软岩地区隧道低回弹喷射混凝土技术

黄姣媚　赵启雄　戴军

摘要：文章依托实际工程项目，从湿喷混凝土配合比设计入手，结合施工现场情况对其配合比进行优化，总结出湿喷工艺控制要点，通过与干喷工艺进行对比，分析两者综合性能的优劣性。结果表明：喷射混凝土配合比需根据设计配合比及现场施工调试后确定最终的施工配合比；湿喷混凝土回弹率与湿喷角度、湿喷距离、速凝剂掺量及施工人员的熟练程度密切相关；隧道湿喷较干喷在综合性能方面具有一定的优势。

关键词：软岩地区隧道；湿喷混凝土；配合比设计；干喷混凝土；综合性能

0引言

喷射混凝土作为国内外隧道工程初期支护最普遍的施工工艺，具有高强度、快支护、操作简单等优势，特别是在软弱围岩地质条件下，配合钢拱架及系统锚杆作为联合支护，优点更为明显。但因其回弹率普遍较高，施工过程中粉尘量较大，对原材料造成了极大的浪费［1］。

黎波［2］从湿喷混凝土的原材料入手，通过配合比的设定及喷射技术的工艺流程展开介绍，对湿喷混凝土技术在隧道项目的应用进行深入分析；何鹏等［3］从回弹机理角度出发，认为先喷射砂浆再喷射混凝土的方法或调整喷射速度的措施能降低湿喷混凝土回弹率。宋云［4］依据混凝土湿喷作业原理设计工艺流程，概述了施工要点，将抗压强度、破坏荷载、湿喷回弹率均控制在范围之内。孙海东［5］结合工程实际分析了湿喷混凝土技术，并提出了相应的注意事项，以切实提升湿喷混凝土施工技术在公路工程中的实践应用水平。

但目前对于低回弹喷射混凝土配合比设计优化及其工艺确定的研究较少。因此，对喷射混凝土性能及其施工控制要点进行分析具有一定的必要性，旨在为隧道工程喷射混凝土施工提供一定的参考和借鉴。

1 工程概况

巴马至平果段高速公路隧道工程均为双向六车道，设计速度为120 km/h，设计内轮廓净宽为19.18 m、净高为11.19 m。隧道围岩自稳能力差，无支护时易掉块、塌方。岩体以中风化粉砂岩夹泥岩为主，岩体总体破碎，结合差，节理裂隙发育，局部泥质等软弱夹层发育。

2 湿喷混凝土配合比设计

2.1 原材料

（1）水泥：选用广西登高（集团）田东水泥有限公司生产的P·O 42.5级水泥。

（2）机制砂：选用健康石场生产的0.075～4.75 mm型机制砂。

（3）减水剂：选用北京路智恒信科技有限公司的缓凝高效减水剂。

（4）速凝剂：选用厦门林晟通科技有限公司的HS-S1型速凝剂。

（5）水：水选用平果市黎明乡饮用水。

2.2 配合比设计

根据《水工混凝土配合比设计规程》（DL/T 5330-2015）规定，混凝土强度试验至少应采用3个不同水胶比的配合比，其中一个应为确定的配合比，其他配合比的用水量不变，水胶比依次增减，变化幅度为0.05，砂率可相应增减1%［6-7］。因本项目无统计资料计算混凝土强度标准差，故其设计值按现行国家标准《混凝土结构工程施工及验收规范》（GB 50204）的规定选取σ=5.0。

所以混凝土配置强度为：fcu，0=fcu，k+1.645σ=25+1.645×5.0=33.2 MPa

水胶比为：W/C=aa fb/（fcu.0+aaabfb）=0.53×48.4/（33.2+0.53×0.20×48.4）=0.67，校核基准水胶比选取0.39。因此，该试验水胶比分别按照0.34、0.39和0.44进行试验，试块养护时间分别按照1 d、7 d、28 d后进行水泥混凝土抗压试验检测。因此，根据C25喷射混凝土配合比设计书，每立方混凝土用料表如表1所示。

2.3 抗压强度测试

试验主要根据《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTG 3420-2020）（以下简称《试验规程》）进行，试验仪器为GL01020008（BP1）142-01～02/I微机控制恒加荷速率压力试验机，试验温度为22 ℃，湿度为72%，试验结果如图1所示。

由图1可知：

（1）水泥混凝土抗压强度随着养护龄期的增大而增大。主要是因为水泥熟料矿物在一定的温度、湿度条件下随时间的增长不断水化，且水泥的水化会随着时间的推移不断深入，增多的水泥凝胶体填充于毛细孔中，相应地也增加了胶空比值，于是强度也就随之不断增高。

（2）在养护龄期一定的条件下，龄期为1 d的混凝土抗压强度随水胶比的增大而逐渐增大，龄期为7 d和28 d的混凝土强度随着水胶比的增大而逐渐减小。主要是由于水泥在固化过程中，3 d内水泥的强度增长速度较快，3～7 d内水泥强度增长放慢，28 d后基本就不会增加了。

（3）根据设计要求，确定水胶比为0.39。其中水胶比为0.34的水泥混凝土在28 d的抗压强度高出设计水胶比水泥混凝土抗压强度的23.8%，抗压强度满足要求，但会导致使用更多的原材料）。水胶比为0.44的水泥混凝土在28 d的抗压强度小于设计抗压强度，不满足设计要求。而水胶比为0.39的水泥混凝土抗压强度刚好满足设计要求，又不会浪费更多的原材料，所以最终确定水胶比为0.39的水泥混凝土配合比为施工配合比。

2.4 稠度测试

试验主要根据《试验规程》进行，试验温度为22 ℃，湿度为74%，搅拌方式为机械搅拌加人工拌和，试验数据如表2所示。

根据设计要求、构件截面尺寸和施工工艺的特点，选取坍落度T=140～180 mm。

由表2可知：3种水胶比下水泥混凝土坍落度均满足设计要求，为140～180 mm。因此，依据抗压强度试验，选择水胶比为0.39的水泥混凝土更适合施工配合比的设计。

2.5 表观密度测试

试验温度为22 ℃，湿度为74%，搅拌方式为机械搅拌加人工拌和，设计混凝土容重mcp=2 365 kg/m3。該试验水胶比分别按照0.34、0.39和0.44进行试验，试验数据如表3所示。

由表3可知：

（1）水泥混凝土表观密度测定值随着水胶比的增大逐渐减小。主要是由于在体积一定的条件下，随着水胶比的增加，集料越稀疏，单位体积内混凝土质量越小，从而导致表观密度逐渐减小。

（2）由于设计混凝土容重为2 365 kg/m3，在水胶比为0.39的情况下，混凝土表观密度刚好满足设计要求，因此由表观密度试验确定水胶比为0.39的水泥混凝土配合比更适用于施工配合比。

（3）综合上述3个试验结果分析确定采用配合比Ⅰ来指导施工。

3 喷射混凝土配合比优化

3.1 湿喷角度测试

本试验以喷射工作面与湿喷嘴之间的夹角作为控制因素，分别设置45°、60°、70°、80°和90°五个设计喷射角度，根据施工经验确定湿喷距离为1 m，通过回弹率来确定最终喷射角度。湿喷角度测试结果统计如下页图2所示。

由图2可知，随着湿喷角度的增大，回弹率逐渐减小。主要是因为随着喷射角度的增大，受喷面范围也逐渐增加，喷射能量就会分散，从而导致回弹率降低。因此，在喷射混凝土施工过程中，应尽量保持喷嘴与喷射面垂直，以获得良好的密实性。本试验建议喷射角度为90°。

3.2 喷射距离测试

本试验以喷射工作面与湿喷嘴之间的距离作为控制因素，分别设置0.6 m、0.8 m、1.0 m、1.2 m和1.4 m五个设计喷射距离，根据上述试验确定的湿喷角度为90°，通过回弹率来确定最终喷射距离。湿喷距离测试结果统计如图3所示。

由图3可知，湿喷混凝土回弹率随着湿喷距离的增加先减小后增大，而在湿喷距离为1 m时回弹率达到最低值，与施工经验距离一致。主要原因是喷射距离越小，喷射混凝土抵达喷射工作面时速度较大，喷射能量较大，从而喷射混凝土在喷射工作面上更加密实，强度较大，在重力作用下不易脱落，使湿喷混凝土回弹率降低。因此，本试验建议湿喷混凝土喷嘴与受喷面距离为1 m。

3.3 速凝剂掺量测試

根据设计配合比速凝剂掺量为23.3 kg/m3，但经现场测试后发现回弹率较大，造成材料的浪费。因此，对速凝剂掺量进行测试具有一定的必要性。通过对速凝剂掺量的不断调试，确定速凝剂掺量为28.55 kg/m3、30.55 kg/m3、32.55 kg/m3、34.55 kg/m3和36.55 kg/m3，分别进行湿喷测试。其中湿喷角度控制为90°，湿喷距离控制为1 m，通过回弹率来确定最终速凝剂掺量。速凝剂掺量测试结果统计如图4所示。

由图4可知，湿喷混凝土回弹率随着速凝剂掺量的增加先减小后增大，当速凝剂掺量为32.55 kg/m3时，混凝土回弹率达最低值，仅为14%。根据回弹机理，附着在喷射面上未来得及凝结的混凝土因凝结速度慢，内部粘聚力较低，在后续喷射混凝土的冲击下被冲掉；随着速凝剂掺量的增加，混凝土凝结时间缩短，内部粘聚力增加，强度增大，损失减小。所以速凝剂掺量较少时，混凝土凝结时间较慢，粘聚力较小，喷射混凝土容易掉块；而速凝剂掺量过大时，混凝土凝结速率较快，导致混凝土在喷射到工作面时会凝结成硬核而被弹回。因此，本试验建议湿喷混凝土速凝剂掺量为32.55 kg/m3。

3.4 施工人员的熟练程度测试

在施工过程中发现，湿喷机械手操作人员的熟练程度对湿喷混凝土回弹率的影响较大。因此，针对施工人员的熟练程度对湿喷混凝土回弹率展开测试，测试通过收集连续施工7 d的回弹率进行分析，其中湿喷角度控制为90°，湿喷距离为1 m，速凝剂掺量为32.55 kg/m3。测试结果如图5所示。

由图5可知，湿喷混凝土回弹率随着施工次数的增加而降低，且在5 d后逐渐趋于稳定。主要因为湿喷机械手操作人员对于湿喷机械的掌握程度逐渐熟悉且稳定，从而可以更好地控制湿喷角度、湿喷距离及喷射方式。

4 湿喷工艺与干喷工艺综合性能对比

4.1 工艺对比

干喷是直接将水泥、瓜米石及照设计比例在干喷机械手料仓内搅拌均匀，然后通过压缩空气将干集料在软管内呈悬浮状态压送至喷枪，再由喷头处融入水后喷出［8-9］，如图6所示。湿喷是将水泥、瓜米石、砂和水按设计比例在拌和站拌和均匀后运至湿喷机械手料仓内，然后由湿喷机压送至喷头处，再由喷头处融入速凝剂后喷出［10］，如图7所示。

由图6和图7可知：

（1）湿喷工艺流程较干喷工艺流程复杂，有利于提高湿喷混凝土质量。

（2）湿喷机械手结构复杂，导致机械清理过程繁琐，而干喷机械手结构较简单，机械清理过程比较容易。

（3）干喷工艺不需要减水剂，且在干骨料搅拌过程中，各材料混合均匀性较差，导致干喷混凝土质量不易控制。

4.2 性能对比

根据室内试验及现场测试，最后确定湿喷与干喷的配合比及单价如表4所示。

本文以隧道出口左洞湿喷工艺与隧道进口右洞干喷工艺进行数据对比分析，主要对喷浆时间、回弹率、喷射效率、每延米喷射方量进行对比分析，对隧道喷射混凝土工艺的选择提供一定的参考，具体数据如图8所示。

由图8可知：

（1）每延米湿喷所用时间比干喷短，喷射效率高，湿喷工艺可节约一定的时间成本。

（2）湿喷的回弹率比干喷回弹率低40%，每延米湿喷混凝土方量较干喷降低26%，可大量节省材料成本。

4.3 成本对比

根据设计图纸及现场施工统计，对隧道湿喷与干喷的成本进行对比分析，如图9所示。

由图9可知：

（1）湿喷混凝土配合比中比干喷混凝土多了减水剂，且湿喷混凝土中速凝剂价格较干喷贵，但湿喷混凝土所用方量较小，故湿喷混凝土每延米单价比干喷混凝土单价低，设计每延米单价降低了32.3%，实际每延米单价降低了6%，其中实际每延米降低单价与设计每延米单价差距较大，主要是由于超欠挖方量引起。

（2）湿喷工艺每喷射1方混凝土机械价格比干喷贵，主要是由于湿喷机械手价格昂贵，两者人工及材料成本基本一致。

4.4 环保性对比

在施工过程中，湿喷作业时几乎没有灰尘出现，且噪音较小，而干喷作业时出现大量灰尘，且噪音较大。

综合施工效率、成本及环保三方面考虑，本研究建议使用湿喷工艺进行隧道初支喷射混凝土施工。

5 结语

（1）湿喷混凝土配合比首先需要在实验室进行配合比的初试，然后再根据现场施工情况进行调节，最终确定最佳配合比。

（2）湿喷混凝土回弹率与湿喷角度、湿喷距离、速凝剂掺量及施工人员的熟练程度密切相关。其中，建议喷射角度控制为90°，喷射距离控制为1 m，速凝剂掺量为32.55 kg/m3。

（3）湿喷较干喷所用时间短，喷射效率高，湿喷工艺可节约一定的时间成本，且湿喷过程中回弹率很小；濕喷混凝土每方单价与干喷混凝土单价基本一致。从环保性分析得出，采用湿喷工艺施工相比干喷工艺施工更环保，施工现场粉尘很少，噪音很小，能够消除静电作用对人体的危害，所以建议隧道初支混凝土施工采用湿喷工艺进行施工。

参考文献：

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［9］范仁玉.隧道喷射混凝土湿喷工艺［J］.低碳世界，2019，9（6）：254-255.

［10］汤远亮，解兰生.干法喷射混凝土施工［J］.价值工程，2010，29（6）：254.

作者简介：黄姣媚（1986—），工程师，主要从事公路工程试验检测与技术管理工作。