水利工程喷射混凝土配合比设计与施工工艺试验

陈 刚

（中铁二十二局集团第四工程有限公司，天津 301700）

0 引言

喷射混凝土是指将混凝土的运输、浇筑和振捣工作集为一体的施工方法。其由于操作简单便捷，具有一定的灵活性，已经广泛运用在交通隧道、水工隧道和洞室等地下工程中。现阶段，现场施工一般采用湿喷或者潮喷的施工工艺进行施工，借助转子活塞式湿喷机来对空气进行压缩，物料在管道中进行流动然后传送到喷嘴处，直接进行喷出。转子活塞式湿喷机含有两套输送系统，一套是混凝土输送系统，使用混凝土搅拌机进行搅拌之后输送到喷射机的料斗内，借助喂料系统将物料均匀分配然后输送到气料混合仓内，借助高压风将其进行充分混合，然后到达喷嘴；另一套系统是液体速凝剂添加系统，根据液体速凝剂的添加量来对计量泵的流量进行调整，计量泵泵出的液体与高压风进行均匀混合之后转化为雾化的状态输送到喷嘴混合环中与混凝土进行充分混合，最终从喷嘴喷到施工面上[1]。在施工过程中，为了确保工程质量，需要对混凝土的配比进行科学合理的设计，从而确定最佳的施工参数。

本文结合玛尔挡水电站哈德黑沟排洪洞工程，就喷射混凝土配合比设计与施工工艺试验进行分析。

1 工程概况

玛尔挡水电站坝址位于青海省玛沁县拉加镇上游约5km 的黄河干流上，左岸为果洛州玛沁县，右岸为海南州同德县，距上游规划的宁木特水电站约80km，距下游规划的尔多水电站约33km。西宁~果洛省道（S101）通过坝址右坝肩，距西宁市公路里程约363km，对外交通便利。工程规模为I等大（1）型，枢纽建筑物主要由面板堆石坝、右岸溢洪道、泄洪洞和右岸地下厂房引水发电系统组成。水库正常蓄水位3275m，电站装机容量为2200MW，多年平均发电量72.202亿kW·h。

玛尔挡水电站哈德黑沟排洪洞工程位于坝址区黄河右岸，全长1255.06m，排洪洞断面为城门洞型，断面尺寸为3.0m×3.5m。排洪洞工程施工过程中，隧洞的一次支护采用喷射混凝土的施工技术进行施工，为了保证施工质量，需要合理确定混凝土的配合比和施工参数，并控制好施工中的重点。

2 配合比设计

混凝土的强度为C20，按照实际的混凝土配合比来进行设计，对原材料的性能进行检测，从而选择出最佳的混凝土配合比。混凝土设计指标见表1所示。

表1 混凝土设计指标

2.1 原材料

2.1.1 水泥

配合比试验采用青海祁连山有限公司生产的P·O42.5水泥，水泥物理力学指标检验标准依据《通用硅酸盐水泥》（GB 175-2007），经检验，水泥的各项性能指标均满足标准要求，检验结果见表2所示。

表2 水泥物理力学性能检验结果

2.1.2 细骨料

配合比试验的细骨料为水电三局玛尔挡筛分厂生产，参照《水工混凝土施工规范》（DL/T 5144-2001）对细骨料各性能指标进行检验，检验结果见表3所示。

表3 细骨料检验结果(人工)

2.1.3 粗骨料

配合比试验的粗骨料为水电三局玛尔挡筛分厂生产，参照《水工混凝土施工规范》（DL/T 5144-2001）对粗骨料进行检验，检验结果见表4所示。

表4 粗骨料检验结果（人工）

2.1.4 外加剂

（1）水泥与减水剂适应性及减水剂最优掺量选择试验。

采用水泥净浆流动度方法进行水泥与外加剂适应性及最优掺量试验；JQ-A1 高效减水剂、JQ-A1 高效减水剂按0.8%、0.9%、1.0%、1.1%、1.2%等5个掺量进行试验。JQ-A1高效减水剂与祁连山P·O42.5水泥的适应性试验结果见图1所示。

图1 祁连山水泥与JQ-A1适应性试验结果

由图1可知，随着JQ-A1高效减水剂掺量的增加，水泥净浆流动度有不同幅度的增长，当其掺量达到1.0%时，水泥净浆流动度达到峰值，以后随着掺量的增加水泥净浆流动度反而降低，因此JQ-A1高效减水剂最佳掺为1.0%量。

（2）外加剂性能检测。

对青海省西宁远舰建筑材料有限责任公司生产的JQ-A1高效减水剂，依据《水工混凝土外加剂技术规程》（DL/T 5100-1999）进行检验，检验结果见表5。由表5可知，JQ-A1 高效减水剂所检验的项目指标满足“高效减水剂”标准要求。

表5 减水剂检验结果

（3）速凝剂性能检测。

对北京金盾建筑材料有限公司生产的JD-13 型粉状速凝剂和JD-12液体速凝剂，依据JC 477-2005《喷射混凝土用速凝剂》进行检验，检验结果（见表6所示）表明JD-13型粉状速凝剂和JD-12液体速凝剂相关指标满足标准要求。

表6 速凝剂检验结果

2.2 最优砂率选择试验

进行砂率优选试验,控制用水量与胶凝材料用量不变，检验拌制混凝土拌合物和易性的各项指标，结果见表7所示。

表7 用水量及砂率试拌试验结果

由试验结果可知，控制胶凝材料460kg/m3，用水量198kg/m3时，当砂率为53%时，所试拌的混凝土各项指标较好，确定湿喷混凝土的最优砂率为53%。

2.3 混凝土配合比设计

2.3.1 混凝土配制强度

依据《水工混凝土配合比设计规程》（DL/T 5330-2005），混凝土配制强度按下式计算。

式中：ƒcu，0——混凝土配制强度，MPa；

ƒcu，k——混凝土设计强度，MPa；

t——概率度系数；当设计龄期为28d时，抗压强度保证率P为95%。

σ——混凝土强度标准差，标准差σ值见表8所示。配制强度计算见表9所示。

表8 标准差σ值

表9 混凝土配制强度

依据《水电水利工程喷锚支护施工规范》（DL/T5181-2003）对各类喷射混凝土的水泥、砂石和水的比例进行喷射混凝土的设计和试拌。比例见表10所示。

表10 各类喷射混凝土的水泥、砂石和水的比例

2.3.2 喷射混凝土水灰比与强度的关系

采用祁连山P·O42.5水泥，根据配制强度选择不同水胶比进行混凝土水胶比-强度关系试验。试验编号RSR-01~RSR-02 为干喷混凝土试喷配合比，速凝剂采用北京金盾建筑材料有限公司生产的JD-13 型粉状速凝剂；试验编号RSR-03~RSR-04 为湿喷混凝土试喷配合比，速凝剂采用北京金盾建筑材料有限公司生产的JD-12液体速凝剂和青海省西宁远舰建筑材料有限责任公司生产的JQ-A1高效减水剂，混凝土试喷配合比及其抗压强度试验结果见表11所示。

表11 混凝土拌合物性能与抗压强度试验结果

2.3.3 选定施工配合比

根据所拌制的混凝土性能试验结果，依据设计指标，对施工配合比进行选定，选定结果见表12所示。

表12 施工配合比选定结果

2.4 推荐混凝土施工配合比

综合混凝土性能试验结果，所选定的施工配合比均满足设计要求，根据以往工程混凝土配合比设计的经验，推荐混凝土施工配合比，见表13所示。

表13 黄河玛尔挡水电站哈德黑沟排洪洞混凝土施工配合比

3 试验段混凝土喷射施工

3.1 试验场地布置

在现场的洞口进行试验，试验分干喷射和湿喷射2个方案，每个试验方案所占有的现场施工面积为6m2。由于现场施工的洞室面积较大，为了更好地进行施工试验，需要进行脚手架的搭设，并且铺设跳板。

3.2 施工工艺试验

3.2.1 施工工艺

湿喷法喷射混凝土施工主要包含以下几方面的内容：前期的实验准备工作、混凝土的拌制和运输、混凝土的喷射作业等[2]。喷射混凝土施工工艺流程如图2所示。

图2 混凝土湿喷法施工工艺流程

在喷射混凝土之前需要做好前期准备工作，主要包含混凝土的配合比、材料的准备、技术支持、试验场地的确定和安装喷射混凝土厚度控制标识等工作。

3.2.2 喷射混凝土的拌制和运输

采用型号为HZD80的强制式拌合机来对喷射混凝土进行搅拌。在进行拌合前需要对原材料进行严格的称重，将误差控制在允许范围内。

采用型号为NISSAN的混凝土搅拌运输车来进行喷射混凝土的运输。在运输过程中，需要对喷射混凝土进行搅拌，确保不会出现接团、粘连的现象，运送的距离大约为1km。在现场的施工试验中，需要对各个工序之间的联系进行加强，避免混凝土在运输过程中出现长时间停放的现象。此外，混凝土在进运输过程中需要避免淋雨或者杂物混入，在进行喂料之前需要进行过筛处理，对有可能存在的杂质进行剔除。

3.2.3 混凝土喷射试验

在混凝土进行喷射前，需要采用高压水枪将围岩周围的喷射面进行充分冲洗，并且保持围岩湿润，然后用砂浆将料斗和输料管道进行湿润，喷射机的工作风压控制在0.1~0.2MPa 之间，通过对风压的调节来控制回弹率，减少粉尘的飞扬。喷枪嘴到受喷面之间的距离控制在0.6~1.0m之间，并且尽量将喷枪嘴与受喷面保持90°。在进行喷射作业时一般采用先墙后拱、从下向上的顺序来进行作业，喷头直径为20~25cm圆圈绕动并且按照螺旋形路线的顺序进行施工作业。在喷射凹凸不平的平面时，首先对凹面进行喷射，然后再对其他的部分进行喷射。如果一次的喷射厚度不符合施工要求，则可以进行分层喷射，第一次喷射的厚度为不产生坠落为宜；第二次喷射需要在第一次喷射的混凝土凝结之后再进行，如果两次喷射时间间隔超过1h，则需要对第一次喷涂表面上的杂质进行冲洗，方可进行第二次喷射。由计量泵来进行速凝剂的喷射，使用湿喷机振动筛来进行混凝土的供料，这样可以避免管道的堵塞。在喷层凝结2h后，需要进行喷水养护，在14d内应该确保喷层表面保持湿润的状态。对于喷射工程量大的施工现场，需要设置有专业的人员来进行养护[3]。当外界气温低于5℃时，不得进行喷水，必要时还需要对喷射面采取保温处理。对外表光滑、美观度有要求的洞段，在喷层初凝之后，使用刮刀将多余的部分除去，并且对其表面进行处理。

4 试验段检测分析

4.1 回弹率的测定

回弹率检测方法为，在围岩上划出面积为2m2的试验块，在地上铺设彩条布来收集回弹料，回弹料的重量与喷射料的重量比为回弹率。回弹量试验成果见表14所示。试验结果表明，湿喷射混凝土回弹量降低。

表14 不同方案回弹量试验结果

4.2 一次喷射混凝土厚度试验

混凝土喷射到围岩上之后，受到重力的作用，在混凝土厚度达到一定的厚度时，会出现坍塌现象。为了检验混凝土在围岩上的喷射厚度，需要将测针插入围岩周围。具体试验结果见表15所示。试验结果表明，喷射厚度最高的为湿喷射混凝土。

表15 一次喷射混凝土厚度试验结果

5 喷射混凝土最终的施工参数

经过现场喷射试验和成果检测分析，最终确定施工工艺参数为：

（1）风压：边墙的喷射压力为0.18~0.2MPa；拱起部分的喷射压力为0.15~0.17MPa；

（2）砂浆泵性能：输送能力超过4m3/h；

（3）喷射距离：拱部喷射距离为0.8~1.0m，边墙喷射距离为0.6~0.7m；

（4）喷射角度：喷枪嘴与受喷面呈90°；

（5）一次喷射厚度：控制在90~110mm；

（6）养护：喷层终凝2h后，在外界温度在5℃以上需要喷水养护14d；

（7）混凝土拌合物的坍落度：宜控制在（14±2）cm。

6 结束语

综上所述，在进行喷射混凝土施工时受工程特点、原材料差异、机械设备差异、工程环境差异等因素的影响，不同地区喷射混凝土施工参数存在比较大的差异。为了保证工程施工质量，需要根据工程的具体情况，通过试验确定施工参数。该工程按照上述参数施工后取得了良好的施工效果，值得类似工程借鉴和参考。