噴射混凝土施工技術在公路隧道施工中的應用研究

楊昕

（核工業華東建設工程集團有限公司，江西南昌 330000）

0 引言

相較于普通公路，高速公路在線路設計上具備更大的復雜性。若在山區修建高速公路，往往需要開鑿隧道，更是進一步提升了施工的難度。為了給予隧道結構有效的保護和支撐，可以引入噴射混凝土施工技術。噴射混凝土施工技術適用性強且經濟效益較高，有利于提高施工安全性，改善隧道工程施工環境。因此，有必要結合公路隧道施工實際情況對相關技術展開深入研究，建立完善的噴射混凝土施工規范，提高混凝土結構噴射質量。

1 工程概況

某高速公路施工項目位于我國南方地區，其設計方案顯示工程中包含一分離式隧道施工項目，左線起訖樁號為ZK49+180—ZK50+305，長度為1.124km，右線起訖樁號為K49+180—K50+325，長度為1.146km，整個施工范圍為雙向四車道，凈高為5m，限寬為10.75m。該隧道項目環境復雜、地質條件多變，對支護施工及其質量控制提出更高要求，因此采用噴射混凝土施工技術進行施工。

2 噴射混凝土施工流程及技術特點

2.1 噴射混凝土施工流程

近年來，隨著公路隧道施工項目的發展，更多新技術、新工藝、新設備應用其中，噴射混凝土施工技術作為其中的典型代表，具有速度快、強度高、操作便捷、支護質量高等優勢，在公路隧道施工中得到廣泛應用。而且，該技術的應用還可以提高整體施工過程的靈活性，可根據現場施工需求分層、分次追加噴射混凝土，有效增加支護厚度。

2.2 噴射混凝土施工技術特點

公路隧道施工中噴射混凝土施工技術主要包括干法噴射與濕法噴射兩種類型。干法噴射是將水泥、速凝劑、骨料等按配合比進行配置并拌和均勻，再利用噴射槍將干混合料快速噴射至公路隧道圍巖巖面。該工藝操作便捷、流程簡單，但混凝土噴射回彈率較大，導致公路隧道施工質量降低。濕法噴射是將水、水泥、骨料等按配合比進行配置并拌和均勻，先將混凝土混合料壓送至濕式噴射機噴嘴，再將速凝劑添加在噴頭，隨后將其噴射至公路隧道圍巖巖面。兩種技術中，濕法噴射更有利于控制混凝土回彈率及施工質量，因此該工程中選用濕法噴射技術進行混凝土噴射作業。將濕法噴射技術應用于公路隧道施工的優點如下：一是強度、抗滲性、結構密度等參數明顯優化，大幅度提升了公路隧道工程圍巖結構的整體性；二是利于對混凝土輸送、澆筑、振搗等環節進行整合，通常情況下，可節約混凝土施工成本達5%～10%；三是濕法噴射技術速度較快，終凝時間約為10min，2h、8h、16h、24h 噴射混凝土結構強度可達0.25MPa、2MPa、5MPa、8MPa，3d 強度可提升70%以上；四是相較于傳統模筑混凝土技術，噴射混凝土在抗壓強度、抗滲性能等方面均有顯著提升。

3 公路隧道噴射混凝土施工技術要點

3.1 原材料質量控制

3.1.1 拌和用水

拌和用水質量控制是噴射混凝土施工的重要基礎。為避免出現噴射混凝土硬化、凝結等情況，應保證將拌和用水的pH 值控制在4 以上，確保硫酸鹽含量在1%以內，嚴禁拌和用水中含有影響水泥凝結的物質，以免對混凝土的澆筑質量及結構穩定性產生不良影響[1]。

3.1.2 水泥

對于公路隧道施工而言，應根據具體的隧道支護工程要求、現場供應條件以及速凝劑適用性等選擇合適的水泥品種與規格，盡可能選用抗滲性和強度更高的水泥類型。常用的水泥類型包括普通硅酸鹽水泥與礦渣硅酸鹽水泥等，考慮到該工程現場地質條件比較復雜，決定選用標號等級不小于42.5 級的早強水泥，并在施工前對水泥材料性能、凝結時間、強度等指標進行抽檢，以保證水泥材料質量合格。

3.1.3 骨料

骨料凝結強度直接影響噴射混凝土施工質量。實踐表明，選用小粒徑骨料能有效增加黏結面積，提高混凝土材料的強度和質量。骨料包括細骨料與粗骨料，一般而言，為提高噴射混凝土結構強度、減少施工粉塵，宜采用細度模數大于2.5、含泥量小于3%、含水率在5%～7%之間的中砂或粗砂作為細骨料，并加強噴射混凝土質量控制，以免產生硬化裂紋，使混凝土具有良好的力學性能[2]。該工程細骨料使用技術要求如表1 所示。

表1 細骨料使用技術要求

為降低混凝土回彈率、提高混凝土支護強度，粗骨料通常為不大于15mm 的卵石或碎石，不僅可以減少噴射機管路磨損，還可以避免管路堵塞。相較于卵石混凝土，碎石強度高、附著力好且回彈率低，但易對設備管路造成一定損傷。粗骨料顆粒級配規定如表2所示。

表2 粗骨料顆粒級配規定

3.1.4 外加劑

外加劑對混凝土性能有著較大影響，噴射混凝土施工中使用的外加劑以速凝劑為主，主要目的是降低混凝土回彈率，保證混凝土可以在短時間內進入凝結期。在使用速凝劑前，需要先開展速凝劑與水的相容性試驗，確保混凝土初凝時間不大于5min，終凝時間不大于10min，提升噴射混凝土施工質量。

3.1.5 配合比控制

公路隧道噴射混凝土施工涉及的配合比參數主要包括：第一，含砂率。公路隧道施工中噴射混凝土含砂率通常控制在45%～55%之間。實踐表明，若含砂率不大于45%，則混凝土回彈率較高，易造成管路堵塞；若含砂率不小于55%，則噴射混凝土強度不足，難以滿足工程施工要求。第二，水灰比。結合公路隧道施工實際情況分析，噴射混凝土水灰比控制在0.40～0.45 之間時，回彈率較小且強度較高。第三，干集料重量比。為控制混凝土回彈率，干集料重量比一般控制在1∶4～1∶4.5之間，水泥量控制在375～400kg/m3之間。第四，速凝劑摻和量。噴射混凝土中速凝劑摻和量應根據現場需求及試驗結果進行調整，通常邊墻為2%左右，拱部為4%左右。總體而言，速凝劑摻和量應低于4%，若摻和量過多，會抑制噴射混凝土中水分的流動擴散，造成混凝土硬化后氣孔數量增加，在后續使用中更易出現裂縫。

3.2 施工設備參數控制

施工設備也是公路隧道工程質量的重要保障。施工過程中，應避免設備出現漏氣、漏水等質量問題，確保其混合料生產能力達到3～5m3/h，噴射混凝土最大粒徑在25mm 以內，水平方向輸送距離不小于100m，垂直方向輸送距離不小于30m，噴射混凝土噴頭壓力在0.15～0.2MPa。該工程使用的是TK-600型濕噴機，在濕噴工藝應用中發揮了重要作用。

4 公路隧道噴射混凝土施工技術應用

4.1 施工準備

在開展公路隧道施工之前，需要做好相應的準備工作。首先，應利用檢測設備檢查隧道開挖斷面，保證與相關規范及施工要求相符。若存在欠挖現象，則應第一時間進行斷面處理；若存在超挖現象，則應放置鋼筋網片并清理其表面。其次，應檢查濕噴機運行狀態，保證其各項參數正常。最后，應在現場針對具體的噴射厚度設置相應的控制標志；若存在滲水問題則要采取相應的排水措施；并檢查工作平臺的穩定性，避免工作平臺失穩引發安全事故。

4.2 混凝土攪拌

在進行混凝土攪拌過程中，首先，應做好原材料的質量檢測工作，確保其達到施工要求；并基于骨料含水率以及砂細度模數對混凝土配合比進行合理調整。其次，根據相應的配合比完成混凝土生產，保證混凝土坍落度、和易性等指標符合要求。最后，利用運輸車輛并采用合理的防護措施將混凝土運至施工現場[3]。

4.3 混凝土技術指標

施工期間應做好對混凝土技術指標的把控。

第一，抗壓強度。噴射混凝土1d 齡期、25d 齡期抗壓強度分別要求在5MPa、20MPa 以上。

第二，強度等級。根據施工要求選擇合適的混凝土強度，不同強度下混凝土的軸心抗壓、軸心抗拉設計值如表3 所示。抗拉強度的計算公式為：

表3 噴射混凝土強度設計值 單位：N/mm2

式（1）中：fts表示抗拉強度，MPa；F表示破壞荷載，N；A表示劈裂面面積，mm2；0.85 為換算系數。

第三，噴射混凝土最小黏結強度相關規定如表4所示。

表4 噴射混凝土最小黏結強度

第四，不同強度等級下對應的噴射混凝土彈性模量如表5 所示。

表5 噴射混凝土彈性模量

4.4 混凝土噴射工藝

噴射工藝是公路隧道噴射混凝土施工的核心，施工人員在具體操作中應加強對噴射角度、噴射距離、噴射順序、噴射方法等方面的把控。第一，噴射角度。在使用濕噴機進行混凝土噴射時，噴頭與圍巖面的夾角應保持90°，若存在支護設施則可以根據實際情況對其角度進行調整。第二，噴射距離。通常情況下，噴射口與圍巖面之間的距離應控制在80～120cm 之間，施工人員控制濕噴機保持水平方向環形作業，旋轉半徑控制在30cm 左右。為保證混凝土噴射的全面性與均勻性，施工人員還應加強對噴射速度的把控，使混凝土可以和圍巖表面良好接觸，避免出現掉落的情況。第三，噴射順序。噴射順序也是噴射混凝土施工技術實施的關鍵點，一般而言，應按照“從上到下、先墻后拱”的順序分片完成施工，以避免重復噴射、漏噴等問題。值得注意的是，考慮到不同工程施工環境的差異性，也可對施工順序進行適當調整。第四，噴射方法。分層噴射是混凝土噴射工藝中最常見的噴射方法，每層噴射厚度也存在一定差異，例如，邊墻為5～7cm，拱部為3～4cm[4]。一般在混凝土終凝3h 后開展開挖作業，以免影響混凝土凝固。施工后還需要進行噴水養護，保證養護時間在5d 以上，若施工環境溫度低于5℃，則不適用噴水養護方法。

4.5 噴射混凝土指標檢查

為提高噴射混凝土施工水平，還應加強對強度、厚度、密實度、平整度等指標的控制。

第一，強度。濕噴工藝的應用有利于提高混凝土支護結構的整體強度，同時應加強原材料質量控制，以保證混凝土坍落度、和易性等指標符合要求。噴射施工后還應采用合適的養護措施以提高強度，每天灑水養護3～4 次，并開展強度測試。噴射混凝土強度計算公式為：

式（2）中：fcu表示抗壓強度，MPa；F表示破壞荷載，N；A表示受力面積，mm2；0.95 為換算系數。

第二，厚度。噴射厚度不足易造成混凝土裂縫、剝落現象，對工程質量造成不利影響。影響混凝土噴射層厚度的因素主要包括爆破效果、回彈率、噴射參數等，施工人員應加大對上述參數的控制力度，并采用鉆孔法進行噴層厚度檢測，確保檢查點60%噴層厚度達到設計值。

第三，密實度。為控制混凝土噴射密實度，施工期間應對圍巖支護參數進行調整，清理受噴面表面的灰塵、雜物，使混凝土和受噴面之間良好結合，同時在噴射過程中應加強對風壓、噴射角度、噴射速度的控制。

第四，平整度。根據相關規定，邊墻兩相鄰凸面的深度與距離比不大于1/6，拱頂兩相鄰凸面的深度與距離比不大于1/8。

5 結語

綜上所述，噴射混凝土施工技術有利于降低混凝土回彈率，因此在公路隧道工程項目中得到十分廣泛的應用。在具體操作中，施工單位應加強對噴射混凝土施工技術的重視，選擇更為科學的濕噴工藝，以提高工程質量。加強對噴射角度、噴射順序、噴射方法等方面的把控，不斷優化施工工藝，以推動我國高速公路隧道工程施工水平持續提升。