喷射混凝土施工技术在公路隧道施工中的应用研究

杨昕

（核工业华东建设工程集团有限公司，江西南昌 330000）

0 引言

相较于普通公路，高速公路在线路设计上具备更大的复杂性。若在山区修建高速公路，往往需要开凿隧道，更是进一步提升了施工的难度。为了给予隧道结构有效的保护和支撑，可以引入喷射混凝土施工技术。喷射混凝土施工技术适用性强且经济效益较高，有利于提高施工安全性，改善隧道工程施工环境。因此，有必要结合公路隧道施工实际情况对相关技术展开深入研究，建立完善的喷射混凝土施工规范，提高混凝土结构喷射质量。

1 工程概况

某高速公路施工项目位于我国南方地区，其设计方案显示工程中包含一分离式隧道施工项目，左线起讫桩号为ZK49+180—ZK50+305，长度为1.124km，右线起讫桩号为K49+180—K50+325，长度为1.146km，整个施工范围为双向四车道，净高为5m，限宽为10.75m。该隧道项目环境复杂、地质条件多变，对支护施工及其质量控制提出更高要求，因此采用喷射混凝土施工技术进行施工。

2 喷射混凝土施工流程及技术特点

2.1 喷射混凝土施工流程

近年来，随着公路隧道施工项目的发展，更多新技术、新工艺、新设备应用其中，喷射混凝土施工技术作为其中的典型代表，具有速度快、强度高、操作便捷、支护质量高等优势，在公路隧道施工中得到广泛应用。而且，该技术的应用还可以提高整体施工过程的灵活性，可根据现场施工需求分层、分次追加喷射混凝土，有效增加支护厚度。

2.2 喷射混凝土施工技术特点

公路隧道施工中喷射混凝土施工技术主要包括干法喷射与湿法喷射两种类型。干法喷射是将水泥、速凝剂、骨料等按配合比进行配置并拌和均匀，再利用喷射枪将干混合料快速喷射至公路隧道围岩岩面。该工艺操作便捷、流程简单，但混凝土喷射回弹率较大，导致公路隧道施工质量降低。湿法喷射是将水、水泥、骨料等按配合比进行配置并拌和均匀，先将混凝土混合料压送至湿式喷射机喷嘴，再将速凝剂添加在喷头，随后将其喷射至公路隧道围岩岩面。两种技术中，湿法喷射更有利于控制混凝土回弹率及施工质量，因此该工程中选用湿法喷射技术进行混凝土喷射作业。将湿法喷射技术应用于公路隧道施工的优点如下：一是强度、抗渗性、结构密度等参数明显优化，大幅度提升了公路隧道工程围岩结构的整体性；二是利于对混凝土输送、浇筑、振捣等环节进行整合，通常情况下，可节约混凝土施工成本达5%～10%；三是湿法喷射技术速度较快，终凝时间约为10min，2h、8h、16h、24h 喷射混凝土结构强度可达0.25MPa、2MPa、5MPa、8MPa，3d 强度可提升70%以上；四是相较于传统模筑混凝土技术，喷射混凝土在抗压强度、抗渗性能等方面均有显著提升。

3 公路隧道喷射混凝土施工技术要点

3.1 原材料质量控制

3.1.1 拌和用水

拌和用水质量控制是喷射混凝土施工的重要基础。为避免出现喷射混凝土硬化、凝结等情况，应保证将拌和用水的pH 值控制在4 以上，确保硫酸盐含量在1%以内，严禁拌和用水中含有影响水泥凝结的物质，以免对混凝土的浇筑质量及结构稳定性产生不良影响[1]。

3.1.2 水泥

对于公路隧道施工而言，应根据具体的隧道支护工程要求、现场供应条件以及速凝剂适用性等选择合适的水泥品种与规格，尽可能选用抗渗性和强度更高的水泥类型。常用的水泥类型包括普通硅酸盐水泥与矿渣硅酸盐水泥等，考虑到该工程现场地质条件比较复杂，决定选用标号等级不小于42.5 级的早强水泥，并在施工前对水泥材料性能、凝结时间、强度等指标进行抽检，以保证水泥材料质量合格。

3.1.3 骨料

骨料凝结强度直接影响喷射混凝土施工质量。实践表明，选用小粒径骨料能有效增加黏结面积，提高混凝土材料的强度和质量。骨料包括细骨料与粗骨料，一般而言，为提高喷射混凝土结构强度、减少施工粉尘，宜采用细度模数大于2.5、含泥量小于3%、含水率在5%～7%之间的中砂或粗砂作为细骨料，并加强喷射混凝土质量控制，以免产生硬化裂纹，使混凝土具有良好的力学性能[2]。该工程细骨料使用技术要求如表1 所示。

表1 细骨料使用技术要求

为降低混凝土回弹率、提高混凝土支护强度，粗骨料通常为不大于15mm 的卵石或碎石，不仅可以减少喷射机管路磨损，还可以避免管路堵塞。相较于卵石混凝土，碎石强度高、附着力好且回弹率低，但易对设备管路造成一定损伤。粗骨料颗粒级配规定如表2所示。

表2 粗骨料颗粒级配规定

3.1.4 外加剂

外加剂对混凝土性能有着较大影响，喷射混凝土施工中使用的外加剂以速凝剂为主，主要目的是降低混凝土回弹率，保证混凝土可以在短时间内进入凝结期。在使用速凝剂前，需要先开展速凝剂与水的相容性试验，确保混凝土初凝时间不大于5min，终凝时间不大于10min，提升喷射混凝土施工质量。

3.1.5 配合比控制

公路隧道喷射混凝土施工涉及的配合比参数主要包括：第一，含砂率。公路隧道施工中喷射混凝土含砂率通常控制在45%～55%之间。实践表明，若含砂率不大于45%，则混凝土回弹率较高，易造成管路堵塞；若含砂率不小于55%，则喷射混凝土强度不足，难以满足工程施工要求。第二，水灰比。结合公路隧道施工实际情况分析，喷射混凝土水灰比控制在0.40～0.45 之间时，回弹率较小且强度较高。第三，干集料重量比。为控制混凝土回弹率，干集料重量比一般控制在1∶4～1∶4.5之间，水泥量控制在375～400kg/m3之间。第四，速凝剂掺和量。喷射混凝土中速凝剂掺和量应根据现场需求及试验结果进行调整，通常边墙为2%左右，拱部为4%左右。总体而言，速凝剂掺和量应低于4%，若掺和量过多，会抑制喷射混凝土中水分的流动扩散，造成混凝土硬化后气孔数量增加，在后续使用中更易出现裂缝。

3.2 施工设备参数控制

施工设备也是公路隧道工程质量的重要保障。施工过程中，应避免设备出现漏气、漏水等质量问题，确保其混合料生产能力达到3～5m3/h，喷射混凝土最大粒径在25mm 以内，水平方向输送距离不小于100m，垂直方向输送距离不小于30m，喷射混凝土喷头压力在0.15～0.2MPa。该工程使用的是TK-600型湿喷机，在湿喷工艺应用中发挥了重要作用。

4 公路隧道喷射混凝土施工技术应用

4.1 施工准备

在开展公路隧道施工之前，需要做好相应的准备工作。首先，应利用检测设备检查隧道开挖断面，保证与相关规范及施工要求相符。若存在欠挖现象，则应第一时间进行断面处理；若存在超挖现象，则应放置钢筋网片并清理其表面。其次，应检查湿喷机运行状态，保证其各项参数正常。最后，应在现场针对具体的喷射厚度设置相应的控制标志；若存在渗水问题则要采取相应的排水措施；并检查工作平台的稳定性，避免工作平台失稳引发安全事故。

4.2 混凝土搅拌

在进行混凝土搅拌过程中，首先，应做好原材料的质量检测工作，确保其达到施工要求；并基于骨料含水率以及砂细度模数对混凝土配合比进行合理调整。其次，根据相应的配合比完成混凝土生产，保证混凝土坍落度、和易性等指标符合要求。最后，利用运输车辆并采用合理的防护措施将混凝土运至施工现场[3]。

4.3 混凝土技术指标

施工期间应做好对混凝土技术指标的把控。

第一，抗压强度。喷射混凝土1d 龄期、25d 龄期抗压强度分别要求在5MPa、20MPa 以上。

第二，强度等级。根据施工要求选择合适的混凝土强度，不同强度下混凝土的轴心抗压、轴心抗拉设计值如表3 所示。抗拉强度的计算公式为：

表3 喷射混凝土强度设计值 单位：N/mm2

式（1）中：fts表示抗拉强度，MPa；F表示破坏荷载，N；A表示劈裂面面积，mm2；0.85 为换算系数。

第三，喷射混凝土最小黏结强度相关规定如表4所示。

表4 喷射混凝土最小黏结强度

第四，不同强度等级下对应的喷射混凝土弹性模量如表5 所示。

表5 喷射混凝土弹性模量

4.4 混凝土喷射工艺

喷射工艺是公路隧道喷射混凝土施工的核心，施工人员在具体操作中应加强对喷射角度、喷射距离、喷射顺序、喷射方法等方面的把控。第一，喷射角度。在使用湿喷机进行混凝土喷射时，喷头与围岩面的夹角应保持90°，若存在支护设施则可以根据实际情况对其角度进行调整。第二，喷射距离。通常情况下，喷射口与围岩面之间的距离应控制在80～120cm 之间，施工人员控制湿喷机保持水平方向环形作业，旋转半径控制在30cm 左右。为保证混凝土喷射的全面性与均匀性，施工人员还应加强对喷射速度的把控，使混凝土可以和围岩表面良好接触，避免出现掉落的情况。第三，喷射顺序。喷射顺序也是喷射混凝土施工技术实施的关键点，一般而言，应按照“从上到下、先墙后拱”的顺序分片完成施工，以避免重复喷射、漏喷等问题。值得注意的是，考虑到不同工程施工环境的差异性，也可对施工顺序进行适当调整。第四，喷射方法。分层喷射是混凝土喷射工艺中最常见的喷射方法，每层喷射厚度也存在一定差异，例如，边墙为5～7cm，拱部为3～4cm[4]。一般在混凝土终凝3h 后开展开挖作业，以免影响混凝土凝固。施工后还需要进行喷水养护，保证养护时间在5d 以上，若施工环境温度低于5℃，则不适用喷水养护方法。

4.5 喷射混凝土指标检查

为提高喷射混凝土施工水平，还应加强对强度、厚度、密实度、平整度等指标的控制。

第一，强度。湿喷工艺的应用有利于提高混凝土支护结构的整体强度，同时应加强原材料质量控制，以保证混凝土坍落度、和易性等指标符合要求。喷射施工后还应采用合适的养护措施以提高强度，每天洒水养护3～4 次，并开展强度测试。喷射混凝土强度计算公式为：

式（2）中：fcu表示抗压强度，MPa；F表示破坏荷载，N；A表示受力面积，mm2；0.95 为换算系数。

第二，厚度。喷射厚度不足易造成混凝土裂缝、剥落现象，对工程质量造成不利影响。影响混凝土喷射层厚度的因素主要包括爆破效果、回弹率、喷射参数等，施工人员应加大对上述参数的控制力度，并采用钻孔法进行喷层厚度检测，确保检查点60%喷层厚度达到设计值。

第三，密实度。为控制混凝土喷射密实度，施工期间应对围岩支护参数进行调整，清理受喷面表面的灰尘、杂物，使混凝土和受喷面之间良好结合，同时在喷射过程中应加强对风压、喷射角度、喷射速度的控制。

第四，平整度。根据相关规定，边墙两相邻凸面的深度与距离比不大于1/6，拱顶两相邻凸面的深度与距离比不大于1/8。

5 结语

综上所述，喷射混凝土施工技术有利于降低混凝土回弹率，因此在公路隧道工程项目中得到十分广泛的应用。在具体操作中，施工单位应加强对喷射混凝土施工技术的重视，选择更为科学的湿喷工艺，以提高工程质量。加强对喷射角度、喷射顺序、喷射方法等方面的把控，不断优化施工工艺，以推动我国高速公路隧道工程施工水平持续提升。