漫談礦山法隧道技術第二講——噴混凝土

關寶樹

(西南交通大學， 四川 成都　610031)

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漫談礦山法隧道技術第二講——噴混凝土

關寶樹

(西南交通大學， 四川 成都610031)

摘要：闡述了各國對噴混凝土初期強度的要求和日本的相關研究，強調在今后的隧道施工中，必須強化對噴混凝土初期強度的測試，積累有關初期強度的數據，摸清楚初期強度與變形控制的規律。噴混凝土最佳配比是確保噴混凝土質量的關鍵，介紹日本建議的確定噴混凝土最佳配比的試驗施工流程，提出應建立噴混凝土生產線。比較詳細地介紹了國外，尤其是日本對噴混凝土機械的研制及應用情況(包括： 分離式噴射系統，一體式噴射系統，長臂噴射機，雙噴嘴噴射機等)，認為提高噴混凝土施工機械化水平，實現快速及時噴混凝土，對保證施工安全有重要作用，是保證噴混凝土質量的關鍵之一。列舉了各國應用纖維噴混凝土的現狀，認為合適的纖維補強材料可以取代金屬網，應當嘗試，以簡化作業程序、提高噴混凝土速度和質量。介紹了日本青函隧道對噴混凝土的耐久性進行的長達40年的調查情況，認為青函隧道的噴混凝土保持了長期的耐久性。最后強調，強化對噴混凝土技術的研究和機械的開發，是目前急需解決的重要任務之一；如何確保噴混凝土的初期強度，如何建立噴混凝土生產線，是今后在施工中應予以關注的問題，這2個問題不解決，就不能確保噴混凝土在初期支護中發揮其應有的功能。

關鍵詞：隧道； 礦山法； 噴混凝土； 初期強度； 配比； 機械化； 纖維噴混凝土； 耐久性

0引言

噴混凝土是我們接觸最多的技術，也是發生問題最多的技術。在隧道及地下工程中，可以不打錨桿，不設鋼架，但是不能沒有噴混凝土。因此，解決噴混凝土技術中存在的問題，如： 如何確保噴混凝土的初期強度、如何提高噴混凝土的品質、如何建立噴混凝土生產線等問題，也是當務之急。這就是本講的主題。

噴混凝土作為初期支護構件是最基本的構件，具有支護的優異特性。其最大特點是能夠形成與開挖面密貼的結構層，開挖過后能夠立即施設，若采用噴射機械手，也能夠在開挖過后作業人員不進入無支護地段安全地進行施工。此外，也不必像鋼架那樣預先按照隧道斷面加工，能夠不考慮斷面形狀進行施工，是一種自由度高、富有機動性的支護構件。

作為初期支護，噴混凝土需要解決的問題是： 1)如何確保噴混凝土的初期強度(3 h、24 h)滿足初期支護的要求； 2)如何提高噴射質量(如噴射時間的控制、決定配比的計量核查等)； 3)如何進一步提高噴混凝土施工的機械化程度； 4)纖維噴混凝土的推廣應用等。

1噴混凝土的初期強度

目前噴混凝土的強度，廣泛采用28 d的抗壓強度25 MPa，即C25的噴混凝土；在大斷面隧道中，采用C30的噴混凝土。在日本基本上采用設計基準強度為18 MPa的噴混凝土，在大斷面隧道和軟弱圍巖中采用36 MPa的噴混凝土；其他國家也多采用25～30 MPa的噴混凝土，很少采用更高標號的噴混凝土。但對噴混凝土來說，重要的是初期強度，即3 h或24 h的強度。而在有的場合，更強調1 h的初期強度。

在圍巖開挖后的初期，變形發展最快，為了控制初期變形的發展，要求噴混凝土具有一定的初期強度，以便在圍巖變形的初期，能夠把圍巖變形控制在容許范圍之內。這是噴混凝土最突出的力學特性。從噴混凝土的技術發展出發，噴混凝土的初期強度從過去的24 h達到5 MPa，逐步提高到10 MPa，更有甚者，也出現了3 h的初期強度達到10 MPa的工程事例。例如，日本對普通噴混凝土和高剛性噴混凝土進行的抗壓強度研究[2]，結果如圖1和圖2所示。

由圖1和圖2可以看出，高剛性低齡噴混凝土的峰值強度動態，材齡3 h的強度約為14 MPa，材齡1 d的強度約為24 MPa，不僅有較大的抗壓強度,而且沒有產生脆性破壞現象，具有很高的韌性。

在隧道斷面大、作用荷載也大的場合和圍巖條件差、對應荷載也大的場合，若能采用高強度噴混凝土，就能以較薄的噴混凝土厚度予以應對。因此，在大斷面及軟弱圍巖隧道中，可以采用高強度噴混凝土。

圖1　單軸抗壓強度和材齡的關系

圖2　彈性系數和材齡的關系

在噴混凝土施工中，如何確保初期強度的形成以及如何建立檢驗初期強度的方法，仍是急需解決的關鍵問題之一，在《隧道及地下工程噴混凝土支護技術》[1]一書中對此有比較詳細的介紹。

從公開發表的文獻來看，很少有噴混凝土初期強度的測試數據以及初期強度與變形控制相關關系的情報。因此，在今后的隧道施工中，必須強化對噴混凝土初期強度的測試，積累有關初期強度的數據，摸清楚初期強度與變形控制的規律。

2噴混凝土配比

噴混凝土最佳配比是確保噴混凝土質量的關鍵，必須大力提高噴混凝土的品質。為了確定噴混凝土的最佳配比，只能通過現場的試驗施工確定，其次須采用噴混凝土生產線予以實施。試驗施工是確定最佳施工方法的關鍵步驟，日本建議的確定最佳配比混凝土的試驗施工流程如圖3所示。

一般情況下，試驗施工分為2步，首先進行試驗拌合，確定要求的塌落度；而后按確定的塌落度，通過回彈試驗和強度試驗，確定最佳水灰比W/C和最佳細骨料率s/a，同時進行試驗噴射，確定現場采用的最佳配比。

從國外的文獻看，噴混凝土的制備基本上與普通商品混凝土一樣，是由噴混凝土生產線集中供應的。而我們在施工中建立了各種各樣的生產線，就是沒有噴混凝土的生產線，這不是技術問題，而是管理問題。我們既然能夠建立混凝土的生產線，也就能建立噴混凝土的生產線。噴混凝土生產線應由混凝土制備、運送及噴射一系列作業的施工機械、計量設置、添加裝置等構成。

圖3　試驗施工流程

Fig. 3Flowchart of trials to determine the optimum shotcrete mixing ratio

3提高噴混凝土施工機械化水平

目前，在噴混凝土方面，從國外噴混凝土施工技術的發展來看，其機械化水平較高，這可能與爆破后快速、及時噴混凝土對保證施工安全具有重要作用有關。

噴混凝土施工系統有2類： 一類是噴射機、噴射機械手等單獨使用的分離式噴射系統(見圖4)；另一類是在自行式臺車上搭載噴射機械手、噴射機、速凝劑供給機、空氣壓縮機等施工所需機器的一體式噴射系統(見圖5)。

圖4　分離式噴射設備的構成

圖5　一體式噴射設備的構成

不論是分離式還是一體式，其主要構成都是噴射機和噴射機械手，配套設備還包括混凝土自動攪拌車、空壓機、速凝劑供給裝置、鋼纖維分散裝置等。

目前，國內大多采用小容量的噴射機，人工操作進行噴射，偶爾采用噴射機械手進行噴射，與國外的差距較大。

實用的噴射機種類有很多，但性能差異很大，因此，在選定使用機械時，要參考既有工程實踐，并事先進行噴射試驗確認能夠獲得所要求的噴混凝土品質。在材料壓送和噴射時，由于采用壓縮空氣，若材料堵塞會造成壓力暫時升高，因此，機械的各部分和管路安裝部位等都要有足夠的強度。若噴射機不具備均勻、連續壓送材料的性能，會使作業效率降低。

在大斷面隧道，為滿足快速施工，縮短施工循環時間，日本開發了重視早期強度形成的干噴、大容量、低粉塵的新型噴射系統SF-2(噴射機AL-285+機械手AL-306)(見圖6)。

(a)

(b)

該系統的特點如下： 1)由于采用2臺噴射機，能夠進行大容量(20～24 m3/h)噴射，噴射時間比過去縮短一半；2)2臺噴射機設置在臺車中央側部，荷載平衡改善了走行性，而且縮短了材料管的長度(比過去縮短一半)；3)噴射機械手具有升降機構，也能夠適應超短臺階的噴射；4)由于采用低粉塵干噴工法，因W/C小，早期強度形成快，特別是大量涌水時也能用噴混凝土突破。

為了提高山嶺隧道施工的安全性，降低隧道開挖時掌子面的風險非常重要，特別是在軟弱圍巖的情況下。為了降低這樣的風險，抑制開挖后的圍巖松弛，盡早促使掌子面穩定，開發了比過去噴射機臂長1.4倍的長臂噴射機，目前已在現場實際應用。

一般情況下，如果能夠在開挖后、出碴前進行噴混凝土作業，就能夠抑制掌子面前方松弛區域的擴大；但是，普通噴射機的臂長較短，受到噴射范圍的制約，必須在出碴后才能進行噴射作業。因此，為了能夠在碴堆存在的情況下進行噴射作業(見圖7)，在噴射的同時，還可以進行出碴作業(見圖8)，研發了長臂噴射機。長臂噴射機的規格如表1所示。

圖7　抑制松弛區域的擴大

圖8　出碴與噴射平行作業示意圖

項目規格全體型式CJM2200E-V全長/mm18280全寬/mm3000全高/mm4000總質量/t26混凝土泵型式SP-25理論吐出量6～22m3/h(50Hz)理論吐出壓/MPa2.6質量/kg1950臂型式CL-2-L最大水平噴射范圍高11700mm、寬17100mm(噴嘴水平時)品質前端動作范圍高10600mm、寬14100mm(噴嘴水平時)質量/kg5000速凝劑供給裝置型式PAC-400V輸送能力/(kg/min)4～22壓送能力/MPa0.1～0.5質量/kg1000空壓機輸送混凝土用吐出空氣量124m3/min(50Hz),14.0m3/h(60Hz)吐出空氣壓/MPa0.7電動機輸出/kW90輸送速凝劑用吐出空氣量6.1m3/min(50H/60Hz)吐出空氣壓/MPa0.7電動機輸出/kW37

長臂噴射機與普通噴射機的比較如圖9所示，其噴射范圍達寬17.1 m、高13.1 m，圖10為其伸展最長的狀態，圖11為試驗施工的概貌。該噴射機由日本古河會社和清水會社共同開發。

無論是長臂的還是普通的都搭載了吐出量在20 m3/h以上的高能力噴射機。即使水灰比小、黏性高的混凝土，只要給予適當的和易性，就能進行穩定的噴射作業。噴射機械手，對應上半斷面臺階法和超短臺階的全斷面法等開挖方法，包括掌子面正面和仰拱前方及向下方的范圍內都能噴射。這樣，實用的噴射機械，就要具備以快速施工的大容量噴射和高質量化為目的的有效的噴射混凝土的能力。

通常為保證操作員的安全和衛生環境，可通過遙控進行遠距離噴射。為了確保噴混凝土的質量，噴射機都配備有以下裝置。

1)速凝劑供給機。能夠連續添加速凝劑，并裝備有一次噴射混凝土施工所需要的容量的罐體。

2)細骨料表面水調整機。進行細骨料表面水率的管理，是制造良好混凝土的重要裝置之一。

3)鋼纖維分散供給機。是一個自動分散、供給鋼纖維的機械。

4)粉塵降低劑添加機。是添加粉塵降低劑的裝置，粉塵降低劑多數是粉體狀。

這些附屬裝置對保證噴混凝土的質量和特性具有十分重要的作用，應與開發噴射機和噴射機械手同等重視。

(a) 普通噴射機

(b) 長臂噴射機

圖10　長臂噴射機外貌

利用噴混凝土的初期強度，控制開挖后圍巖的初期變形和可能出現的掉塊擠出等，需要時間來保證。噴混凝土的初期強度通常指噴射后3 h或1 d的強度，因此，噴射作業必須在該時間內完成，這也是強調采用大容量噴射機或噴射機械手進行噴射作業的原因。為此，日本在一些大斷面隧道中，為了縮短噴射作業時間，開發了帶有舉重臂的雙噴嘴噴射機，其噴射能力是普通噴射機的2倍，使快速施工、早期防止崩落和迅速補強成為可能。

(a) 洞口噴射狀況

(b) 從堆積碴堆后方噴射狀況

雙噴嘴噴射機，裝備了2臺機械手和混凝土泵，并帶有架設鋼支撐的舉重臂(見圖12)。采用這種噴射機進行噴射作業時間比原來節省一半，也不需要噴射和架設鋼支撐作業機械的轉換，大幅縮短了作業循環時間。這種機械有輪胎式和履帶式，可以應對多種圍巖狀況。目前已在幾座隧道中應用，取得了縮短循環時間、軟弱圍巖早期穩定的成果。

(a)

(b)

(c)

(d)

由此可見，提高噴混凝土施工機械化水平，是保證噴混凝土質量的關鍵之一。

4纖維噴混凝土的推廣應用

國際隧道和地下空間協會(ITA)第12工作組在總結各國噴混凝土應用的基礎上提出的報告[4]，特別強調纖維噴混凝土的應用，其中列舉了各國應用纖維噴混凝土的現狀。

1)在澳大利亞，過去4年使用結構合成纖維與鋼纖維和金屬網相比，增長極為迅速。特別是高性能結構合成纖維的出現，已被證明在典型的礦山巷道中是補強噴混凝土的一種有效形式，已被采礦業逐漸接受，并在悉尼M5東隧道被作為永久支護。

2)在巴西，最近纖維噴混凝土已被廣泛應用。幾年前，金屬網幾乎是唯一的補強構件，但在最近的5個水電站計劃中，用鋼纖維補強的濕噴混凝土正在4個工程(隧道跨度15～17 m)中應用，只有1個工程(隧道跨度3 m)采用了金屬網。

3)比利時強調，傳統的金屬網在設置等方面需要很多時間。數據顯示，安裝金屬網比噴混凝土至少要增加3倍的時間。由于在噴混凝土襯砌內位置的不斷變化，不能確實其具有均勻的抗拉強度。

4)在加拿大，采礦業接受鋼纖維噴混凝土支護作為礦山支護的比例迅速增長。一個很好的例證就是這項技術使無錨桿噴混凝土支護的使用也在增長(采用的噴混凝土厚度一般為60～100 mm)。

5)在意大利，約30 %的噴混凝土含有纖維補強材料(在2000年的115 000 m3噴混凝土中)。他們認為含有纖維補強材料的噴混凝土有以下幾個優點： ①比焊接金屬網省力；②回彈少；③可減小噴混凝土的厚度。

6)日本每年約生產2 100 000 m3的噴混凝土，其中大約有2.4%(50 000 m3)纖維噴混凝土。

7)自1995年以來，韓國在公路隧道的支護設計中，也改變為采用機械手噴射鋼纖維濕噴混凝土。萊索托也開始鋼纖維的使用。

8)挪威從20世紀30年代初以來就采用纖維噴混凝土。實際上是排除了各種金屬網噴混凝土支護。大多數隧道采用高品質的機械手噴射鋼纖維混凝土和防腐蝕錨桿。不采用模筑混凝土襯砌，除非巖石條件異常惡劣，局部用混凝土促使擠壓性或膨脹性圍巖穩定。

9)南非在深部礦山中采用噴混凝土。而在那些遇到高荷載和巖爆的場合開始研究采用纖維噴混凝土，從1994年開始并持續了5年以上。在加入鋼纖維和合成纖維情況下的靜載和動載的廣泛測試中表現良好，在反復動態加載下噴混凝土支護應與金屬網并用。

10)瑞典和瑞士的工程實踐也證實了采用噴混凝土機械手時，在噴混凝土中(沒有金屬網)混合纖維的安全性。支護施作時間約減少30%。

11)土耳其在13 m直徑的波魯公路隧道中采用了金屬網和鋼纖維的噴混凝土支護。

上述事例充分說明，用纖維代替金屬網是可行且有效的方法。纖維補強與正常的金屬網(通常為5～7 kg/m2、100～150 mm的網格)相比，具有巨大的優勢，尤其是采用濕噴法時。它有可能超越金屬網失效能量和實際承載能力，同時，可以避免不密實、腐蝕、安裝困難和耗時等問題。由于纖維補強的優勢，其應用越來越廣泛，但仍然有許多國家采用金屬網補強。研究及實際應用表明，合適的纖維補強材料可以取代普通的焊接金屬網。纖維噴混凝土將是今后初期支護采用的主要構件之一，我們應該嘗試用纖維代替金屬網，以簡化作業程序，提高噴混凝土噴射速度和質量。

5噴混凝土耐久性的評價

在評價隧道健全性時，作為初期支護的噴混凝土的長期耐久性和襯砌的長期耐久性是非常重要的。因此，日本青函隧道對噴混凝土的耐久性進行了長達40年的調查[5]。

噴混凝土試件采自于作業坑道(11處)、襯砌空洞(11處)，平均每2～3年采取1次。試驗包括抗壓強度試驗(抗壓強度、靜彈性系數)、超聲波速度試驗、單位體積重量測定、化學試驗(炭化深度、x線回折試驗、pH測定)等，試驗結果如下。

5.1物理試驗結果

5.1.1抗壓強度試驗

抗壓強度試驗獲得了材齡3～44 a的198個試件的結果。抗壓強度歷年變化見圖13—15。根據4個坑道的全部試件的歷年變化，抗壓強度變化在10～50 MPa，可以認為抗壓強度沒有降低的傾向。青函隧道采用的噴混凝土保持了長期的耐久性。

圖13抗壓強度的歷年變化

Fig. 13Time-dependent variation of compressive strength

圖14　抗壓強度的歷年變化(吉岡)

圖15　抗壓強度的歷年變化(龜飛)

圖14是吉岡超前導坑的抗壓強度歷年變化，變化在15～50 MPa。圖15表示龜飛作業坑道的歷年變化，抗壓強度雖然有離散，但其范圍在15～40 MPa，平均值是25 MPa。從總的趨勢看，以后的變化會“維持恒定”，或“微增”。

抗壓強度與靜彈性系數的關系見圖16。靜彈性系數在(0.4～4)×104MPa的，雖然有些離散，但隨抗壓強度的增加，靜彈性系數也隨之增加，兩者是相關的。

5.1.2超聲波速度試驗、單位體積重量測定

圖17表示抗壓強度和P波速度的關系。P波速度在3～5 km/s，隨抗壓強度的增加，P波速度也隨之增加，有一定的相關性。

圖18表示抗壓強度和單位體積重量的關系。單位體積重量在20～23 kN/m3,與P波速度同樣隨抗壓強度的增加，單位體積重量也有增加的傾向。

5.2化學試驗結果

以炭化深度試驗為例，各坑道的炭化深度及平均值見表2。

炭化深度和抗壓強度的關系見圖19。龜飛的作業坑道，特別是在炭化深度大的地點，抗壓強度有低的傾向，今后應繼續調查其間的關系。

圖16抗壓強度和靜彈性系數的關系

Fig. 16Compressive strength Vs static elastic modulus

圖17　抗壓強度和P波速度的關系

圖18　抗壓強度和單位體積重量的關系

劃分吉岡超前導坑作業坑道龜飛超前導坑作業坑道炭化深度的范圍/mm0.8～43.0平均9.50.0～17.0平均7.93.0～53.3平均15.34.0～48.6平均17.7

圖19　抗壓強度和炭化深度的關系(龜飛)

6結束語

實際上，我國的噴混凝土技術也是從40年前修建成昆線時在隧道中開始采用的，與日本同時起步，但沒有進行后續工作。

目前采用的噴混凝土，無論從材料、配比、噴射機械、噴射方法都與40年前相比有很大的改善，毋庸置疑，強化對噴混凝土技術的研究和機械的開發，是目前急需解決的重要任務之一。

本講重點說明2個問題： 一是如何確保噴混凝土的初期強度，二是如何建立噴混凝土生產線。也就是希望今后在施工中予以關注的問題，這2個問題不解決，就不能確保噴混凝土在初期支護中發揮其應有的功能。

參考文獻(References)：

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[5]芳賀康司.青函トンネルにおける吹付けコンクリ—トの性狀および長期耐久性の評價[C]//トンネル工學報告集.日本： 日本土木學會，2013.

Tunneling by Mining Method: Lecture II: Shotcreting

GUAN Baoshu

(SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,Sichuan,China)

Abstract:The requirements on the initial strength of shotcrete in different countries, as well as related studies made in Japan, are presented. It is emphasized that the measurement of the initial strength of shotcrete must be strengthened in tunnel construction so as to accumulate data on the initial strength of shotcrete and acquire the correlation between the initial strength of shotcrete and the control of the deformation. It is stated that the optimum mixing ratio of shotcrete is the key to ensuring the quality of shotcreting. The flowchart of the trial to determine the optimum mixing ratio of shotcrete proposed in Japan is presented, and it is proposed that shotcreting production line should be established. The development and application of shotcreting machines (including separated shotcreting system, integrated shotcreting system, long-boom shotcreting machine, and shotcreting machine with double nozzles) in foreign countries, especially in Japan, are presented in detail. It is believed that improving the mechanization level of shotcreting operation and performing rapid and timely shotcreting are very important for the tunneling safety and the shotcreting quality. The state-of-art of fiber-reinforced shotcreting in different countries is presented. It is believed that proper reinforcing materials can replace the wiremesh and that fiber-reinforced shotcreting should be tried so as to simplify the shotcreting procedure and improve the speed and quality of shotcreting. The results of the 40-year investigations made on the durability of the shotcrete of Seikan tunnel in Japan are presented and conclusion is drawn that the shotcrete of Seikan tunnel has good long-term durability. Finally, it is emphasized that study on the shotcreting technology and development of shotcreting equipment are the main present tasks and how to ensure the initial strength of the shotcrete and how to establish the shotcreting production line are the main topics in the future.

Keywords:tunneling; mining method; shotcreting; initial strength; mixing ratio; mechanization; fiber-reinforced shotcrete; durability

中圖分類號：U 45

文獻標志碼：A

文章編號：1672-741X(2015)12-1235-08

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2015.12.001

作者簡介：關寶樹(1932—)，男，遼寧人，西南交通大學教授，博士生導師，從事隧道及地下工程教學和科研50余年，隧道與地下工程資深專家。

收稿日期：2015-07-02