矿山法隧道喷射混凝土超耗控制技术

李建林 周长林 吴金刚

北京市市政工程设计研究总院有限公司 100082

引言

随着我国社会与经济的飞速发展，我国隧道及地下工程发展迅猛，截止2020 年，我国公路隧道数量达到21316 处，总长度达到2199.9 万米，其中特长隧道1394 处，总长度达到623.6万米［1］。我国已成为世界上隧道建设规模最大、数量最多、速度最快的国家之一。

随着我国公路隧道的大规模建设，也暴露出一些技术问题亟待解决，其中隧道喷混超耗就是典型问题之一［2］。建筑业碳排放量超过全国碳排放量的一半，其中钢材、水泥碳排放占建材生产碳排放的89.2%［3］。钻爆法隧道建设过程中，控制超挖、减少喷混回弹量等对降低项目成本、提高经济和社会效益都有着积极的影响，将是碳中和进程中重要的一个环节［4-9］。

对于隧道超挖控制，巩中江等为减少铁路隧道超挖，通过对周边孔间距、光爆层厚度、炮孔长度、装药量和分段装药结构进行优化，实现了爆破效果满足铁路隧道光面爆破控制的要求［4］。刘义等针对上软下硬的不均匀地质，提出采用机械开挖辅以弱爆破的开挖方式及其他措施来降低隧道超欠挖程度，并提出改进每循环进尺、精准计算炮眼深度、充分利用超前小导管等方式可减小隧道超欠挖［5］。

对于隧道喷混回弹控制，张海波建议降低喷射混凝土超耗主要从控制隧道平均线性超挖、控制喷射混凝土回弹量、加强施工组织管理这3 个方面着手［6］；刘康研究了3 种矿物掺合料和2 种有机高分子材料作为回弹抑制材料对混凝土性能的影响，并验证了其对喷射混凝土回弹抑制的效果［7］；郭永忠采用现场喷射试验手段发现提高砂率有助于降低混凝土的回弹率，同时粉煤灰加入量的提升，需水量也随之逐步提升，回弹率有所下降［8］；宁逢伟等为理清湿喷混凝土回弹率的主要控制因素，从混凝土原材料、配合比、施工工艺三个方面综述了各因素对回弹率的影响，得出掺加掺合料、掺加纤维、提高掺合料细度、降低骨料最大粒径等措施均可降低混凝土在喷射传输过程中的分散性，从而降低回弹率［9］。

在此大背景下，本文基于国道109 新线高速公路工程，开展隧道喷混超耗的试验和研究。

1 工程概况

国道109 新线高速公路工程东起西六环路，向西经门头沟区妙峰山、王平、雁翅、斋堂、清水，出市界接河北省张涿高速公路，路线全长约65.4km。全线设隧道16 处，其中特长隧道4 处、长隧道7处，中短隧5处，累计路线长度34.7km，占比53%。其中黄台隧道左线长3974m，右线长4021m，为特长隧道，全线地质条件主要为强风化～微风化的灰岩。

2 隧道喷混超耗主要影响因素

本文结合黄台隧道实际施工情况，对施工过程中已施工部分区段隧道喷混超耗及喷混回弹等相关数据进行了统计分析，得出隧道总体喷混超耗率平均达到41.4%，喷混回弹率平均达到25.9%。

隧道喷混超耗在隧道施工中主要体现在两个方面，一方面是隧道超挖引起的超耗，另一方面是初支喷射混凝土回弹引起的超耗。喷混超耗直接造成工程投资的增加和资源浪费，非常有必要进行喷混超耗的影响因素和控制措施的研究。

2.1 隧道超挖影响因素

根据隧道实际施工流程，隧道开挖主要包含测量放样、钻眼和装药爆破，每一步操作不当都可能会造成隧道超挖。

隧道开挖掌子面钻眼前，测量人员通过测量放出隧道中线、开挖轮廓线和炮眼等的位置，钻眼作业人员根据测量放样位置钻眼。因此，测量放样准确性对超挖影响较大。

钻眼作业人员根据测量放样钻眼，由于操作空间的局限性，一般钻眼时均需保证一定的外插角，钻杆外插角控制不好就容易造成超挖过大，同时，钻眼长度也直接关系超挖大小。因此，钻眼也是影响超挖的重要因素之一。

装药必须严格按照爆破设计装药结构进行，明确是连续装药、间隔装药还是不耦合装药。实际过程中，经常出现按照经验进行装药，装药超过设计装药量就容易造成超挖。因此，装药也是影响超挖的重要影响因素之一。

综上，测量放样虽影响大但易控制，钻孔角度和装药结构是需重点控制的因素。

2.2 隧道喷混回弹影响因素

隧道开挖完成后，需及时对围岩进行初期支护，初期支护主要由喷混、锚杆、钢筋网及钢拱架组成，根据围岩级别的不同，支护方式会有不同，但喷混是各围岩级别共同的支护材料之一。

隧道喷混超耗除超挖引起外，另一个主要因素是初支喷混回弹造成的超耗。喷混回弹是喷混粒料与围岩、钢拱架、钢筋网或已喷射粒料相碰撞后，喷混粒料从受喷面弹落的现象。喷混回弹与原材料配合比、喷射工艺参数和喷射方案等直接相关。原材料包括骨料、水、水泥、矿物掺合料和速凝剂等；喷射工艺参数包括喷射角度、喷射距离和喷射压力等；喷射方案包括喷射厚度、素喷或挂网喷等。

本文将依据现场实际条件，结合试验，重点研究速凝剂掺量和喷射距离对喷混回弹的影响。

3 隧道超挖控制措施

隧道超挖需从测量放样、钻孔和装药爆破三个方面进行重点控制。

测量放样时，建议采用隧道激光断面仪等仪器准确确定隧道开挖轮廓线和炮孔位置。利用醒目标识标记轮廓线、炮孔的准确孔位，以便钻眼作业人员准确钻眼。同时建议开挖完成后准确测量开挖后的轮廓，为超挖控制提供数据支撑。

钻眼作业人员施钻前，需熟悉炮眼布置图，严格按钻爆设计和测量放样施钻，不得随意更改炮孔的间距和位置。周边眼施钻时，需严格控制凿岩机钻杆角度，以控制超挖量。

装药前，装药工需熟悉各炮孔爆破设计，准确按照爆破设计装药。同时，相关人员需根据爆破后超挖情况，动态调整周边眼等装药结构，以控制爆破引起的超挖。实际工程中，建议施工单位与爆破团队建立有效的沟通管理机制，尽可能控制隧道超挖。

黄台隧道施工单位为了减少超挖引起的喷混超耗，针对隧道开挖环节进行了有效调整和整改，加强了对各环节的管理和控制，通过对开挖各工序进行严格管控之后，隧道超挖得到明显改善。

4 隧道喷混回弹控制措施

4.1 试验方法及材料性能

为了研究低回弹喷射混凝土技术与喷射工艺，解决隧道喷射混凝土回弹率高的难题，本文采用现场称重法研究喷混回弹问题，现场回弹试验如图1 所示。

图1 现场回弹试验Fig.1 Field rebound tests

1.试验方法

结合现场实际情况，选取Ⅲ级围岩区段开展相关试验。试验中将隧道两侧侧墙区域人为划分为1m×1m的分块，每次喷射混凝土用量固定为360kg，喷射完成后清理、称重脱落在地面上的混凝土，并通过计算脱落量占总用量的百分率来确定喷混的回弹率，试验中通过土工布和彩条布叠合的方式作为混凝土收集器。喷混回弹率公式为：

式中：ω 为喷混回弹率（%）；m1为回弹物重量（kg）；m0为喷混总重量（kg）。

2.原材料及施工机械

试验中利用现场湿喷机械手，湿喷机采用混凝土湿喷机CHP30F-A7。喷混采用商品混凝土，每立方用量中，水泥447kg，水170kg，砂798kg，石975kg，减水剂8.9kg，水胶比0.38，砂率45%。

4.2 速凝剂

喷射混凝土配合比是喷混回弹的重要影响因素之一，水胶比、砂率和速凝剂掺量等都对喷混回弹有一定的影响，本文通过试验研究速凝剂掺量对喷混回弹的影响。

为了较为准确确定最优速凝剂掺量，试验中共选取了0%、5%、6%、7%、8%、9%、10%七种工况进行研究，具体回弹试验数据见表1。经统计，各工况喷混回弹率见图2。

表1 不同速凝剂掺量下回弹试验数据Tab.1 The rebound test data under different quick-setting agent dosage

图2 不同速凝剂掺量下回弹率曲线Fig.2 The rebound rate curve under different quick-setting agent dosage

由回弹率统计可知，回弹率与速凝剂掺量密切相关，速凝剂掺量少时，喷混回弹率高，原因是喷混硬化慢，喷射的混凝土不易迅速形成强度，易在后续喷混的冲击下掉落；速凝剂掺量较大时，喷混回弹率也高，原因是喷混硬化过快，喷射混凝土能快速形成强度，后续喷射的粗骨料不易贯入既有喷混面中而导致回弹掉落。

针对不同的速凝剂掺量，分别制作了100mm×100mm×100mm的立方体试块各9 块，分别测验3h、1d及28d的试块抗压强度，见表2。

表2 混凝土试块强度Tab.2 Concrete test block strength

根据相关规范要求，喷混3h 强度不得小于2MPa，1d强度不得小于10MPa，28d强度不得小于25MPa。根据强度试验，0%、5%及6%掺量3h强度不满足要求，0%、5%及6%掺量1d 强度不满足要求，其他均满足强度要求。速凝剂掺量越高，早期强度越高，但28d 强度随速凝剂掺量增大呈减小趋势。

综合考虑喷混回弹率和强度试验结果，本工程中速凝剂掺量建议控制在7%～8%左右，具体工程中需通过试验确定最优掺量，动态调整，满足各项技术指标要求。

4.3 喷射距离

为了分析喷射距离对喷混回弹的影响，试验中选取0.5m、1m、1.5m、2.0m 四种工况进行研究，速凝剂掺量按照8%，具体回弹试验数据见表3。经统计，各工况喷混回弹率见图3。

表3 不同喷射距离下回弹试验数据Tab.3 The rebound test data in different spraying distance

图3 不同喷射距离下回弹率曲线Fig.3 The rebound rate curves in different spraying distances

由回弹率统计可知，喷射距离对回弹率影响较大，喷射距离较小时，喷混受到的撞击力较大，造成回弹也大；喷射距离较大时，喷混易成散状，骨料回弹较大，造成喷混回弹率高。

喷射距离控制在1m 左右可以起到有效控制喷混回弹的效果。

4.4 喷射回弹控制措施

在黄台隧道的后续施工中，根据试验成果有效调整速凝剂掺量和控制喷射距离等，喷混回弹率得到了有效改善，平均回弹率达到17.5%，相比原喷混回弹率25.9%，喷混回弹率降幅达到了32%。

喷射回弹受诸多因素的影响，喷射施工中需不断调整各项喷射参数，包括配合比、喷射工艺参数和喷射方案等。施工单位需加强喷混回弹的管理和控制，制定有效奖惩措施，提高施工人员对喷混超耗控制的积极性。

5 结论与建议

本文通过对隧道喷混超耗开展试验和研究，主要得出如下结论：

1.隧道超挖引起的超耗重点是控制测量放样、钻孔和装药爆破三个程序，其中重点需控制钻杆角度和装药结构。

2.速凝剂掺量对喷混强度和回弹影响较大，采用7%～8%的速凝剂掺量是最优掺量，既可以满足强度要求，也可有效降低回弹。1m 左右的喷射距离是控制回弹较为合适的距离，可有效控制喷混回弹。通过优化速凝剂掺量和喷射距离等关键参数，黄台隧道施工中回弹率由25.9%下降到17.5%，效果明显。

为了有效控制隧道施工过程中喷混超耗问题，建议隧道工程人员加强喷混超耗控制意识，加强相关研究和管理，为绿色、低碳、高质量工程贡献力量。