降低青龙崮隧道湿喷回弹率方法研究

郝广伟 申开放 徐帮树 卢 坤 赵振新 罗 萌 赵亚洲

(1.山东省路桥集团有限公司 山东济南 250011；2.山东大学齐鲁交通学院 山东济南 250002)

1 前言

喷射混凝土是利用喷射机械，通过高压风或泵送方式，将一定比例的水泥、砂子、石子等拌合料喷射至受喷面的过程，广泛应用于隧道及地下工程的围岩支护中，对围岩稳定起着关键的作用[1-3]。目前，国内喷射混凝土主要有两种形式，即潮喷和湿喷。潮喷混凝土是将少量水、水泥、石子、砂子和粉状速凝剂，在拌和站搅拌均匀后，借助干喷机，在喷头处加水喷射至围岩表面。湿喷混凝土是将水泥、砂子、石子和水拌和均匀后，借助湿喷机，在喷头处加液体速凝剂喷射至围岩表面。潮喷混凝土施工效率低(每小时喷射混凝土5～7 m3)、粉尘大、回弹大、混凝土强度低且离散性大；湿喷混凝土采用湿喷机组和机械臂，相对于潮喷混凝土，施工效率高(每小时能达到20～25 m3)、粉尘小、回弹小、混凝土强度高[4-5]。因此，湿喷混凝土的应用越来越多，尤其是在大断面隧道中。然而，在实际使用中，湿喷混凝土也存在一系列的问题，如易堵管、不易清洗，机械庞大、操作不便，混凝土与液体速凝剂适应性不好、易塌落，混凝土混合比设计不合理、水量控制不好、产生大量的回弹，机械手不易控制等等，致使湿喷混凝土的推广受到一定的限制[6-12]。本文结合京沪高速青龙崮隧道湿喷混凝土回弹率大的问题开展研究，主要包括混凝土配合比、坍落度、液体速凝剂、施工方法和外界条件等，得到影响湿喷回弹率高的几个主要因素，并加以改进，从而达到降低回弹率的目的，满足绿色环保施工的要求，为湿喷混凝土的推广提供技术支撑。

2 工程背景

2.1 工程概况

青龙崮隧道东西线折合单洞总长3 150 m，其中东线隧道(左线)长1 570 m，西线(右线)长1 580 m，位于山东省新泰市龙廷镇将军堂村西侧。青龙崮隧道建筑限界:主洞净宽1＋0.75＋2×3.75＋1.25＋1＝11.5 m；行车道净高5.0 m；隧道路面横坡2%；隧道内纵坡:最大2.2%、最小2.1%；路面设计荷数:高速公路。

该隧道为岩质隧道，主要为强-中风化页岩、灰岩层，岩体破碎、结构面发育，围岩等级为Ⅳ和Ⅴ级。隧道采用新奥法钻爆掘进，采用“双向掘进，分部开挖，及时支护，仰拱紧跟，衬砌完善”的总体施工方案。初期支护采用钢格栅、钢拱架、注浆锚杆、钢筋网和湿喷混凝土，混凝土采用C25，喷射厚度为24 cm左右。

2.2 回弹率测定

喷射混凝土回弹率的测定，选择隧道东线进口段进行抽查，回弹率的计算方法如下:

从开挖情况看，该段掌子面围岩较差，为强-中风化页岩及灰岩，岩体破碎，结构面发育，层间结合差，呈薄层状结构，掌子面开挖时无法达到光面爆破效果，超挖较多，对湿喷混凝土回弹率有一定的影响。抽查结果是回弹率为31% ～38.1%，平均回弹率约为34%，如表1所示。

2.3 问题提出及意义

据公司类似隧道统计，隧道湿喷混凝土回弹率在20%左右，该隧道湿喷的回弹率明显偏高，造成了材料的大量浪费。因此，开展降低该隧道湿喷混凝土回弹率的方法研究，主要意义如下:

(1)缩短初期支护时间。湿喷混凝土的回弹量大，导致喷射混凝土方量增加，延长了初期支护的施工时间，不利于隧道的施工安全。支护的施工时间过长，不利于隧道围岩的稳定。

(2)降本增效。湿喷混凝土的回弹量大，增加了混凝土的用量及相关的人员、机械费用。

(3)绿色公路。京沪项目为绿色公路示范项目，减少原材料浪费符合绿色公路的要求。

3 回弹率影响因素分析

根据现场调查情况，从人、料、机、环、法五个方面找出主要影响因素，用鱼刺图(见图1)进行原因分析，共找出12条末端因素。

图1 湿喷回弹率高的影响因素

对其中几条主要影响因素进行分析研究，主要包括混凝土的配合比、坍落度、液体速凝剂的使用、洞内照明效果、施工方法。

3.1 喷射混凝土的配合比设计

喷射混凝土的配合比设计按照《喷射混凝土应用技术规程》(JGJ/T 372-2016)，湿喷混凝土的表观密度不低于2 300 kg/m3，选择聚羧酸减水剂，掺量为0.9%。水的掺量为180～220 kg/m3，砂率为45% ～60%。

喷射混凝土的配合比设计根据现场地质条件、围岩表面状态、是否有渗水等而不同，对于C25的湿喷混凝土，水泥含量一般大于450 kg/m3，水泥含量过少，会导致混凝土松散、粘结性差，增大回弹量；水泥含量过大，造成粉尘量大、且增加施工成本。喷射混凝土的回弹，是由于骨料与受喷面的剧烈碰撞形成的反弹，因此较大颗粒的石子，回弹较多。配合比设计时，可以适当降低石子的含量，增大砂率。实际配比时，砂率一般在50%以上，砂率过大，会导致喷射混凝土强度不足。水的含量对湿喷混凝土影响很大，水量大时，有利于混凝土在管道内的输送，但不利于喷射混凝土在围岩表面的凝结，会形成坍塌现象，且大大降低混凝土的强度；水量小时，不利于混凝土输送，易导致堵管和堵塞现象。因此，喷射混凝土的配合比要综合考虑，找到最佳平衡点。

3.2 坍落度

混凝土的坍落度也是指和易性，是保证混凝土正常施工的关键，包括保水性、粘聚性和流动性。湿喷混凝土是将拌和好的商品混凝土，通过湿喷机在喷头处加液体速凝剂喷射至受喷面。商品混凝土由商混车运送至隧道内，倒入湿喷机。因此，对混凝土的坍落度要求较高。混凝土不能产生离析、不能堵塞管道，和易性差的混凝土回弹率也高。湿喷混凝土坍落度的控制一般为12～18 cm，如图2所示。对坍落度进行抽检30次，5次不合格，混凝土退回处理，合格率为83%。

图2 混凝土坍落度测定

3.3 液体速凝剂

速凝剂是喷射混凝土所必须的外加剂，能使混凝土速凝快硬，增大一次喷射厚度，与围岩密贴，防止混凝土因自重作用而塌落。速凝剂的凝结效果、掺量、与水泥的适应性等都对喷射混凝土回弹有很大的影响。速凝剂起不到相应的作用，会导致混凝土坍塌，造成很大的回弹损失。湿喷混凝土采用液体速凝剂，液体速凝剂分为碱性和无碱两种类型。碱性速凝剂掺量较小，一般为3% ～6%，混凝土后期强度损失较大；无碱液体速凝剂掺量一般为5%～9%，混凝土后期强度损失小，但有时无碱液体速凝剂的凝结效果不如碱性速凝剂。现场采用无碱液体速凝剂，对速凝剂进行抽检，试验结果如表2所示。

测定结果表明，该无碱液体速凝剂掺量在5%～9%的情况下均满足相应规范的要求，为合格品，现场实际使用掺量为6%。经过多次抽检，存在个别与水泥不适应的问题，造成速凝剂掺量过大，或者出现喷射混凝土塌落的现象。

表2 液体速凝剂凝结效果测定

3.4 洞内照明效果

喷射混凝土的过程中，会产生大量的粉尘，如图3所示。并经现场确认，在喷射混凝土时，存在照明效果差的现象，抽查30次，合格22次，合格率为73.3%。洞内的粉尘，以及照明效果差，使得喷混时，能见度很差，严重影响施工人员观察机械臂移动，从而造成较大的回弹。

图3 现场施工粉尘

3.5 混凝土喷射方法

(1)喷射混凝土的风压要严格控制，风压太大，会造成骨料反弹较多；风压太小，喷射的混凝土不密实，易产生塌落，湿喷混凝土的风压不应小于0.8 MPa。

(2)喷射混凝土一次喷射厚度，边墙标准值是8～15 cm、拱部6～10 cm，超过后要分层喷射。特别是拱顶，一次喷射过厚会因自重而剥落，从经济性、安全性考虑都应避免。

(3)喷嘴指向与受喷面应保持90°夹角，喷嘴与受喷面的距离不宜大于1.5 m，太近或者太远都会造成大的回弹量，对施工角度和距离进行了30次检查，其中合格17次，合格率为57%。

综上所述，从以上5个方面进行分析，最终得到3条主要影响喷射混凝土回弹率大的因素:混凝土和易性差、坍落度不合格；洞内照明效果差；喷头与受喷面间的角度、距离不合格。

4 优化措施

针对上述三个主要影响因素，制定优化措施。

(1)加强混凝土喷射前坍落度检测

加强混凝土驻站监管，出站前质检员检测混凝土坍落度和和易性，不合格的就地退回；每车混凝土喷射之前，质检员对混凝土的坍落度、和易性等进行检测，确认其坍落度在12～18 cm范围内且和易性良好方可进行喷射，不符合要求的退回拌和站。

(2)喷射混凝土时增加照明

喷射混凝土时除采用湿喷机自带的250 W的隧道专用防爆灯外，再增加2个50 W的LED防爆灯提供照明。增加的照明亮度，一定程度上可以弥补粉尘量大问题，提高施工时可见度。

(3)加强对混凝土喷射工作的监督、考核

安排2名工作人员与湿喷机操作手同时从不同角度观察喷枪与受喷面间距是否为1.5 m及喷嘴是否与受喷面垂直，利用扩音器随时与操作手沟通，使喷嘴位置符合要求。避免因视角误差导致喷枪嘴与受喷面的距离和角度不符合要求，培训一段时间后对操作手进行考核。

经过改进措施后，对青龙崮隧道湿喷混凝土进行了随机抽检，得到最终平均回弹率为19.3%，湿喷混凝土回弹率得到了有效控制，达到了回弹率控制在20%以下的预期目标。

5 结束语

随着机械化程度的不断提高，湿喷混凝土必将得到越来越广泛的应用，施工过程中遇到的问题也将增多。如何更好地采用该技术，发挥更大的生产力，是未来研究的主要方向。本文结合具体工程，从湿喷混凝土的配合比、混凝土和易性、速凝剂性能和施工方法等方面进行分析，得到影响湿喷混凝土回弹率的主要因素，并做了一定的改进措施，降低了回弹，达到了初始的预期目标。下一步的目标是将回弹率降到10%以下，并能有效提高喷射混凝土的强度、韧性，以便其发挥更好的围岩支护作用。