水利工程湿喷混凝土回弹率影响因素研究

谢志伟

(甘肃省水利科学研究院，甘肃 兰州 730000)

水利工程建设过程不可避免的需要对某些山体进行隧洞开挖，隧洞开挖将直接导致岩体内部应力重新分布，由于部分岩体被挖走，留下的空洞部分在应力重分布的前提下容易出现局部失稳破坏，严重时会出现大面积塌方，导致严重的人员和财产损失[1]。近二十年来，我国基础设施建设得到了飞跃发展，水利工程建设也取得了令人骄傲的成绩，伟大进步的背后是无数工程技术人员日夜奋斗和冒险前进。在水利工程隧洞开挖方面，技术人员针对开挖之后应力重分布导致的工程事故进行了一系列的防止措施，尤其是混凝土干喷和湿喷措施，隧洞开挖后及时对开挖洞壁进行喷混凝土保护，可以有效保证洞壁内部的稳定性，防止洞室岩体出现塌方和脱落等工程事故，有效保证工程人员生命安全和国家财产[2]。

混凝土干喷是将水泥、骨料及外加剂等按照一定比例搅拌均匀后直接装入混凝土喷射机内，利用高压空气将喷射机内材料喷出，喷出同时与水结合，保证混凝土有效吸附在洞壁上[3]。干喷混凝土喷射由于其施工工艺简单，施工机器小巧，前些年在广泛应用，但是其喷射过程中灰尘大、回弹损失高也是其较大的弊端所在[5]。湿喷混凝土是指将混凝土原材料提前拌合均匀之后装入混凝土喷射机内，利用高压空气将混凝土喷射出去，使其吸附在洞壁内部，湿喷混凝土施工过程及机器设备较为复杂，但能克服干喷混凝土施工过程中的灰尘大、回弹多等缺陷，是近些年来我国工程人员在隧洞开挖护壁的首选工艺[6]。虽然湿喷混凝土施工能一定程度上降低喷射过程的回弹脱落，但是不同的混凝土原材料和施工工艺依旧对混凝土回弹有一定的影响[7- 12]，本文以某水利工程地下洞室开挖过程中的湿喷工艺为例，对湿喷过程中的混凝土回弹率影响因素进行了分析研究。

1 回弹机理分析

混凝土喷射到洞壁后能发生回弹主要是因为喷射后所具有的动能和势能之和大于混凝土离开洞壁所需要消耗的能量[13]，依据能量守恒原理，混凝土离开喷射机时具有的动能减去混凝土喷射过程中克服空气阻力所降低的能量等于混凝土到达洞壁所具有的动能，材料在洞壁上吸附之后回弹所具有的能量为材料到达洞壁时的动能减去材料在洞壁上滑动克服洞壁做功所消耗的能量，具体关系如下：

(1)

(2)

式中，m前—喷射机喷出时对应的混凝土质量；v前—混凝土喷出时对应的速度；f—空气阻力；s—混凝土在空气中运动路径；v后—混凝土到达洞壁时的速度；W阻—混凝土在洞壁上运动所损失的能量；m落—回弹混凝土质量；v落—回弹混凝土的速度；

由此可以得出回弹率为：

(3)

从式(3)中不难看出，要想降低回弹率，提高混凝土喷射利用率，必须降低喷射后混凝土的脱落量m落，而改变混凝土的喷射路径，提高喷射混凝土在洞壁上的运动的损失能量均可以一定程度上减小混凝土达到洞壁时的速度，从而达到减少混凝土脱落量的目的。同时，混凝土达到洞壁上后的凝结程度也直接影响了混凝土自身强度的发展，对其脱落量也有直接的影响，因此本文拟通过试验手段对喷射距离、喷射角度和速凝剂等对回弹率影响因素进行分析，从而提出降低湿喷混凝土的具体参考指标 。

2 工程概况及试验流程

2.1 工程概况

选取某水利输水隧洞开挖过程中岩体湿喷过程进行分析，该工程围岩较为复杂，基本为Ⅳ、Ⅴ类围岩，隧道开挖过程中发现围岩偏应力较为严重，围岩主要由松散、破碎的片岩组成，岩体内部裂隙发育程度较高，且岩体内部存在大量的软弱夹层，致使岩体极易出现剥离脱落等现象，该工程开挖过程中决定采取带仰供复合衬砌，同时配套湿喷混凝土进行锚固支护。

2.2 试验流程

湿喷混凝土时，骨料的选择不能太粗也不能太细，骨料太粗，喷射过程不易操作，且喷射过程中容易出现堵管，导致施工暂停，容易对机器造成一定的损害，同时也会使洞壁上出现后期施工缝；骨料太细，不利于混凝土强度的发展，混凝土后期干缩量也会明显增加，对混凝土衬砌的完整性不利，且会导致混凝土衬砌分割，降低喷射混凝土的整体性，导致混凝土保护能力降低。结合过往经验，选定本次试验参数为：选定细度模数为2.65的细砂，水泥选用强度等级为42.5MPa的硅酸盐水泥，经过现场试喷试验，确定砂率值为55%，单位水泥用量为450kg/m3，水灰比为0.45，以该混凝土进行现场隧洞湿喷试验。试验过程中在喷射范围地面铺设帆布来收集脱落混凝土，以此来确定回弹率，分析湿喷效果.

3 湿喷回弹因素分析

3.1 喷射距离分析

由湿喷混凝土喷射过程可以发现，喷射路径的长度直接影响了湿喷混凝土克服空气阻力所做功多少，进而直接影响喷射混凝土v后的大小，由此对喷射混凝土回弹率有直接的影响，由此分别选取喷射距离为0.5、0.8、1.0、1.2、1.5m的喷射距离进行湿喷试验，并对各自喷射距离之下的湿喷混凝土回弹率进行测定，测得不同喷射距离下湿喷混凝土回弹率值如图1所示。

图1 不同喷射距离时混凝土回弹率

由图1不难发现，随着喷射距离从小增大，湿喷混凝土回弹率呈现先降低后逐渐增大的趋势。当喷射距离过大或过小时，湿喷混凝土回弹率均较大，其中当喷射距离为0.5m或者1.5m时，湿喷混凝土回弹率均超过20%，而当喷射距离在1m左右时，湿喷混凝土回弹率保持在8%～12%之间，且随着喷射距离从小逐渐增大，湿喷混凝土回弹率最小值出现在1m左右。原因在于，当喷射距离较小时，由于混凝土离开喷嘴速度一定，空气阻力对混凝土喷射过程中做功较少，使得混凝土在到达洞壁时依然具备较高的动能，因此混凝土回弹量较大，导致回弹率较高。当喷射距离较大时，混凝土到达洞壁时速度较小，使得混凝土无法有效吸附在已有混凝土表层，且已有混凝土由于到达洞壁时动能较小也没能有效的吸附在洞壁表层，容易造成混凝土在重力作用下脱落，因此，喷射距离过大或过小均不利于湿喷混凝土吸附，对于本次试验研究而言，对该输水隧洞进行开挖湿喷混凝土时建议选定喷射距离为1m。

3.2 喷射角度分析

喷射角度是指喷射工作面与湿喷嘴之间的夹角，喷射角度的不同直接影响了湿喷混凝土的回弹条件。一般情况下，喷射角度越大，混凝土回弹需要克服洞壁做功越多，混凝土回弹率越小，但是喷射角度的增加会直接增加工程的施工难度和费用，因此合理的选择喷射角度对湿喷工艺的提升有明显的帮助。本次试验中，选定喷射角度分别为45°、60°、70°和90°进行试验，确定针对该隧洞开挖过程中的合理的喷射角度。分别在以上喷射角度进行混凝土湿喷试验，测定不同喷射角度下湿喷混凝土回弹率如图2所示。

图2 不同喷射角度下湿喷混凝土回弹率

由图2可以看出，随着喷射角度的逐渐增大，湿喷混凝土回弹率逐渐降低，且下降速度呈现先稳定下降，然后迅速降低最后趋于稳定的趋势。其中，当喷射角度为30°增加至60°时，混凝土回弹率由35%线性下降为20.3%，随着喷射角度的持续增加，回弹率出现迅速下降后开始逐渐趋于稳定，稳定值为10.5%左右。原因在于，当喷射角度较小时，湿喷混凝土在达到洞壁之后具备较好的反弹条件，洞壁对混凝土在洞壁上移动和吸附过程做负功较少，使得混凝土具备较大的动能继续向前运动，出现反弹，导致回弹率较大。随着喷射角度的逐渐增大，反弹条件逐渐降低，使得混凝土回弹率逐渐降低，当喷射角度达到70°以上后，混凝土回弹条件减弱，回弹率降低，因此对该输水隧洞开挖湿喷而言，建议将湿喷角度控制在70°以上。

3.3 速凝剂掺量分析

外加剂可以直接改变混凝土的性能，提高混凝土的耐久性，速凝剂的掺入能够缩短混凝土凝结硬化时间，提高混凝土早期强度，增强混凝土与洞壁之间的吸附能力，防止出现后阶段混凝土喷射对已有混凝土的碰撞而使其脱落的现象。对该地下隧道，分别选定速凝剂质量百分比为2%、5%、7%、9%进行湿喷试验，获取速凝剂含量与混凝土回弹率之间的关系。经过现场湿喷试验，测定不同含量速凝剂作用下混凝土回弹率的变化趋势如图3所示。

图3 不同速凝剂含量下混凝土回弹率

由图3可以看出，随着速凝剂含量逐渐增加，混凝土回弹率呈现先降低后增加的趋势，当速凝剂含量为2%时，混凝土回弹率为16.1%；当速凝剂含量增加至5%时，混凝土回弹率降低为9.8%。随着速凝剂含量继续增加，混凝土回弹率逐渐上升至21.4%，即速凝剂含量过多或者过少均不利于湿喷混凝土的吸附。依据前文中湿喷混凝土的回弹机理可知，当速凝剂含量降低时，混凝土凝结速度慢，导致混凝土内部粘结强度降低，则吸附在洞壁上的混凝土在后续混凝土的作用下容易发生错位移动而出现脱落，导致混凝土回弹率较高；当速凝剂含量较高时，喷射混凝土凝结硬化速度快，现后喷射混凝土之间容易产生结构裂缝，湿喷混凝土内部出现薄弱结构层，导致各层喷射混凝土之间有效吸附作用降低，致使混凝土回弹率增加，对该地下隧洞开挖而言，建议选定速凝剂含量为5%左右最为合适。

4 结语

笔者分析了湿喷混凝土的回弹机理，探讨了实际工程开挖过程中回弹率的影响因素，得到了喷射距离、喷射角度和速凝剂添加含量对回弹率的影响关系曲线。

随着喷射距离从0.5m逐渐增大至1.5m，混凝土回弹率逐渐从20%下降至8%，然后上升至22.5%，确定了该工程开挖时湿喷混凝土喷射距离为1m。随着喷射角度逐渐增大，湿喷混凝土回弹率呈现初期线性下降，中期迅速下降，后期趋于稳定的状态，对该工程而言，确定其喷射角度为70°以上较为合理。速凝剂的掺加量会直接影响混凝土回弹率，当速凝剂含量有2%增加至8%时，回弹率呈现先降低后逐渐增大的趋势，对该工程而言，确定其速凝剂掺加量为5%左右时混凝土回弹率较低。