隧道喷射混凝土回弹量控制技术研究

张清帅 廖梓材

摘要：文章以广西崇爱高速公路观音山隧道为依托，从混凝土各物料质量、物料间配合比以及喷射工艺等方面，探讨隧道喷射混凝土回弹率高的影响因素，并提出相应降低回弹量的措施，以降低隧道初期支护成本、减少风险。

关键词：隧道；喷射混凝土；正交试验；回弹量控制

中图分类号：U455.48+1A311034

0引言

喷射混凝土作为目前山体隧道复合式衬砌初期支护中的主要手段之一，具有支护及时、支护强度高、密实度好、施工方便、操作简单等优势。但其回弹量过高导致混凝土的大量浪费，一直是喷射混凝土施工过程中难以解决的重难点问题，究其原因在于混凝土配合比、外加剂的使用及施工工艺等。本文以广西崇左-爱店高速公路第二分部K31+666～K34+076段观音山隧道施工段为项目依托，探究隧道喷射混凝土回弹行为的影响因素及控制措施。

1工程概况

观音山隧道位于广西宁明县观音山森林公园，是水口-崇左-爱店公路的关键性控制工程。隧道为分离式小净距特长隧道，大致呈东北-西南走向。隧道左线长度为4 790 m，右线长度为4 820 m，设计为单洞单向双车道，采用三心圆的拱形断面，开挖尺寸净宽为12.80 m、净高为10.15 m。爱店端洞门处于傍山侧坡地区，其中左线位于外侧，覆土浅。

观音山隧道属特长隧道，进出口同时施工。爱店端施工左线2 395 m，右线2 410 m，组织双口施工。施工范围为：双洞Ⅲ级围岩2 565 m，约占总长的52.9%；Ⅳ级围岩1 972 m，约占总长的41.4%；Ⅴ级围岩281 m，约占总长的5.7%，最长连续长度812 m。出口端均为端墙洞门，左线明洞段为7 m，右线明洞段为10 m。

观音山隧道喷射混凝土设计总量为6.4万m3，现场采用湿喷法进行喷射混凝土施工作业，为实现“降本增效”的目标，需控制好喷射混凝土回弹总量，从而初期支护降低成本、减少安全风险。

2喷射混凝土回弹影响因素

结合工作实际和经验，喷射混凝土回弹产生很大差异的主要原因是配合比和施工工艺。

2.1混凝土原材料及配合比

混凝土配合比在混凝土工程中占据重要地位，影响混凝土作用时的全方面性能。（1）喷射混凝土胶凝材料与骨料的比值通常保持在1∶4～1∶4.5，因胶凝材料过少、粘附力小则回弹量大，胶凝材料过多，则收缩量增大，当水泥用量＞400 kg/m3時，其喷射混凝土的强度将不随水泥用量增多而提高［1］。（2）混凝土砂率是混凝土流动性、粘聚性的主要影响因素，砂用于填充粗骨料之间的间隙，一般认为，砂率越大，其流动性增大，但当砂率超过一定范围时，其流动性反而下降；同时砂具有良好的保水性，增大砂率，其混凝土的保水性能随之增强，对混凝土回弹量影响较大。（3）水胶比是决定混凝土强度的关键因素，对支护围岩效果起到决定性影响，尤其在湿法喷射工艺中，水胶比同时是影响喷射效果的重要因素，因此，其对混凝土回弹量影响重大。（4）速凝剂掺量可有效缩短初凝时间和提升混凝土早期强度，在高风压喷射作用下，混凝土早期强度和初凝时间是影响其回弹量的重要因素，速凝剂掺量越多，早期强度增长效果越快，但混凝土后期强度会损失越多。因此，速凝剂掺量是混凝土回弹量与强度的影响因素之一［2］。

2.2喷射工艺的影响因素分析

喷射工艺是喷射混凝土的关键因素，喷射效果好坏将会直接影响混凝土的回弹量。喷射工艺取决于喷射厚度、角度及距离，且喷射前应当对所喷射区域进行清理，以保证喷射效果与施工安全。

2.2.1喷射厚度

施工过程中，单次喷射混凝土的厚度太大时，混凝土在自重作用下会出现散落等现象，喷层也会在重力的作用下出现裂纹，从而导致大面积坍塌。一次喷射厚度太小，混凝土层太薄则粘附力不足，容易片落，且大骨料与拱架、钢筋网及基岩接触更容易回弹，导致喷射面仅留下一层混凝土砂浆，不仅影响回弹量且使其强度大大降低。

2.2.2喷射角度

喷射角度取决于施工人员的经验把握，需对厚度过大与过小区域进行调整，否则容易导致混凝土面厚度不均匀、回弹量过大。

2.2.3喷射距离

已有研究［3］和工程经验发现，在隧道喷射混凝土施工过程中，当湿喷机喷嘴与喷射面距离＞1.5 m时，喷射嘴与喷射面接触时的入射角较小会使混凝土中的粗骨料竖向位移较大，贯入力减小，从而导致回弹量过大。

3喷射混凝土回弹量控制措施

3.1混凝土原材料选用

喷射混凝土原材料均由观音山隧道喷射混凝土施工现场提供。主要材料参数指标见表1。

3.2喷射混凝土配合比控制

3.2.1喷射混凝土配合比计算

根据隧道设计图纸及《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55-2011）［4］要求进行初步配合比计算。

（1）混凝土配制强度（fcu，0），δ值查表取5.0MPa：

fcu，0=fcu，k+1.645δ=25+5×1.645=33.2MPa

（2）水胶比取值为：

W/B=[SX（]aafb[]fcu，0+aaabfb[SX）]=[SX（]0.53×1.16×42.5[]33.2×0.53×0.2×1.16×42.5[SX）]=0.68

根据经验选取水灰比0.35，查表得知用水量mwo=228（kg/m3），外加剂减水率为25%，用水量mwo=228×（1-25%）=171（kg/m3）。

（3）胶凝材料用量mbo=171/0.35=489（kg/m3）。

（4）外加剂掺量为胶凝材料总量的1.6%；mao=489×1.6%=7.82（kg/m3）。

（5）速凝剂掺量为胶凝材料总量的7.0%；ma01=488×7.0%=34.23（kg/m3）。

（6）选定砂率βs=45%（质量法）。

（7）计算粗、细骨料用量。

采用质量法对混凝土配合比进行计算，假定容重mcp=2 300（kg/m3），则细骨料mso=738（kg/m3），粗骨料mgo=902（kg/m3）。

通过计算结果确定混凝土初步配合比为：水泥∶细集料∶粗集料∶水∶外加剂∶速凝剂=489∶738∶902∶171∶7.82∶34.2=1∶1.51∶1.84∶0.35∶0.016∶0.070。按混凝土初步配合比进行试拌，试拌25 L拌和物，对拌和物的性能进行测试，得出其坍落度为110 mm，容重为2 300 kg/m3。

3.2.2喷射混凝土配合比正交试验

为了检验对比试验配合比设计对喷射混凝土的性能的影响规律，对三组配合比进行现场正交试验［5］，其中基准为计算得出的初步配合比，另外两个水平的水胶比分别增加和减少0.05，砂率分别增加和减少1%，用水量与试拌配合比保持相同，设计出L9（33）的正交试验，分析主要影响因素的权重，从而找到最优试验组。主要因素及水平试验组见表2［6］。

选取观音山隧道左洞三级围岩段进行喷射混凝土现场试验，试验结果见表3。

由表3可知，在喷射混凝土的回弹率指标中，5号试验组效果最好，回弹率为13.3%。根据喷射混凝土回弹率试验结果分析，三个影响因素之间存在显著性差异，其影响大小排序为砂率＞水胶比＞胶凝材料用量（见表4）。故计算得出该喷射混凝土理论配合比为观音山隧道喷射混凝土的最佳配合比，详见表5。

由表6可知，最佳配合比下的混凝土工作性能优良、强度满足要求且经济合理，故选择基准配合比为C25混凝土试验室理论配合比。

3.3喷射工艺

3.3.1喷射厚度

喷层厚度试验选用喷大板法［7］。通过在试验过程中，对喷嘴位置、喷射方向（垂直喷射面）、喷射距离、工作风压等变量进行定量分析，分别对10 cm、20 cm、30 cm、40 cm、50 cm和60 cm等6个厚度进行试验，观察和统计在这6个不同喷层厚度情况下，出现的回弹量情况。根据设计要求进行现场试验，现场实际数据分析结果如图1所示。

3.3.2喷射角度

喷射角度一直被认为是影响湿喷混凝土回弹率最重要的因素［8］。根据设计要求湿喷机的喷嘴需垂直岩面，喷射束需与岩面的垂线成5°～15°。现场仅以喷射角度为变量，分别进行3次试验，根据数理分析，确定回弹最低的最佳喷射角度（如表7所示）。

根据表7显示，喷射料束与受喷面垂线所形成的夹角越小，回弹率越低，试验结果与MARKUS P［9］的研究成果，即喷射部位间的对应关系基本一致（见图2）。

3.3.3喷射距離

根据观音山隧道设计要求，喷嘴距岩面距离以0.6～1.5 m为宜。根据已有研究表明，在隧道喷射混凝土施工过程中，当湿喷机喷嘴与喷射面距离＞1.5 m时，喷射嘴与被喷射面接触时的入射角较小，会使混凝土中的粗骨料竖向位移较大，贯入力减小，从而导致回弹量过大。经现场3次试验，得出结果如下页表8所示。

由表8可知，喷射嘴与被喷射面的最佳距离为0.8～1.2 m，当喷射压力值出现波动时，间距可适当调整。

综上，通过对喷射混凝土配合比及喷射施工工艺进行现场试验、数据统计分析表明，可以通过优化配合比和工艺参数降低混凝土回弹损失，并提出针对观音山喷射混凝土回弹量的控制措施如下：

（1）施工配合比应根据最佳配合比严格制备，并按照其影响大小，即砂率＞水胶比＞胶凝材料进行用量的调配，水胶比以0.35进行控制，但砂率不宜过大，因砂率越大，其流动性增大，但当砂率超过一定范围时，其流动性反而下降，且砂具有良好的保水性。

（2）现场实施时，需严格控制初始喷射的厚度，应控制在500 mm左右。喷射束与被喷面垂线尽量保持垂直，可减少回弹损失。喷射嘴与被喷射面的最佳距离为0.8～1.2 m，当喷射压力值出现波动时，间距可适当调整。

4结语

本文以崇爱高速公路观音山隧道为项目依托，分析了引起喷射混凝土回弹的因素，得出了观音山隧道喷射混凝土的回弹损失主要由混凝土配合比以及喷射工艺导致，并通过现场试验验证其最佳配合比为水泥∶细集料∶粗集料∶水∶外加剂∶速凝剂=489∶738∶902∶171∶7.82∶34.2=1∶1.51∶1.84∶0.35∶0.016∶0.070；针对施工工艺上的主要影响因素喷射厚度、喷射角度、喷射距离等进行试验分析，取得最佳施工参数，即喷射的最佳厚度为500 mm，最佳角度为90°，喷头与受喷面的最佳距离为0.8～1.2 m，当喷射压力值出现波动时，间距可适当调整。通过严格把控喷射时相关参数指标将有利于控制其回弹行为，为更好地建成观音山隧道提供坚实基础，也为今后类似工程提供借鉴。

参考文献

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［2］张杰，蔡维山，陈诚，等.基于正交试验的固液耦合相似材料研究［J］.水利水电技术，2020，51（5）：174-182.

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［4］JGJ55-2011，普通混凝土配合比设计规程［S］.

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［9］MARKUS P，WOLFGANG K. Rheology and rebound behaviour ofdry-mix shotcrete［J］. Cement and concrete research，2001，31（11）：1 619-1 625.

作者简介：张清帅（1995—），助理工程师，主要从事桥隧施工管理工作。