隧道初支噴砼超耗原因及降耗措施分析

顧 鋒

（中鐵十九局集團第二工程有限公司，遼寧遼陽 111000）

0 引言

錨噴形成初期支護的技術(shù)以其施工簡便、支護及時，在隧道施工中得到廣泛運用。根據(jù)其發(fā)展歷史，噴砼工藝主要有干噴、潮噴和濕噴3 種[1]。干噴和潮噴由于其回彈率高、粉塵含量大、對操作人員職業(yè)健康影響大等因素限制了其發(fā)展，目前隧道工程的初期支護施工主要采用濕噴工藝。無論采用哪種工藝，噴砼超耗問題是影響隧道工程施工成本的主要因素之一[2]。

1 超欠挖對噴砼超耗的影響及降耗措施

在鉆爆法施工中，隧道超欠挖現(xiàn)象不可避免，采用噴砼回填超挖，是噴砼超耗的主要控制措施。影響超欠挖的因素主要有鉆孔精度、爆破技術(shù)、施工測量、地質(zhì)條件變化等，主要控制措施如下。

1.1 采用合理的爆破技術(shù)

不同的爆破方式，對隧道超欠挖的表現(xiàn)會有所不同，特別是爆破中所使用的裝藥量、爆破參數(shù)、爆破所用的器材等，對圍巖產(chǎn)生的擾動不同。據(jù)相關(guān)資料顯示，采用光面爆破可以最大限度的減少爆破對圍巖的影響，可作為爆破過程中超欠挖控制的主要方法之一[3-4]。

1.2 提高測量放線的精度

開挖輪廓線的精度控制是隧道圍巖爆破中超欠挖控制的重要措施之一，需要做好開挖輪廓的測量放線工作，確定好開挖的中線和標(biāo)高，避免出現(xiàn)開挖的一側(cè)出現(xiàn)超挖、另外一側(cè)出現(xiàn)欠挖的情況。

1.3 提高鉆孔精度

鉆孔偏差對隧道圍巖爆破超欠挖量的影響最為直接，需要從多角度采取有效的措施提高鉆孔的精度：①做好鉆孔施工人員的培訓(xùn)，鉆孔機械使用人員按照爆破設(shè)計方案進行鉆孔，確保鉆孔的深度、位置、傾斜角等滿足設(shè)計要求；②鉆孔過程中，在輪廓線的內(nèi)側(cè)1～3 cm 進行鉆孔定位，減少外插角的不利影響。

1.4 根據(jù)地質(zhì)條件和爆破效果調(diào)整爆破參數(shù)

在隧道施工中，圍巖地質(zhì)條件是不斷變化的，時常有軟弱夾層、溶洞等不良地質(zhì)情況出現(xiàn)。因此，爆破設(shè)計主要是采用經(jīng)驗類比法，并結(jié)合現(xiàn)場試驗確定。周邊眼的間距和裝藥方式，是對超欠挖影響最大的因素之一。一般周邊眼的間距為35～45 cm，軟巖取小值，硬質(zhì)巖取大值。裝藥采用間隔裝藥或采用紅繩爆破。為控制超欠挖，工程師應(yīng)該在第一次爆破后分析爆破的效果，并且結(jié)合圍巖的實際情況，調(diào)整鉆孔的位置、鉆孔的角度等爆破參數(shù)。

（1）若爆破后爆孔出現(xiàn)凸面，表明爆破層太厚，應(yīng)該減小；若爆孔出現(xiàn)凹面，則表明爆破層還可以加大。

（2）若爆破后出現(xiàn)明顯超挖，則需要調(diào)小爆破炸藥的用量；若爆破后出現(xiàn)明顯的欠挖，則需要加大炸藥的用量。

（3）爆破后孔口部分有半孔痕或某些地方出現(xiàn)破碎圈，則表明炸藥分布過于集中，需要分散間隔裝藥。

2 超前支護對噴砼超耗的影響及降耗措施

在軟弱圍巖隧道中，由于圍巖自穩(wěn)能力差，開挖后圍巖的松弛變形發(fā)展極快，在實施初期支護前，圍巖就有坍塌的可能，造成超挖導(dǎo)致噴砼超耗增加，同時危及施工安全。因此通常采取超前小導(dǎo)管法進行超前預(yù)加固措施，使圍巖的自穩(wěn)能力得到改善或提高，從而保障隧道的施工安全，減少噴砼超耗[5-6]。超前小導(dǎo)管主要有兩個方面的作用：①小導(dǎo)管自身的錨桿管棚加固；②小導(dǎo)管作為注漿漿液通道，注入漿液對圍巖加固。兩個作用都是為了限制圍巖應(yīng)力釋放，加強圍巖自穩(wěn)能力，對控制圍巖的超挖有利，對噴砼超耗控制有利。

2.1 加強超前小導(dǎo)管成形質(zhì)量

超前小導(dǎo)管以靠近掌子面的鋼架和前方未開挖的部位巖體為支點，將前方不穩(wěn)定的巖塊或巖層穿連起來，在隧道環(huán)向上形成一道拱形承載殼。理論和實踐均表明，超前小導(dǎo)管在環(huán)向布置上越接近弧面，管間距越均勻，小導(dǎo)管穿連起來的這道拱形承載殼對限制圍巖應(yīng)力釋放、減少拱部巖體墜落導(dǎo)致的超挖越有效。在實際施工過程中，應(yīng)在靠近掌子面作為支點的鋼架上按設(shè)計間距標(biāo)記出鉆孔位置，嚴格按照布點鉆孔[7]。同時在已施作段初支上標(biāo)記鉆孔孔位的對應(yīng)點，便于鉆孔過程隨時檢查鉆孔的傾斜度和方向，控制外插角控制在10°～15°，保障小導(dǎo)管按同一弧面布設(shè)。

2.2 加強超前小導(dǎo)管注漿質(zhì)量

漿液通過小導(dǎo)管滲透，擴散到地層孔隙或裂隙中，對破碎圍巖經(jīng)行固結(jié)，這樣既可止水又可在工作面周圍形成一個地層自拱，同時管體可起到超前錨桿的作用，達到提高圍巖自穩(wěn)能力、限制圍巖松弛脫落、限制超挖的效果。小導(dǎo)管注漿壓力是促使?jié){液在巖土層裂隙中擴散的動力，必須有足夠的壓力克服巖內(nèi)天然水壓力和地層裂隙阻力才能使?jié){液充分擴散固結(jié)松散巖體，因此注漿壓力一般控制在0.5～1.0 MPa。超前小導(dǎo)管預(yù)注漿過程中，注漿應(yīng)自下而上進行，先注無滲水孔，后注有滲水孔。當(dāng)注入量大，無法達到設(shè)計壓力時，則加大漿液濃度；當(dāng)注漿壓力達到設(shè)計終壓或注漿量達設(shè)計值80%以上時可終止注漿。隧道爆破開挖應(yīng)在小導(dǎo)管注漿3 h 以后進行，使注入漿液有效固結(jié)破碎巖體。

3 噴射混凝配合比對超耗的影響及降耗措施

良好的混凝土性能是減少噴砼回彈量的根本措施。配合比的參數(shù)對混凝土質(zhì)量及回彈率的影響主要有灰骨比、水灰比、速凝劑，具體影響及控制措施如下。

3.1 灰骨比

適宜的灰骨比為1∶4～1∶4.5。水泥過少，回彈量大，初期強度增長緩慢；水泥過多，硬化后的砼收縮也增加，影響砼后期強度的增長。

3.2 水灰比

水灰比是影響噴射砼強度的主要因素。經(jīng)測定，適宜的水灰比為0.4～0.5。在這一范圍內(nèi)，砼表面平整，呈水量光澤，回彈量減少。偏離這一范圍，回彈量明顯增大。一般來說，當(dāng)噴砼表面出現(xiàn)流淌、滑移、拉裂時，表明水灰比太大；若噴砼表面出現(xiàn)干斑、作業(yè)中粉塵大、回彈量增多時，則表明水灰比太小。

3.3 速凝劑

使用速凝劑的主要目的是使噴射砼速凝快硬，防止噴射砼因重力作用引起的脫落，增加回彈量。速凝劑選擇時，應(yīng)滿足初凝在3 min 以內(nèi)、終凝在12 min 以內(nèi)的條件。速凝劑的最佳摻量為水泥重量的2.5%～4%，而且通過試驗得知，摻加速凝劑后，水灰比越大，速凝效果越差。

4 噴砼施工工藝對超耗的影響及降耗措施

在施工過程中，影響噴砼超耗的主要因素是混凝土的回彈值。主要控制手段如下：

4.1 風(fēng)壓控制

實踐表明，風(fēng)壓過大或過小，都將導(dǎo)致回彈量增大。當(dāng)噴嘴處的風(fēng)壓穩(wěn)定在0.1～0.2 MPa 時，對回填量的控制最為有利。此時風(fēng)源風(fēng)壓穩(wěn)定在0.4～0.65 MPa。

4.2 噴砼角度控制

在噴射平整的受噴面時，噴嘴應(yīng)與受噴面垂直，如噴砼射流不能與受噴面形成90°，將造成回彈量加大和密實度降低，砼強度下降。

4.3 噴射距離控制

噴砼距離過遠或過近，都會使噴砼回彈率增加。當(dāng)風(fēng)壓適宜時，噴嘴與受噴面最佳距離一般為0.8～1.2 m。

4.4 一次噴砼厚度及間隔時間控制

噴砼在終凝前的抗拉及粘結(jié)強度都很低，若一次噴砼過厚，砼的自重大于其與受噴面的粘結(jié)強度，即出現(xiàn)下墜和脫落，造成超耗增大（表1）。在剛開始作業(yè)時，噴砼與受噴面碰撞，粗骨料幾乎全被回彈，回彈率很大。當(dāng)噴射厚度達到5 cm 后，后續(xù)骨料逐漸嵌入，回彈才基本穩(wěn)定下來。而且不同方向的受噴部位，對噴砼的控制厚度也略有區(qū)別。

表1 一次噴砼最佳厚度

5 結(jié)論

通過分析噴砼超耗的影響因素及控制措施，可得出以下結(jié)論：

（1）合理的爆破參數(shù)、控制好超欠挖量，是降低噴砼超耗的主要手段。

（2）超前支護以及超前預(yù)注漿的質(zhì)量控制對提高軟弱圍巖自穩(wěn)能力有利，減少了開挖后因圍巖失穩(wěn)導(dǎo)致的超挖，降低因回彈導(dǎo)致的噴砼超耗。

（3）合理的配合比，通過加快凝結(jié)速度，增強混凝土粘結(jié)力，降低噴砼回彈率，是降低噴砼超耗的保障性措施。

（4）采取合理的噴砼風(fēng)壓、噴射角度、噴砼厚度及順序，從工藝上降低噴砼回彈率，可作為降低噴砼超耗的關(guān)鍵手段。