浅谈隧道混凝土喷射的机械化施工

邵合卯

厦门市交通综合行政执法支队（361000）

浅谈隧道混凝土喷射的机械化施工

邵合卯

厦门市交通综合行政执法支队（361000）

隧道混凝土喷射施工中机械的使用会影响到混凝土支护的工程质量。通过介绍混凝土喷射技术和施工机械，探讨了混凝土喷射施工要点，为隧道混凝土喷射施工提供参考。

混凝土；喷射；设备

0 前言

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和料与高压水混合，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。喷射混凝土是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、钢纤维、钢拱架、钢筋网等构成复合式支护，具有支护及时、强度高、密实性强、操作简单、灵活性大等优点，特别是在软弱围岩地质条件下,配合钢拱架和系统锚杆作为联合支护，优点更为明显。

1 混凝土喷射技术

1.1 湿喷技术的明显优势

混凝土喷射是指利用压缩空气或其他动力，将按一定比例配合的拌和料通过管道输送并高速喷射到受喷面上凝结硬化,从而形成混凝土支护层。混凝土喷射按喷射工艺可分为干喷和湿喷两种方式，随着湿喷设备及工艺的日趋完善及施工要求的不断提高,湿喷技术已成为世界各国喷射技术的发展主流。和干喷工艺相比，湿喷技术具有以下四个明显优势。

1）可大大降低施工粉尘浓度，消除对工人健康的危害。2）生产率高。3）回弹度低。4）施工质量高。

1.2 稠密流输送的特点

喷射技术按照混凝土在喷射机输送方式的不同又可分为稠密流输送（见图1）和稀薄流输送（见图2）。稠密流输送是把拌和好的湿混凝土通过专用混凝土泵挤压物料，并在压力差作用下将混凝土料输送到喷头,在喷头处添加压缩空气和速凝剂，将混凝土高速喷射到受喷面上。稀薄流输送是把拌和好的混凝土添加到混凝土喷射机的料斗内，喷射机把物料均匀分配至下料口处，压缩空气悬浮着物料在管道中被输送到喷头,在喷头处加入速凝剂，使混凝土被高速喷射到受喷面上。和稀薄流输送相比，稠密流输送具有以下五个特点:1）输送压力高,可达70 Bar,而稀薄流输送压力仅有6 Bar。2）输送距离远。最大距离100 m，最大输送高度40 m；稀薄流输送距离小于20 m。3）耗气量小(耗气量3～4 m3/min)。4）喷射回弹小，一般反弹率小于8%。5）混凝土可泵送性要求高，管道易堵塞，对管壁磨损大。

图1 稠密流输送

图2 稀薄流输送

1.3 生产效率、施工质量和施工成本

生产效率主要取决于混凝土喷射机械设备性能与机械化配套水平、施工组织与管理、操作手的熟练程度；施工质量包含混凝土强度指标和耐久性指标，而强度指标包括早期强度、黏结强度和基准强度，耐久性能指标包括密实性、抗渗性、电通量和抗冻标号;施工质量的好坏取决于喷射工艺、喷射设备、混凝土喷射施工材料及配合比。施工成本主要取决于施工材料、工艺及施工设备的选用。

1.4 影响混凝土喷射质量的主要因素

喷射工艺、设备、混凝土喷射施工材料及配合比是影响混凝土喷射质量的主要因素。隧道混凝土喷射施工设计强度等级要求一般为C20～C30，隧道初期支护喷射混凝土设计厚度10～35 cm，喷射混凝土配合比的设计需满足强度要求和喷射设备要求，应先在实验室内作配合比试验,并选出最优数据。混凝土喷射材料主要包括水泥、砂子、卵石、水和添加剂。混凝土材料要求见表1。配合比为各材料之间的配比，其中胶骨比、砂石比是影响混凝土密实性和强度的关键因素。水灰比将影响混凝土渗透性和强度，而渗透性又是评价混凝土耐久性最重要的指标。

1.5 最优配合比

混合料配合比在施工前由实验室作配比试验而决定。确定配比在满足强度、渗水性及经济性指标的同时，还要兼顾混凝土混合料在喷射设备内的流动性要求。国内混凝土喷射施工无统一的国家规范，一般根据施工地区和工况采取内部施工规范或施工指南。

2 混凝土施工机械

喷射混凝土施工机械主要有搅拌设备、运输设备、喷射机等。实现机械化配套可加快支护速度，提高施工质量和经济效益。

1）混凝土搅拌设备。混凝土搅拌设备主要为混凝土搅拌车。施工单位可根据每小时需用混凝土施工用量来确定组合搅拌车的大小。

2）混凝土输送设备。混凝土输送设备主要为混凝土搅拌运输罐车。施工单位可根据隧道尺寸及混凝土用量来确定混凝土运输罐车的运输量大小。

3）混凝土喷射机。混凝土喷射机根据喷射工艺不同可分为干式喷射机和湿式喷射机两大类型。根据湿式混凝土喷射机的工作原理，又可分为转子式及柱塞泵送式两大类。

转子式湿喷机为转子结构,采用液压驱动装置，负荷变量泵通过液压马达带动转子转动，转速可调，从而使喷射量可调。同时采用液压式转子压紧机构，压紧力可调。工作时料斗中的湿拌和料落入转子料孔，经旋转180°后料孔与压缩空气进气口相通，湿拌和料以悬浮状态被压至出料管，在喷嘴混合室与液体速凝剂快速充分混合后，从喷嘴高速喷出。柱塞泵送式湿喷机是利用柱塞式混凝土泵作为湿式混凝土喷射机的基体，在输送管出口装以喷嘴并在喷头处通入压缩空气，将混凝土喷射出去。

由于湿喷技术具有明显的优势，湿式混凝土喷射机特别是湿式喷射混凝土机械手越来越多地取代了干式混凝土喷射机而成为喷射混凝土作业的主要机具。

3 混凝土喷射施工

混凝土喷射作业的好坏对混凝土强度、回弹率、生产效率等均有影响，为确保混凝土的喷射质量，混凝土喷射施工应掌握以下四个要点。

1）做好喷射前准备工作。①检查设备所需要的通风、照明条件，水、电等管线路等能否满足施工条件；②喷射作业的环境温度不得低于5℃；③喷射前应使用高压水或高压风对受喷岩面浮尘和岩屑进行处理；④若围岩较差时应挂设钢筋网或使用钢拱架固定，并使其密贴受喷面。

2）混凝土搅拌、运输。湿喷混凝土搅拌应采取全自动计量强制式搅拌机，施工配料应严格按配合比进行操作；钢纤维混凝土的搅拌工艺应确保钢纤维在拌和物中分散均匀，不产生结团。搅拌时间应通过现场搅拌试验确定，搅拌时间不宜小于3 min（掺有合成纤维混凝土的搅拌时间宜为4～5 min）。运输采用混凝土运输罐车，多台运输车应交替运料，以满足连续湿喷混凝土的供应。在运输过程中，要防止混凝土离析、水泥浆流失、坍落度变化以及产生初凝等现象。

3）喷射作业。喷射混凝土作业应采用分段、分片、分层依次进行，分段长度不宜大于6 m。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。有钢筋网或钢拱架时，应先喷钢拱架与壁面间的混凝土，再喷两钢架之间混凝土。边墙喷混凝土应从墙脚开始向上喷射，使回弹不致裹入最后喷层。分层喷射时，后一层喷射应在前一层混凝土终凝后进行。边墙一次喷射混凝土厚度控制在7～10 cm，拱部控制在5～6 cm，并保持喷层厚度均匀。

4）喷射后的养护。喷射混凝土终凝2 h后,应进行养护，养护时间不小于14 d。石质隧道采用喷雾养护，黄土隧道采用养护液养护。当气温低于5℃时，不得洒水养护。

4 结语

喷射工艺、喷射配套设备的选择和使用、施工材料及配合比是影响混凝土喷射施工质量的主要因素。混凝土喷射施工不仅要满足混凝土强度、喷射均匀性和抗渗性等设计要求，同时要保证设备的可泵送性、施工的连续性等诸多条件。混凝土喷射施工不仅需要对喷射技术和泵送机械有较全面的了解，而且要具有一定的与泵送混凝土相关的知识。