隧道喷射混凝土超耗原因分析及治理对策

孙广冰

（中交第二公路工程局有限公司，陕西西安 710065）

0 引言

隧道施工过程中，混凝土的施工十分关键。其中，混凝土的喷射工艺较为复杂，且受诸多因素的影响，喷射过程中容易出现混凝土超耗的问题，造成资源浪费，增加企业或建设机构的施工成本，不利于其经济效益的提升。因此，在施工过程中，施工人员应重视对混凝土超耗问题的管控，尽可能避免出现混凝土超耗问题，降低施工成本。尽管混凝土超耗是共性问题，但施工单位还应将超耗降至最低。

1 隧道喷射混凝土超耗的原因

隧道施工过程中，喷射混凝土超耗问题产生的原因有很多，如钻爆工艺、喷射工艺、爆破参数、混凝土性能等。除此之外，还包括技术操作、施工管理及施工流程规范性操作等部分人为因素。具体如下：

1.1 喷射混凝土回弹量超标因素

在混凝土喷射施工前，因混凝土原材料的配比不符合喷射要求，混凝土中的含泥量及砂的细度模数过高，加之粗骨料的级配不连续、超出标准等，造成混凝土的回弹量上升。与此同时，混凝土喷射施工的技术水平有待提升，施工现场人员的流动性较大，缺少固定的施工人员，且人员的施工技能及专业水平参差不齐，施工中对混凝土喷射的角度以及喷射的距离掌控较为随意，缺少规范化的施工标准，加之在喷射过程中受风压、水压的影响，喷射施工缺少精准监管。

1.2 隧道洞身爆破超挖因素

在隧道洞身开挖的过程中，经常会出现洞身爆破超挖的问题，其产生的原因有多。一方面，隧道洞身的开挖并未完全按照开挖图纸进行施工，实际开挖的轮廓线远大于设计的轮廓线，洞身的爆破超挖远超设计中规范化允许值，超挖现象明显[1]。这与隧道洞身开挖预留沉降量控制不严有关。另一方面，在隧道洞身开挖过程中，每循环进尺过大，超出设计图纸允许值的最大进尺要求。由于洞身开挖轮廓线，周边布置眼钻孔导致外插角度，所以容易出现洞身爆破超挖的问题。

1.3 线形超挖因素

钻孔施工是隧道施工的重要环节，钻孔前，施工人员均会设计、计算、绘制钻爆图表。因隧道洞身周边眼孔距的控制缺少规范性，容易出现实际布孔距离未严格按照设计爆破图孔距布置的问题，加之风枪钻机和多臂凿岩台车设备的架设角度、方向等问题，使周边眼未能形成平顺的开挖轮廓圆弧，致使线形开挖施工缺少规范化的标准，导致超挖问题。除此之外，在实际的线形施工过程中，施工人员对周边眼的角度控制缺乏严谨的质量意识，加上受限作空间及人工操作水平的限制，钻孔外插角的控制存在偏差，极容易出现钻孔眼底深浅不统一的问题，最终造成线形超、欠挖问题[2]。

1.4 人员组织管理因素

人员组织管理方面的因素主要体现在排险方面，针对部分软弱岩层缺少管控措施，使用挖机炮锤排险时，因机械操作人员意识差、操作力度不当，造成滑层、夹层、填充岩石大块松动脱落，形成超挖空洞现象，从而导致混凝土喷射出现超耗问题。同时，由于围岩较破碎，应通过调整炮孔间距和装药量控制开挖面，但排险过程中有掉块、滑层的现象，也会造成超挖严重，导致湿喷混凝土超耗。由于围岩裂隙发育，光爆效果差、滑层多，也会导致超挖较多。围岩风化严重，受降雨影响明显，掌子面局部出现渗水，致使围岩呈块状掉落，从而导致掌子面超挖较大，喷射混凝土掉块严重，形成较大超耗。

1.5 配合比因素

众所周知，混凝土属于混合物，是由多种原材料经过严格的配比混合而成，如水泥、砂石、骨料、碱水剂、速凝剂等，每一种原材料的配比量都有一定的标准[3]。在混凝土的配置过程中，碱水剂及速凝剂的添加，会改善混凝土的强度及使用性能。普通混凝土的配置不添加减水剂，其施工效果明显不佳，即便减少用水量，混凝土的强度效果依然不佳。所以，速凝剂的掺量对混凝土喷射质量影响较大，但需要施工人员做好计量管控。

1.6 原材料因素

混凝土的原材料质量以及配比量直接影响着混凝土的回弹量，进而影响着混凝土的喷射质量[4]。水灰比是混凝土原材料配置的重要环节，其含泥量的多少影响着混凝土的强度、坍落度损失、和易性能，若水泥量过多，会增加混凝土硬化后的收缩率；水泥量较少，则会增大混凝土的回弹量。此外，各种原材料的采购质量需要符合国家质检标准，在保存过程中，应进行分类保管，避免贮藏窜料、混稀、环境潮湿等。

1.7 地质因素

隧道工程施工地质条件的好坏，对混凝土的喷射质量有重要影响。地质条件越稳定，混凝土的喷射施工难度越低，施工人员对混凝土使用量的控制越精准；若地质环境较为复杂，则混凝土的喷射施工难度也会随之增加。岩石节理分部多样化，夹层填充有黄土、黏土，黏结性差，部分段落还有渗水现象。

软弱围岩一般采用台阶法施工，上台阶喷射混凝土超耗率普遍偏大，在施工过程中，应加强超前支护措施，进一步控制开挖后的围岩掉块、垮塌等因素引起的喷射混凝土增加。

1.8 设计因素、沉降量预留及线形开挖

隧道施工现场原地质条件的恒载量比隧道的荷载小，施工或竣工阶段容易出现沉降现象。所以，在隧道设计阶段，设计人员需要借助BIM 构建隧道工程的3D 模型，对施工过程中的沉降现象进行模拟，并合理设计沉降预留量，防止隧道在运行过程中下沉。

对于线形开挖施工，测量放样操作中，放样人员需要优先设计、确定开挖轮廓线及周边眼位置。实际设计图纸并没有把线形超挖喷混量计入工程量清单，因此需要及时和设计、业主沟通，商议将线形超挖、预留变形量等混凝土工程量纳入合同清单，以便较少喷混量，降低经济损失。

1.9 湿喷车机械操作人员因素

湿喷车机械操作人员的操作水平、工作态度、责任心等，对隧道喷射混凝土的超耗问题同样具有重要影响。在湿喷操作过程中，隧道的施工环境较差，如果操作人员未按要求进行规范湿喷，则可能会留下诸多安全隐患，如喷射厚度不均匀、混凝土喷射回弹量较大等。为此，在进行湿喷时，施工人员要严格按照湿喷流程进行，先分层、分片，再对称作业[5]。

2 隧道喷射混凝土超耗的控制措施

在隧道施工过程中，喷射混凝土超耗产生的原因不同，其具体的控制措施也不同，需要施工人员具体问题具体分析，有针对性地实施控制措施。在人为因素方面，对超耗问题的控制可以通过加强管理的方式实现，具体措施如下：

2.1 加强爆破开挖面尺寸放样控制

加强爆破开挖面尺寸放样控制的目的，在于将喷射混凝土超耗降至最低，这需要施工人员注重对开挖面尺寸的控制、钻孔精度、炸药配置量等。掌子面放样控制主要表现在两方面，一是掌子面周边眼的布设，可以使用圆心法、坐标法、全断面开挖法等。放样控制的方式可采用全站仪测量、经纬仪测量，二者各有优、缺点。二是对周边眼钻孔孔道的控制，对于喷射混凝土超耗问题，需要优先控制排炮周边眼钻孔的孔道方向，并合理设置孔道的偏移值。

2.2 加强喷射混凝土回弹量控制

首先，物资部门应进行联合试验，从供应商源头抓起，对混凝土喷射的原材料采购质量进行检测，严禁使用不合格的原材料。其次，注重技术交底工作，采取定人定岗制度，加强岗前培训、技术培训等，提高人员技术水平。最后，通过调研选择最优的速凝剂，对混凝土的配比进行优化，确保速凝剂的初凝以及终凝时间，为混凝土喷射配比及强度提供保障。同时，还应适当对喷射设备进行改良，如在喷嘴高压风管位置安装压力表，有助于对设备风压的实时调整。

2.3 加强隧道洞身超挖控制

一方面，当隧道每循环的进尺长度超过设计长度时，就会出现洞身超挖问题，严重的甚至可能引发坍塌事故。因此，施工人员要严格遵循短进尺、强支护、早封闭的原则。另一方面，现场应加强预留变形量的动态调整，做到既不侵线又能有效降低二衬混凝土的超耗。

其一，根据围岩监控量测数据，及时调整预留沉降值。

其二，分析同一地质围岩的沉降位移量，动态掌控预留变形量，从而控制混凝土的超耗率。

其三，根据围岩情况，及时调整炮孔角度、间距和装药量，尽量减少超挖以及滑层脱落。

其四，及时向设计人员反应围岩情况，并根据设计调整的超前支护进行施工，减少施工风险、降低滑层数量。

其五，要及时和设计人员、业主沟通商议，将线形超挖、预留变形量等混凝土工程量纳入合同清单。以减少喷混量，降低经济损失。

2.4 加强现场组织管理

一方面建立、完善管理机构，成立专项管理小组，对隧道喷射混凝土超耗问题进行严格管控，并聘请专业人员进行指导，成立项目管理部、设备物资管理部、经济管理部等部门，并依据实际施工情况明确各部门管理职责。另一方面，创建奖罚机制，对施工过程中表现优异的施工人员给予一定奖励，如升职加薪等。此外，混凝土喷射现场需派遣专业人士进行监管，依据施工人员每月喷射混凝土的超耗指标，对其进行奖罚，并定期对操作人员、技术、测量人员开展技能考核。

2.5 加强配合比优化及原材料源头控制

依据规范和设计图纸，混凝土配合比的设计最终选定为C30 喷射混凝土，其具体配合比优化方案如下：坍落度在140～180mm 之间，主要使用P·042.5 水泥、5～10mm 碎石、速凝剂、河砂、高效碱水剂等，优化配比设计可提高混凝土的使用性能，降低混凝土喷射的回弹量，有助于提高混凝土强度。对于混凝土原材料的控制，速凝剂的初凝与终凝时间十分关键，初凝时间不得超过5min，终凝时间不得超过10min，机制砂的细度模数应在2.8 左右，骨料的粒径应小于15mm。

2.6 加强机械操作人员施工工法的控制

应对机械操作人员做好技术交底工作，综合考虑混凝土的喷射距离及角度，严格控制速凝剂的添加量，从而实现混凝土回弹量降低的目标。同时，应对挖机操作人员加强培训，开挖过程中，测量人员应加强监控量测，避免超挖引起的混凝土超耗。此外，还应加强多臂凿岩台车操作人员的熟练程度，对周边炮眼进行加密，采用控制药量的方法，尽可能达到光面爆破的效果，从而控制超挖。施工前，机械操作人员需要对电源线、速凝剂箱液面高度、喷射机械设备、部件密封、安全阀、压力表、风压系统表、受喷面、喷嘴等进行检查，确保施工的顺利进行。

2.7 加强地质考察，调整工艺工法

由于隧道工程的施工环境略有不同，其施工工艺及喷射混凝土方法也有所不同。因此，在开展混凝土喷射施工前，施工人员需要对施工现场进行地质勘查，检查施工现场的地质环境是否稳定，并依据勘察结果适当调整施工工艺及喷射混凝土方法，并注重混凝土的配比优化。勘察过程中，施工人员需要做好详细记录，并依据勘察信息进行详细分析，从混凝土喷射回弹量、线形开挖、施工组织管理等方面做好喷射前期的准备工作。

3 工程实例

马来西亚东海岸铁路项目，线路全长640km，是“一带一路”倡议沿线最大的交通基础设施项目，也是中马两国最大的经贸项目。其中，马东铁云顶隧道是东南亚第一隧道，也是该项目的控制工程，其隧道工程位于吉隆坡东北部山区，穿越东南亚著名的云顶自然森林旅游保护区，全线长16.39km，设计为两座平行的单线隧道。该隧道的施工现场地质环境较为复杂且缺乏稳定性，存在涌水隐患，施工现场最大埋深可达750m，且存在诸多不良地质结构，如岩爆、危岩落石、断层破碎带、软岩大变形、高地温、高地应力等。其中，地质岩层的结构主要由花岗岩、片岩、绿泥石片岩、变质砂岩、千枚岩和泥质板岩组成。工程施工过程中的喷射混凝土超耗问题较为突出，施工单位通过加强对爆破开挖面尺寸放样、配合比优化及原材料源头以及喷射混凝土回弹量等的控制对该问题进行了解决，在减少混凝土资源消耗的基础上，有效降低了施工单位的施工成本。

4 结语

随着经济的发展，城市交通压力增大，路桥工程数量增多，随之而来的隧道工程项目数量也在增多。混凝土喷射环节是隧道施工的重要流程之一，施工过程中受喷射混凝土回弹量超标、隧道洞身爆破超挖、线形超挖、人员组织管理不善、混凝土配合比不合理、原材料问题、地质条件复杂、设计与实际不符、湿喷车机械操作人员水平层次不齐等因素的影响，容易出现混凝土超耗问题，需要施工单位通过加强爆破开挖面尺寸放样控制、喷射混凝土回弹量控制、隧道洞身超挖控制、加强现场组织管理等措施进行有效控制。