降低青龍崮隧道濕噴回彈率方法研究

郝廣偉 申開放 徐幫樹 盧 坤 趙振新 羅 萌 趙亞洲

(1.山東省路橋集團(tuán)有限公司 山東濟(jì)南 250011；2.山東大學(xué)齊魯交通學(xué)院 山東濟(jì)南 250002)

1 前言

噴射混凝土是利用噴射機(jī)械，通過(guò)高壓風(fēng)或泵送方式，將一定比例的水泥、砂子、石子等拌合料噴射至受噴面的過(guò)程，廣泛應(yīng)用于隧道及地下工程的圍巖支護(hù)中，對(duì)圍巖穩(wěn)定起著關(guān)鍵的作用[1-3]。目前，國(guó)內(nèi)噴射混凝土主要有兩種形式，即潮噴和濕噴。潮噴混凝土是將少量水、水泥、石子、砂子和粉狀速凝劑，在拌和站攪拌均勻后，借助干噴機(jī)，在噴頭處加水噴射至圍巖表面。濕噴混凝土是將水泥、砂子、石子和水拌和均勻后，借助濕噴機(jī)，在噴頭處加液體速凝劑噴射至圍巖表面。潮噴混凝土施工效率低(每小時(shí)噴射混凝土5～7 m3)、粉塵大、回彈大、混凝土強(qiáng)度低且離散性大；濕噴混凝土采用濕噴機(jī)組和機(jī)械臂，相對(duì)于潮噴混凝土，施工效率高(每小時(shí)能達(dá)到20～25 m3)、粉塵小、回彈小、混凝土強(qiáng)度高[4-5]。因此，濕噴混凝土的應(yīng)用越來(lái)越多，尤其是在大斷面隧道中。然而，在實(shí)際使用中，濕噴混凝土也存在一系列的問(wèn)題，如易堵管、不易清洗，機(jī)械龐大、操作不便，混凝土與液體速凝劑適應(yīng)性不好、易塌落，混凝土混合比設(shè)計(jì)不合理、水量控制不好、產(chǎn)生大量的回彈，機(jī)械手不易控制等等，致使?jié)駠娀炷恋耐茝V受到一定的限制[6-12]。本文結(jié)合京滬高速青龍崮隧道濕噴混凝土回彈率大的問(wèn)題開展研究，主要包括混凝土配合比、坍落度、液體速凝劑、施工方法和外界條件等，得到影響濕噴回彈率高的幾個(gè)主要因素，并加以改進(jìn)，從而達(dá)到降低回彈率的目的，滿足綠色環(huán)保施工的要求，為濕噴混凝土的推廣提供技術(shù)支撐。

2 工程背景

2.1 工程概況

青龍崮隧道東西線折合單洞總長(zhǎng)3 150 m，其中東線隧道(左線)長(zhǎng)1 570 m，西線(右線)長(zhǎng)1 580 m，位于山東省新泰市龍廷鎮(zhèn)將軍堂村西側(cè)。青龍崮隧道建筑限界:主洞凈寬1＋0.75＋2×3.75＋1.25＋1＝11.5 m；行車道凈高5.0 m；隧道路面橫坡2%；隧道內(nèi)縱坡:最大2.2%、最小2.1%；路面設(shè)計(jì)荷數(shù):高速公路。

該隧道為巖質(zhì)隧道，主要為強(qiáng)-中風(fēng)化頁(yè)巖、灰?guī)r層，巖體破碎、結(jié)構(gòu)面發(fā)育，圍巖等級(jí)為Ⅳ和Ⅴ級(jí)。隧道采用新奧法鉆爆掘進(jìn)，采用“雙向掘進(jìn)，分部開挖，及時(shí)支護(hù)，仰拱緊跟，襯砌完善”的總體施工方案。初期支護(hù)采用鋼格柵、鋼拱架、注漿錨桿、鋼筋網(wǎng)和濕噴混凝土，混凝土采用C25，噴射厚度為24 cm左右。

2.2 回彈率測(cè)定

噴射混凝土回彈率的測(cè)定，選擇隧道東線進(jìn)口段進(jìn)行抽查，回彈率的計(jì)算方法如下:

從開挖情況看，該段掌子面圍巖較差，為強(qiáng)-中風(fēng)化頁(yè)巖及灰?guī)r，巖體破碎，結(jié)構(gòu)面發(fā)育，層間結(jié)合差，呈薄層狀結(jié)構(gòu)，掌子面開挖時(shí)無(wú)法達(dá)到光面爆破效果，超挖較多，對(duì)濕噴混凝土回彈率有一定的影響。抽查結(jié)果是回彈率為31% ～38.1%，平均回彈率約為34%，如表1所示。

2.3 問(wèn)題提出及意義

據(jù)公司類似隧道統(tǒng)計(jì)，隧道濕噴混凝土回彈率在20%左右，該隧道濕噴的回彈率明顯偏高，造成了材料的大量浪費(fèi)。因此，開展降低該隧道濕噴混凝土回彈率的方法研究，主要意義如下:

(1)縮短初期支護(hù)時(shí)間。濕噴混凝土的回彈量大，導(dǎo)致噴射混凝土方量增加，延長(zhǎng)了初期支護(hù)的施工時(shí)間，不利于隧道的施工安全。支護(hù)的施工時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，不利于隧道圍巖的穩(wěn)定。

(2)降本增效。濕噴混凝土的回彈量大，增加了混凝土的用量及相關(guān)的人員、機(jī)械費(fèi)用。

(3)綠色公路。京滬項(xiàng)目為綠色公路示范項(xiàng)目，減少原材料浪費(fèi)符合綠色公路的要求。

3 回彈率影響因素分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況，從人、料、機(jī)、環(huán)、法五個(gè)方面找出主要影響因素，用魚刺圖(見圖1)進(jìn)行原因分析，共找出12條末端因素。

圖1 濕噴回彈率高的影響因素

對(duì)其中幾條主要影響因素進(jìn)行分析研究，主要包括混凝土的配合比、坍落度、液體速凝劑的使用、洞內(nèi)照明效果、施工方法。

3.1 噴射混凝土的配合比設(shè)計(jì)

噴射混凝土的配合比設(shè)計(jì)按照《噴射混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 372-2016)，濕噴混凝土的表觀密度不低于2 300 kg/m3，選擇聚羧酸減水劑，摻量為0.9%。水的摻量為180～220 kg/m3，砂率為45% ～60%。

噴射混凝土的配合比設(shè)計(jì)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件、圍巖表面狀態(tài)、是否有滲水等而不同，對(duì)于C25的濕噴混凝土，水泥含量一般大于450 kg/m3，水泥含量過(guò)少，會(huì)導(dǎo)致混凝土松散、粘結(jié)性差，增大回彈量；水泥含量過(guò)大，造成粉塵量大、且增加施工成本。噴射混凝土的回彈，是由于骨料與受噴面的劇烈碰撞形成的反彈，因此較大顆粒的石子，回彈較多。配合比設(shè)計(jì)時(shí)，可以適當(dāng)降低石子的含量，增大砂率。實(shí)際配比時(shí)，砂率一般在50%以上，砂率過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致噴射混凝土強(qiáng)度不足。水的含量對(duì)濕噴混凝土影響很大，水量大時(shí)，有利于混凝土在管道內(nèi)的輸送，但不利于噴射混凝土在圍巖表面的凝結(jié)，會(huì)形成坍塌現(xiàn)象，且大大降低混凝土的強(qiáng)度；水量小時(shí)，不利于混凝土輸送，易導(dǎo)致堵管和堵塞現(xiàn)象。因此，噴射混凝土的配合比要綜合考慮，找到最佳平衡點(diǎn)。

3.2 坍落度

混凝土的坍落度也是指和易性，是保證混凝土正常施工的關(guān)鍵，包括保水性、粘聚性和流動(dòng)性。濕噴混凝土是將拌和好的商品混凝土，通過(guò)濕噴機(jī)在噴頭處加液體速凝劑噴射至受噴面。商品混凝土由商混車運(yùn)送至隧道內(nèi)，倒入濕噴機(jī)。因此，對(duì)混凝土的坍落度要求較高。混凝土不能產(chǎn)生離析、不能堵塞管道，和易性差的混凝土回彈率也高。濕噴混凝土坍落度的控制一般為12～18 cm，如圖2所示。對(duì)坍落度進(jìn)行抽檢30次，5次不合格，混凝土退回處理，合格率為83%。

圖2 混凝土坍落度測(cè)定

3.3 液體速凝劑

速凝劑是噴射混凝土所必須的外加劑，能使混凝土速凝快硬，增大一次噴射厚度，與圍巖密貼，防止混凝土因自重作用而塌落。速凝劑的凝結(jié)效果、摻量、與水泥的適應(yīng)性等都對(duì)噴射混凝土回彈有很大的影響。速凝劑起不到相應(yīng)的作用，會(huì)導(dǎo)致混凝土坍塌，造成很大的回彈損失。濕噴混凝土采用液體速凝劑，液體速凝劑分為堿性和無(wú)堿兩種類型。堿性速凝劑摻量較小，一般為3% ～6%，混凝土后期強(qiáng)度損失較大；無(wú)堿液體速凝劑摻量一般為5%～9%，混凝土后期強(qiáng)度損失小，但有時(shí)無(wú)堿液體速凝劑的凝結(jié)效果不如堿性速凝劑。現(xiàn)場(chǎng)采用無(wú)堿液體速凝劑，對(duì)速凝劑進(jìn)行抽檢，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

測(cè)定結(jié)果表明，該無(wú)堿液體速凝劑摻量在5%～9%的情況下均滿足相應(yīng)規(guī)范的要求，為合格品，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用摻量為6%。經(jīng)過(guò)多次抽檢，存在個(gè)別與水泥不適應(yīng)的問(wèn)題，造成速凝劑摻量過(guò)大，或者出現(xiàn)噴射混凝土塌落的現(xiàn)象。

表2 液體速凝劑凝結(jié)效果測(cè)定

3.4 洞內(nèi)照明效果

噴射混凝土的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵，如圖3所示。并經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)，在噴射混凝土?xí)r，存在照明效果差的現(xiàn)象，抽查30次，合格22次，合格率為73.3%。洞內(nèi)的粉塵，以及照明效果差，使得噴混時(shí)，能見度很差，嚴(yán)重影響施工人員觀察機(jī)械臂移動(dòng)，從而造成較大的回彈。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)施工粉塵

3.5 混凝土噴射方法

(1)噴射混凝土的風(fēng)壓要嚴(yán)格控制，風(fēng)壓太大，會(huì)造成骨料反彈較多；風(fēng)壓太小，噴射的混凝土不密實(shí)，易產(chǎn)生塌落，濕噴混凝土的風(fēng)壓不應(yīng)小于0.8 MPa。

(2)噴射混凝土一次噴射厚度，邊墻標(biāo)準(zhǔn)值是8～15 cm、拱部6～10 cm，超過(guò)后要分層噴射。特別是拱頂，一次噴射過(guò)厚會(huì)因自重而剝落，從經(jīng)濟(jì)性、安全性考慮都應(yīng)避免。

(3)噴嘴指向與受噴面應(yīng)保持90°夾角，噴嘴與受噴面的距離不宜大于1.5 m，太近或者太遠(yuǎn)都會(huì)造成大的回彈量，對(duì)施工角度和距離進(jìn)行了30次檢查，其中合格17次，合格率為57%。

綜上所述，從以上5個(gè)方面進(jìn)行分析，最終得到3條主要影響噴射混凝土回彈率大的因素:混凝土和易性差、坍落度不合格；洞內(nèi)照明效果差；噴頭與受噴面間的角度、距離不合格。

4 優(yōu)化措施

針對(duì)上述三個(gè)主要影響因素，制定優(yōu)化措施。

(1)加強(qiáng)混凝土噴射前坍落度檢測(cè)

加強(qiáng)混凝土駐站監(jiān)管，出站前質(zhì)檢員檢測(cè)混凝土坍落度和和易性，不合格的就地退回；每車混凝土噴射之前，質(zhì)檢員對(duì)混凝土的坍落度、和易性等進(jìn)行檢測(cè)，確認(rèn)其坍落度在12～18 cm范圍內(nèi)且和易性良好方可進(jìn)行噴射，不符合要求的退回拌和站。

(2)噴射混凝土?xí)r增加照明

噴射混凝土?xí)r除采用濕噴機(jī)自帶的250 W的隧道專用防爆燈外，再增加2個(gè)50 W的LED防爆燈提供照明。增加的照明亮度，一定程度上可以彌補(bǔ)粉塵量大問(wèn)題，提高施工時(shí)可見度。

(3)加強(qiáng)對(duì)混凝土噴射工作的監(jiān)督、考核

安排2名工作人員與濕噴機(jī)操作手同時(shí)從不同角度觀察噴槍與受噴面間距是否為1.5 m及噴嘴是否與受噴面垂直，利用擴(kuò)音器隨時(shí)與操作手溝通，使噴嘴位置符合要求。避免因視角誤差導(dǎo)致噴槍嘴與受噴面的距離和角度不符合要求，培訓(xùn)一段時(shí)間后對(duì)操作手進(jìn)行考核。

經(jīng)過(guò)改進(jìn)措施后，對(duì)青龍崮隧道濕噴混凝土進(jìn)行了隨機(jī)抽檢，得到最終平均回彈率為19.3%，濕噴混凝土回彈率得到了有效控制，達(dá)到了回彈率控制在20%以下的預(yù)期目標(biāo)。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著機(jī)械化程度的不斷提高，濕噴混凝土必將得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，施工過(guò)程中遇到的問(wèn)題也將增多。如何更好地采用該技術(shù)，發(fā)揮更大的生產(chǎn)力，是未來(lái)研究的主要方向。本文結(jié)合具體工程，從濕噴混凝土的配合比、混凝土和易性、速凝劑性能和施工方法等方面進(jìn)行分析，得到影響濕噴混凝土回彈率的主要因素，并做了一定的改進(jìn)措施，降低了回彈，達(dá)到了初始的預(yù)期目標(biāo)。下一步的目標(biāo)是將回彈率降到10%以下，并能有效提高噴射混凝土的強(qiáng)度、韌性，以便其發(fā)揮更好的圍巖支護(hù)作用。