结合大板混凝土性能试验结果最终确定施工配合比参数。

3.3 坪头水电工程湿喷射混凝土配合比设计

3.3.1 原材料

(1)水泥：为保证喷射混凝土的凝固时间及与速凝剂的相容性，所用水泥应具有强度高、抗渗性和耐久性好的特性。采用四川省峨嵋山水泥有限公司“峨胜”牌P.042.5级水泥。

(2)骨料：龙头沟料场爆破开挖的细晶白云岩，由水电三局骨料加工系统生产人工砂及5～15mm人工碎石作为湿喷射混凝土骨料。

(3)减水剂：采用西昌生威混凝土外加剂有限公司生产提供的SW高效减水剂(奈系减水剂)。湿喷射混凝土时为满足坍落度指标的要求，水灰比较大。混凝土中水泥水化后多余的水要蒸发，使混凝土喷层产生“干裂”现象，降低了混凝土的支护能力。在搅拌混凝土时加入0.7%SW高效减水剂(奈系减水剂)，在同样坍落度时，减少率大于12%左右。

(4)速凝剂：采用西昌生威混凝土外加剂有限公司生产并提供的SW速凝剂(液体)，掺量为胶凝材料的4%。

为了降低用水量、降低回弹率和粉尘率，使喷射混凝土早凝早强形成支护能力，在湿喷射混凝土工艺中，当混凝土的料束喷到受喷面上后必须尽快凝固，因此必须使用速凝剂。应采用符合质量要求并对人体危害性很小的速凝剂。掺加速凝剂之前，应做速凝剂与水的相溶性实验及水泥净浆速凝效果实验，注意初凝时间不应大于5min，终凝时间不应大于10min。保持速凝剂干燥勿因受潮变质。一般速凝剂最佳掺量约为水泥重量的4%左右，实际使用时拱部可用5%，边墙可用4%，过多的掺量对喷射混凝土反而不利。这是因为速凝剂虽然加速了喷射混凝土的凝结速度，但也阻止了水在水泥中的均匀扩散，使部分水包裹在凝结的水泥中，硬化后形成气孔，另一部分水泥因而得不到充足的水分进行水化反应而干缩，从而产生裂纹。另外速凝剂掺人应均匀。

(5)拌合水：营地生活饮用水。

3.3.2 湿喷射混凝土配合比参数

喷射混凝土的设计区别于普通混凝土配合比设计最大的特点在于其配合比设计要经过现场试喷而确定。现场试喷、调整应满足设计强度、可喷性(使现场湿喷射混凝土有着较好的附着性、较好的密实性、回弹料少和不发生堵管等)以及环保性(使现场施工作业面粉尘少)。根据上述方法，结合坪头电站的原材料特点，拟定了坪头电站的湿喷混凝土配合比设计方案，重点对水泥用量、砂率、水灰比等因素进行了比较、试验和研究，最终提出适合坪头工程特点的湿喷混凝土配合比。详细方案研究如下：

(1)配制强度的确定

依据公式R配=R标+tσ+ΔR得出C25湿喷射混凝土fcu,o配制强度为：25+1.645×4.23+12=43.96(MPa)。

(2)用水量及水灰比的确定

根据喷射混凝土性能及普通混凝土配合比设计规程要求，选定单位用水量W分别为185kg、188kg、190kg；水灰比W/C选择分别是：0.40、0.43、0.45(见表2)。

(3)混凝土砂率的确定

喷射混凝土是依赖喷射过程中水泥与骨料的连续重击、压膜而形成的一种混凝土，为了能够最大限度吸收二次喷射时的冲击能量，所以砂率应较普通混凝土的高，它对混凝土的稠度与粘滞性影响很大。结合规程规范及以往工程经验和现场特殊人工骨料品质(人工砂石粉含量偏高)，砂率初步确定为：51%、53%、55%(见表2)。

表2 理论配合比各参数

(4)配合比设计方案

对湿喷混凝土，水灰比过大，速凝效果愈差，回弹量增大，混凝土强度偏低；水灰比小，施工喷射困难，水泥水化不充分，强度较低，回弹增大。通过投产前的工艺性试验选定W/C=0.40～0.45进行试喷，现场试拌结果表明：当采用0.43水灰比时，喷射混凝土稠度及粘聚性较好，喷射表面均匀，边墙及顶拱回弹料也满足设计要求。确定采用W/C=0．43效果较好。湿喷混凝土性能见表3。

表3 湿喷射混凝土性能指标

4 湿喷射混凝土施工

4.1 施工机具的选择

湿喷混凝土的质量好坏，与湿喷机的性能息息相关。由于坪头水电站引水隧洞断面不大，一次需喷量较少,因此选择了生产能力适中的TK-961型转子活塞式湿喷机。该机能提高混凝土的均匀性,保证喷射混凝土的施工质量。此种机器体积小、机动性强、构造简单、易于清洗、维修方便，对集料的级配和坍落度要求范围宽，易操作并能减少粉尘、回弹，保证混凝土品质的稳定性。其主要参数指标和具体施工参数如下：

(1)生产率：5m3/h；

(2)骨料最大粒径：15mm；

(3)适用混凝土：塑性混凝土，混凝土坍落度50～200mm；

(4)工作风压：0.3～0.7MPa；

(5)耗风量：103/min；

(6)喷射角度：>70°；

(7)最大输送距离：水平40cm，垂直20cm；

(8)喷头距岩面：1.5～2.0m；

(9)一次性喷层厚度：边墙≤100mm，拱部≤70mm。

4.2 湿喷射混凝土现场施工

4.2.1 喷射前的准备

(1)清除开挖面的浮石、墙角的石渣和堆积物；处理好光滑岩面；安设工作平台；用高压风水枪冲洗喷射面，对遇水易潮解的泥化岩层，应采用高压风清扫岩面，提高喷射混凝土与岩面的粘结强度；埋设控制喷射混凝土厚度的标志；作业区应具有良好的通风和充足的照明设施。

(2)喷射作业前，应对施工机械设备，风、水管路和电线等进行全面检查和试运行。

(3)对围岩渗漏水处,应在受喷面滴水部位埋设导管排水，对导水效果不好的含水层设盲沟排水，对淋水处设截水圈排水。适当提高速凝剂掺量,可解决喷射混凝土不易喷上而造成回弹大的问题。

4.2.2 喷射过程控制

(1)喷射距离及喷射角度。喷头与受喷岩面的垂直距离控制在0.80～1m，喷头与受喷面的夹角应控制在75°～90°。

(2)工作风压。根据湿喷机与作业面的距离，工作风压一般控制在0.30～0.50MPa。

(3)一次喷射厚度及速凝剂掺量。一次喷射厚度主要取决于湿喷射混凝土的内聚力和它与岩面的黏结力。一次最佳喷射厚度在顶拱部位控制为4cm，边墙部位控制为5～6cm。顶拱部位速凝剂掺量为5%，边墙部位为4%。每层喷射厚度以保证喷射混凝土不滑移、不坠落为原则。

(4)喷射顺序及方法。喷射时应按照分段、分部位、先边墙、后顶拱顺序进行；边墙的喷射顺序为自下而上，顶拱的喷射顺序为自拱脚至拱顶。喷射时喷头应作顺时针方向旋转。

5 喷射混凝土的质量控制

5.1 材料管理

材料质量直接影响喷射混凝土的各项性能，因此每次喷混凝土作业前，需对每批进场的原材料进行检查,合格后方可用作喷射混凝土的材料。随时对喷射混凝土施工的各个工序进行检查,尤其应对速凝剂的掺量进行测试检查,保证速凝剂不超掺;对放置时间长的拌合料应停止使用。

5.2 人员管理

喷射手的操作水平直接关系到喷混凝土的效果。因此施工单位对操作手进行了培训和实地喷射，最后由优选出的最佳喷射手担任操作手。

5.3 回弹量控制

喷混凝土的回弹率在一定程度上反映了配合比是否合理、骨料是否超径、喷射手是否操作熟练等，同时也是控制成本的重要依据。经常对喷射混凝土的回弹率进行测试,对粉尘大小进行目测,若回弹率和粉尘增大应及时采取措施。试验人员对回弹率进行了跟踪测定，并对配合比作了相应调整，施工单位也对施工工艺进行了改进和控制，最终回弹率控制为：边墙约15%，顶拱25%。

5.4 强度质量控制

经常钻芯取样对喷射混凝土的强度进行检测,与大板切割法制取的试件进行对比,以控制受喷面混凝土的质量。用电钻钻孔对隧洞喷射混凝土进行不定期的厚度检测,用测试数据指导施工,保证喷射混凝土厚度。

5.5 养 护

养护是喷射混凝土施工中的一个重要环节，在正常养护条件下，混凝土强度随龄期延长而增大。由于湿喷混凝土的表面较为粗糙，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产生混凝土不正常收缩裂缝应在其终凝后进行养护。养护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。当喷射混凝土周围的空气湿度达到或超过85%时，经监理人同意，可准予自然养护。

5.6 特殊部位处理

为确保支护安全、可靠，对于Ⅴ类围岩通常都采用U形钢拱架进行支护，钢拱架间距设计在1m左右。这就提高了对湿喷射混凝土的施工技术与质量的要求。一般设钢拱架的洞段岩石破碎,搞好喷射显得尤为重要。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0.8m左右。必须从填充拱架和岩面之间的空隙、岩面裂隙开始喷射混凝土。喷头沿拱架从拱脚向拱顶移动。钢拱架与围岩之间的空隙必须用喷射混凝土填充密实,对于钢拱架的两侧,必须进行一次或两次的补喷,并用混凝土将钢拱架包裹严实,使其与喷射混凝土构成整体受力体系；否则在钢架和钢筋网表面会形成一个混凝土壳，而在钢筋网背后、钢架背后易形成空洞。

通过上述几方面的控制，坪头水电站引水隧洞湿喷混凝土完成后，按规范要求对湿喷射混凝土采用现场喷大板法并结合实物钻孔取芯进行混凝土抗压强度随机抽样检测。试验数据表明：采用较高石粉含量的细晶白云岩人工骨料配制的湿喷射混凝土质量指标满足设计及现场施工要求，混凝土强度保证率达到90%以上，整体评定达到DL/T 5181-2003《水电水利工程锚喷支护施工规范》规定的对喷射混凝土强度检验与评定要求。

6 结束语

通过对坪头水电站引水隧洞湿喷射混凝土配合比设计和施工质量控制方法研究，提出了符合工程要求的湿喷射混凝土配合比和现场施工质量控制措施，较好地完成了特定原材料条件下隧洞湿喷射混凝土的施工和质量控制。通过组织湿喷射混凝土投产前的工艺性试验，合理调整施工配合比各原材料、机具使用参数、喷射方法方式等，有效地指导了现场施工以及喷射混凝土施工质量的控制，同时也缩短了隧洞施工工期，确保了工程进度。经过四方组织的工程验收，整体评定满足设计要求。2011年3月引水隧洞历经1个月的充水试验，经冲水后放空检查，湿喷射混凝土段光面、完整、无掉块、塌空和剥蚀现象，过水验收顺利通过。2011年5月首台机组顺利发电，同年7月三台机组全部投产发电，目前工程运行良好。

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