铁路隧道工程湿喷技术研究

何忠海

摘要：湿喷技术是隧道机械化作业的一个重要环节，对喷射混凝土施工质量起到关键性作用。通过对喷射混凝土原材料、配合比设计、湿喷机特点分析、施工过程控制進行全面分析总结，得到了湿喷工艺的关键控制要点，为隧道喷射混凝土施工提供了技术参考。

关键词：铁路隧道；湿喷技术；喷射混凝土；配合比设计；湿喷机械手

0引言

喷射混凝土湿喷工艺在当前铁路隧道施工中广泛应用，但在施工过程中存在一些问题，喷射混凝土回弹率过高问题的仍未得到有效解决，同时分析喷射混凝土施工中遇到的其他问题，结合现场实际施工情况，为以后施工积累经验，对喷射混凝土湿喷技术进行了研究。通过对原材料选择、配合比设计、设备选用、施工过程控制等方面进行隧道湿喷技术优化原则和方法的研究。

1喷射混凝土原材料选择

1.1水泥

喷射混凝土的质量与水泥密切相关，水泥的品种、矿物组成、混合材种类及掺量、比表面积等，这些与水泥凝结时间相关的水泥矿物成分和参数对喷射混凝土凝结效果都有影响。见表1。

本工程所处区域内主要有两家大型水泥厂，昆钢嘉华水泥和海螺水泥，两家水泥厂用的水泥原材料特性相近，混合材也均为火山灰质岩和石灰石，二水石膏含量约5%，初凝时间为120-140min，终凝时间为180-220min，与速凝剂相容性好、喷射混凝土速凝效果好。水泥检验项目参数技术指标见表2。

1.2砂

本工程附近石灰岩机制砂较多，河砂较少。第一种为混合砂，怒江河砂又较细，为满足细度模数要求，在洗砂生产线中增加了制砂设备，然后使天然河砂和机制砂混合成混合砂。由于其中的天然河砂使得混凝土和易性、泵性和喷射效果均很好，很适合机械手湿喷。第二种为石灰岩机制砂，石灰岩机制砂一般为粗砂，石粉含量宜在6-10%，要适当提高砂率2-4%，以满足湿喷机对混凝土工作性的要求。两种砂的具体指标见表3。

1.3碎石

喷射混凝土所用碎石最大粒径不宜大于16mm，根据工程实践和湿喷设备要求碎石最大粒径确定为10mm，即用5-10mm碎石。其技术指标满足TBl0424-2010的要求。碎石质量有两点应特别注意，第一，5-10mm碎石含泥量容易超标，应在石场就对5-10ram碎石进行水洗。第二，单粒级碎石级配易超标，应从源头控制好级配，5-10mm该档碎石振动筛筛网尺寸，一般下层方孔筛可用6mm，减少碎石中5mm以下颗粒含量，上层方孔筛可用11mm，保证碎石最大粒径接近上限值，有利于改善混凝土工作性。

1.4减水剂

所用聚羧酸高性能减水剂的性能应满足TB10424-2010的要求，其匀质性符合GB8076的规定。其选用原则是减水率高、坍落度保持性能好、与水泥相容性好且能明显改善混凝土工作性能和提高混凝土强度。喷射混凝土湿喷工艺要求坍落度足够较大，又要满足混凝土能迅速凝结，综合考虑，选用缓凝型聚羧酸高性能减水剂，缓凝剂用量适当控制，避免造成喷射时掉块和回弹率大。

1.5速凝剂

速凝剂的匀质性、凝结时间、抗压强度比及其与水泥的适应性和速凝效果应满足要求，根据工程实际情况，主要考虑围岩面有无渗水，确定速凝剂初凝时间，围岩有渗水时初凝时间一般控制在4min以内。本工程使用的恒泰伟业HT-19速凝剂具体技术指标见表4。

1.6拌合用水

喷射混凝土拌合用水与普通混凝土相同，其pH值、不容物、可溶物、氯化物、硫酸盐、碱含量、凝结时间差和28d抗压强度比均应满足TB10424-2010中的要求。

2喷射混凝土配合比设计

喷射混凝土配合比设计不同于普通混凝土，需根据室内试拌和现场工艺性试验共同确定配合比参数，经现场湿喷工艺性试验确定坍落度宜为160-200mm。根据喷射混凝土的骨料特点，碎石最大粒径小、砂率大，然而骨料的比表面积较大，则需要更多的水泥浆才能使混凝土工作性良好。且速凝剂明显降低了混凝土的后期强度，因此需要控制水胶比适当和足够量的水泥用量。但是水泥量也不宜过大，容易导致喷射混凝土干缩开裂，同时增加了混凝土成本。由此可见喷射混凝土的配合比参数主要考虑保证混凝土工作性、回弹率、混凝土强度和耐久性能、混凝土经济成本等方面。

2.1水泥用量

一般认为，单位水泥用量过小时，骨料表面水泥浆少，回弹率增大，早期强度满足不了设计要求。而单位水泥用量过多时，一是经济成本大，二是硬化后混凝土的收缩也会增大。为有效降低回弹率应适当提高单位水泥用量，胶凝材料用量不少于400kg/m3，本工程湿喷工艺要求水泥量适当增加，C25强度等级喷射混凝土水泥用量选用范围为450～470kg/m3。

2.2砂率的确定

砂率对喷射混凝土拌合物工作性影Ⅱ向较大，主要体现在喷射堵管、回弹率大、喷射混凝土不密实。砂率过小会导致混凝土包裹性差和流动性差，严重时会产生离析泌浆现象，造成堵管。砂率过大则会影响混凝土实体强度。砂率对喷射混凝土性能影响见表5。

湿喷工艺原理是喷射过程中水泥与骨料的连续撞击、压密而达到混凝土成型的一种工艺，为了能够最大限度地吸收二次喷射时的冲击能量，砂率应适当提高。尤其是机械手湿喷，它不但要求混凝土具有良好的包裹性和流动性，还要求混凝土泵送性良好。通过上表可以看出喷射混凝土砂率一般选用范围为50～55%。

2.3减水剂掺量

湿喷工艺坍落度应满足泵送混凝土的要求，一般设计160～200mm，规范要求水胶比不大于0.50，经本工程施工的混凝土取芯进行强度试验，要达到C25混凝土的强度等级，水胶比为0.40～0.43。为保证满足要求的坍落度和水胶比，减水剂掺量0.9～1.0%。

2.4速凝剂掺量

速凝剂对喷射混凝土速凝效果、回弹率影Ⅱ向最大，速凝剂掺量太少，混凝土凝结太慢，这使得混凝土喷射后回弹下来或者结成大块为完全凝固的混凝土块掉下来。速凝剂掺量太大，混凝土凝结太快，快速的凝结形成坚硬的表面，导致后喷混凝土回弹影响混凝土密实度。速凝剂掺量太大也会影响混凝土后期强度，速凝剂先与水泥中的石膏反应再和C3A反应会产生大量的钙矾石，这也是速凝剂早期强度生长快的原因所在，但钙矾石后期会向单硫型水化硫铝酸钙转化，致使混凝土内部空隙增加，因此，掺量速凝剂量越大混凝土后期强度降低越明显。选择适当的速凝剂掺量是喷射混凝土质量影响的重要因素，根据工程实践，速凝剂掺量宜为4～6%，且速凝剂掺量应根据设备型号、喷射部位进行适当调整以达到最佳喷射效果。endprint

3喷射混凝土湿喷设备选用

喷射混凝土湿喷设备代表性的型号有：TK600转子活塞式濕喷机，GYP-90液压变量柱塞泵送式湿喷机，HSC一2515液压S管阀泵送式混凝土湿喷机械手。前两种湿喷机可根据隧道的特点，可对设备进行改进组合或者组装运载车以利于施工。机械手湿喷机可根据隧道断面大小选择机械臂长度和最大理论喷射能力。本工程同时使用了这三种湿喷机，根据隧道的施工特点进行了配置，单线隧道为主的工点以小型湿喷机为主，双线隧道段落较多的工点配置了机械手湿喷机。并在现场进行了喷射回弹率测试，TK600湿喷机全断面回弹率13.2%，GYP-90湿喷机全断面回弹率17.5%，HSC-2515机械手拱部回弹率15.5%，边墙回弹率7.3%。三种湿喷机特点对比见表6。

4喷射混凝土施工过程控制

4.1喷射混凝土回弹率控制

喷射混凝土回弹率影响因素主要有：原材料、施工配合比、湿喷设备、操作熟练程度。

①原材料主要控制速凝剂与水泥适应性和速凝效果，砂细度模数和机制砂石粉含量，考虑减水剂与水泥兼容性，还要注意减水剂中缓凝剂用量对速凝效果的影响，速凝剂品质对速凝效果的影Ⅱ向。

②施工配合比主要考虑砂率和坍落度对喷射效果的影响。砂的细度模数变化大时应适当调整砂率。应考虑过程中坍落度损失量，混凝土运距一般不宜超过5km，坍落度损失量较好控制。

③湿喷设备，小型湿喷机操作较传统，工人操作容易，喷射距离和角度受到限制，一般工人操作时会本能选择合适的位置和角度，减少对身体的伤害。湿喷机械手，是自动化遥控操作，可以使喷射口始终和岩面垂直且保持最佳喷射距离，喷射距离控制在0.8-1.2m，能有效控制混凝土回弹率。喷射时机械臂移动速度均匀连续，混凝土面平整度好。机械手速凝剂掺量调节方便快捷，0～10%每间隔0.5%为一个档位，拱部一般速凝剂掺量较高，边墙速凝剂掺量较低，有效控制了喷射回弹率的同时保证了混凝土强度和节约了速凝剂用量。

④操作熟练程度，设备使用前期应请厂家到现场进行技术指导和培训。特别是机械手操作手，喷射臂的操作尤其关键，是影响喷射效果的重要因素。施工人员之间配合要协调，分工明确，各司其职，确保各个环节顺利进行。

4.2喷射混凝土施工中常遇到的几个问题

①混凝土堵管现象。一般情况泵送管阀口处容易堵塞，主要原因是混凝土工作性较差，因混凝土离析或砂率不足造成。如果是喷射口处堵管或者爆管，则主要是碎石粒径偏大或者混有超粒径碎石，也有可能是运输罐车或喷射管道未清洗干净，残留的超粒径碎石或混凝土造成堵管。

②减水剂不适应现象。喷射混凝土和普通混凝土对减水剂缓凝要求不一样，喷射混凝土和普通混凝土对缓凝的要求基本相反，因此对减水剂的要求也不一样，可通过调整掺量来解决这个矛盾，如仍得不到解决，则应分开两种减水剂分别使用。

③机械手湿喷机和开挖工法不匹配。三台阶施工时，机械手喷上台阶时困难，在下台阶中间开挖中槽，满足机械手停放空间即可，使机械臂喷嘴尽量靠近喷射部位，利于喷射距离和角度控制。

④拱部混凝土回弹掉块严重。拱部喷射时应适当提高速凝剂掺量，调整风量和喷射距离，减小喷射分层厚度，且尽量保证喷射角度垂直岩面。

⑤喷锚施工时刺激性气味大。是因为速凝剂呈碱性和水泥粉尘反弹扩散导致，吸入这种空气会呼吸道有损害。因此要使用碱含量较低的速凝剂，有条件的可以使用低碱或无碱速凝剂。在施工时工人应戴防护口罩，减少对身体健康的损伤。

⑥岩溶渗水地段湿喷回弹率大。应调整速凝剂掺量，适当减小混凝土坍落度，增加水泥用量和砂率，以减少混凝土回弹率。对于渗水较严重，形成水流时就需要打孔排水和用干喷法初喷，然后进行湿喷复喷作业。

5结论

①喷射混凝土湿喷技术关键控制点有原材料控制、配合比设计优化、湿喷设备匹配、施工组织协调、人员操作培训。

②喷射混凝土施工质量体现在混凝土喷射回弹率小、速凝效果好、早期强度高、后期强度满足设计要求、对工人健康影响小。

③机械手湿喷机优点明显，喷射混凝土实体质量大大提高，用工人数较少，是提升隧道施工标准化和机械化的重要手段。endprint