武广客专隧道喷射混凝土施工技术总结

武广客运专线隧道初期支护设计采用喷射混凝土、锚杆、钢筋网及钢拱架的联合支护形式, 喷射混凝土采用湿喷工艺。强度、厚度、平整度等是喷射混凝土重要的质量控制指标, 其中, 喷射混凝土强度影响因素多, 强度值波动大, 是质量控制的难点。在武广客专隧道施工过程中, 我们针对影响喷射混凝土强度的诸多因素, 系统的进行研究和探讨, 较好地解决了喷射混凝土强度不易控制、离散性大的问题。

1 喷射混凝土工艺原理及质量控制要点

在喷射机中, 按一定配合比拌和好的混凝土在压缩空气的作用下, 形成悬浮状稀薄流, 于喷嘴处掺入速凝剂后以高速高压喷出, 短时间内在围岩面形成凝固的混凝土层, 与锚杆、钢筋网、钢拱架组成联合支护形式。喷射混凝土具有不用模板、施工速度快、强度增长快、密度性较好、施工准备简单、适应性强、能够贴岩面等特点, 但也有施工厚度不易掌握、回弹量较大、表面粗糙、强度波动较大、劳动条件较差等特点。其质量控制要点有:

喷射混凝土质量要点有强度、厚度和平整度等, 施工过程中超挖及铺设单层或双层钢筋网对喷射混凝土施工质量也有较大影响。对喷射混凝土强度产生影响的主要有原材料质量、速凝剂掺量、喷射距离、喷射角度和喷射速度等因素, 施工操作工艺是决定喷射混凝土厚度、平整度能否达到验标和指南要求的决定性因素。

2 施工工艺控制

武广客运专线隧道喷射混凝土施工中, 我们针对影响质量的主要因素采取措施, 进行工艺控制, 使施工质量稳步提升, 主要做法有以下几点。

2.1 强度

2.1.1 源头控制—严把原材料质量关

喷射混凝土所用原材料中, 砂和碎石等地材因产地和生产工艺的不稳定性, 质量波动较大, 需按照验标的检测频率要求, 严格控制其颗粒级配、含泥量及泥块含量、针片状含量 (粗骨料) 、细度模数 (细骨料) 等指标。对含泥量及泥块含量超标的粗、细骨料, 增配清洗设备进行清洗, 对合格骨料采取覆盖措施, 杜绝二次污染。

2.1.2 速凝剂掺量

使用速凝剂的主要目的是使喷射混凝土速凝快硬, 减少回弹损失, 防止喷射混凝土因重力作用所引起的脱落, 提高它在潮湿或含水岩层中使用的适应性能。

2.2 速凝剂作用原理及其喷射混凝土后期强度的影响

(1) 速凝剂在水泥凝结硬化过程中的作用。在水泥中掺入博特速凝剂, 遇水混合后立即水化, 速凝剂的反应物NaOH与水泥中的石膏 (CaSO4) 生成Na2SO4, 使石膏失去缓凝作用。由于溶液中石膏的浓度降低, C3A迅速进入溶液, 析出水化物, 导致水泥浆迅速凝固, 水泥石形成疏松的铝酸盐结构。

(2) 速凝剂对喷射混凝土后期强度的影响。因为先期疏松的铝酸盐水化物结构形成, 以后虽有C3S和C2S水化物填充加固, 但已使硅酸盐颗粒分离, 妨碍硅酸盐水化物在单位面积达到最大附着和凝聚所必需的紧密接触, 从而使得掺速凝剂的喷射混凝土后期强度偏低。据有关资料显示, 与不掺者相比, 后期强度损失达20%~30%。

2.3 速凝剂参量控制

武广客运专线隧道喷射混凝土施工中采用成都岩锋TK500型湿喷机, 该机利用刻度装置控制速凝剂掺量。但施工实践证明, 其速凝剂计量误差较大, 单纯依靠其刻度装置并不能将速凝剂掺量 (水泥用量3.7%) 控制在验标要求的误差范围之内, 经试验, 其变动范围可达2%~8%, 从而严重影响喷射混凝土后期强度的增长。

施工中我们采取定期复核的措施, 确保速凝剂计量准确:每次喷射混凝土开盘前首先准确计量1立方混凝土拌和料, 记录加入喷射机中的速凝剂质量G;按喷射混凝土机说明书要求设定速凝剂计量刻度;喷射完1立方混凝土拌和料后称量喷混凝土中剩余速凝剂质量g;则 (G-g) 即为喷射1立方混凝土拌和料速凝剂实际用量。据此对湿喷机刻度做适当调整后, 方可开始正式湿喷作业。每个作业循环结束后, 可根据速凝剂总用量和混凝土拌和站记录的喷混凝土数量计算出此作业循环单位混凝土速凝剂用量, 作为下次作业调整刻度依据。

影响喷射混凝土回弹量的主要原因——喷射距离、速度和角度。

喷射混凝土作业中, 首先施喷的混凝土层是依靠后喷物料的喷射撞击力进行挤密和捣实的。施喷距离和速度过小, 则不能产生足够的挤密和捣实作用;施喷距离和速度过大, 则使得回弹量相应增大。当喷嘴和岩面斜交, 喷射物料与岩面接触时, 受到围岩相反方向的反力影响, 产生斜向反弹, 不能充分发挥后喷物料的挤密和捣实作用。也使得会弹量增大。所以喷射距离、喷射速度和喷射角度是影响混凝土会弹量的主要因素, 从而对混凝土质量产生影响。

在供料连续的情况下, 设定空压机供风压力为0.7Mpa, 考虑风压损失, 喷湿机实际工作风压为0.4~0.6Mpa。经测算, 此时喷射速度约为17m/s, 最佳喷射距离为1.0m~1.5m。为保证操作过程中准确执行上述工艺参数, 施工过程中主要采取了如下控制措施:

喷射速度主要取决于稳定的风量和风压, 所以, 按照相关的机械设备管理制度, 对空压机进行定期的检修和维修, 处于良好的工作状态是确保风量和风压稳定的重要先决条件。另外, 料斗中应始终保持不少于3/4的喷射料, 这样既可以保持湿喷机供料均匀, 又可以使速凝剂掺量相对稳定。

为减少回弹量, 应尽量采取垂直喷射。限于施工作业条件, 在不能垂直喷射的条件下, 要尽量减小喷射角度。施喷距离应为1.0m~1.5m, 因湿喷料回弹浆料较多, 且其中掺加的速凝剂对人体具有一定的腐蚀性, 所以, 要切实做好劳动防护:操作工人应戴防层口罩、护目镜, 穿劳动防护服。同时, 应加强隧道内通风, 创造较好的工作环境。

2.4 喷层厚度控制

喷混凝土作业中, 施工操作人员为追求较快的施工速度, 容易产生一次喷层过厚的质量通病, 从而导致喷层成片掉落及喷混凝土强度等指标不能保证等质量问题。前期施工质量检查发现, 实际施喷分层厚度达50~150mm, 喷层厚度控制偏差较大。对控制分层厚度, 施工中采取了如下措施。

在围岩横断面上成环设置喷混凝土厚度标志钢筋头, 在钢筋头上按《客运专线铁路隧道工程施工技术指南》 (铁建设[2005]160号) 要求, 按拱部50mm~60mm, 边墙70~100mm的分层厚度涂画标志, 相邻2环间纵向拉细钢丝, 标志分层厚度。喷射作业时每层厚度均不能超过该层纵向标志线, 喷射完毕后喷层表面不能低于最外层标志线。喷层厚度标志线的设置, 为操作人员和质检人员提供了较为直观的依据, 取得了较好的效果。

2.5 喷射混凝土平整度控制

喷射混凝土表面平整度控制直接关系到防水板铺设质量, 对初期支护和二次衬砌组成的支护体系的应力集中程度也有较大程度的影响。《客运专线铁路隧道工程施工质量验收暂行标准》 (铁建设[2005]160号) 对喷射混凝土平整度提出了2个阶段的检查要求:

(1) 初期支护完成后, 要求初支喷射混凝土表面平整度允许偏差不大于100mm (用自动断面仪或摄影仪等检测) 。

(2) 挂设防水板前, 对喷射混凝土基面平整度的要求是D/L≤1/6 (D为初期支护基层相邻2凸面凹进去的深度, L为初期支护基层相邻2凸面之间的距离) 。隧道施工中, 在Ⅱ、Ⅲ级围岩段局部光面爆破效果不太理想地段, 由于基面的平整度较差, 喷射混凝土表面平整度偏差达50~150mm。为满足验标对初期支护环向 (第1阶段) 和纵向 (第2阶段) 的平整度要求, 施工中要坚持如下质量控制要点:

(1) 喷射作业应分段分片依次进行, 喷射顺序均应先墙后拱, 自上而下, 如岩面凹凸不平时, 应先喷凹处找平, 然后向上喷射。 (2) 喷射路线呈小螺旋形绕圈运动, 绕圈直径30cm左右为宜。后一圈压前一圈的1/3~1/2, 喷射路线呈“S”形运动, 每次“S”形运动长度为3~4m, 喷射纵向第2行时, 要依顺序从第1行的起点处开始, 行与行间须搭接2~3cm, 料束旋转速度要均匀, 不宜太慢或太快。 (3) 严格执行分层厚度规定。 (4) 加入聚丙烯纤维后, 喷混凝土表面较粗糙, 必要时可在喷层表面补喷一薄层砂浆, 以弥补平整不足。

2.6 超挖及钢筋网的影响

在岩层破碎、光爆效果不佳的围岩段, 开挖后岩面可能形成大小、深度不等的凹坑。根据工地实测, 在钢筋网被混凝土覆盖前, 反弹率增加10%以上。同时, 由于凹坑处钢筋网悬空距离大, 喷射中碎石打击钢筋造成钢筋的振动幅度也大, 从而造成钢筋靠岩石一侧与混凝土脱离, 形成盖在钢筋和外层混凝土里的缝隙, 构成有隐患的假性支护。在混凝土堆积厚度较大的凹坑部分, 因急于填补大尺寸凹坑而连续反复喷射时, 尚未具有足够强度的混凝土, 在自身重量和钢筋网反复振动的双重作用下, 成片脱落。施工中采取的工艺控制措施有:

(1) 清理岩石表面, 去除灰尘。 (2) 喷底层混凝土, 同时分层填平凹坑;凹坑越深, 分层次数应越多。喷射后形成较平整均匀连续的曲面。 (3) 打设锚钉, 牢固挂设钢筋网。钢筋网底面与底层混凝土表面应有0.3~0.5cm间隙, 留待下一步喷射时由砂浆填补。 (4) 喷射填补钢筋网孔。钢精背面, 特别是钢筋交叉节点背后, 是容易出现喷补不密实和留下缝隙的部位。喷嘴要略带倾斜在节点上下左右一次连续喷完。 (5) 喷射覆盖全部钢筋网。 (6) 喷外层混凝土。

3 结语

(1) 喷射混凝土是初期支护施作的重要环节, 必须从原材料质量控制和施工造作各环节上加强施工工艺控制, 确保施工质量。 (2) 性能完善的喷射设备是保证喷射混凝土施工质量的基础因素。 (3) 施喷操作人员的技术熟练程度是保证喷射质量的重要因素, 要加强对一线操作人员的技术培训, 使其熟练掌握设备操作技能和环节质量控制要点。 (4) 完善、细致的质量检验是确保施工质量的重要环节, 质检过程中要及时发现问题, 及时研究和解决问题, 促使施工质量不断提升。

摘要：结合武广客运专线隧道初期支护喷射混凝土的实际情况, 重点介绍了喷射混凝土的施工工艺和质量控制要点, 以改进和提高了初期支护质量, 并达到降低成本的目的。

关键词：隧道,喷射混凝土,施工技术