漫談礦山法隧道技術(shù)第二講——噴混凝土

關(guān)寶樹(shù)

(西南交通大學(xué)， 四川 成都　610031)

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漫談礦山法隧道技術(shù)第二講——噴混凝土

關(guān)寶樹(shù)

(西南交通大學(xué)， 四川 成都610031)

摘要：闡述了各國(guó)對(duì)噴混凝土初期強(qiáng)度的要求和日本的相關(guān)研究，強(qiáng)調(diào)在今后的隧道施工中，必須強(qiáng)化對(duì)噴混凝土初期強(qiáng)度的測(cè)試，積累有關(guān)初期強(qiáng)度的數(shù)據(jù)，摸清楚初期強(qiáng)度與變形控制的規(guī)律。噴混凝土最佳配比是確保噴混凝土質(zhì)量的關(guān)鍵，介紹日本建議的確定噴混凝土最佳配比的試驗(yàn)施工流程，提出應(yīng)建立噴混凝土生產(chǎn)線。比較詳細(xì)地介紹了國(guó)外，尤其是日本對(duì)噴混凝土機(jī)械的研制及應(yīng)用情況(包括： 分離式噴射系統(tǒng)，一體式噴射系統(tǒng)，長(zhǎng)臂噴射機(jī)，雙噴嘴噴射機(jī)等)，認(rèn)為提高噴混凝土施工機(jī)械化水平，實(shí)現(xiàn)快速及時(shí)噴混凝土，對(duì)保證施工安全有重要作用，是保證噴混凝土質(zhì)量的關(guān)鍵之一。列舉了各國(guó)應(yīng)用纖維噴混凝土的現(xiàn)狀，認(rèn)為合適的纖維補(bǔ)強(qiáng)材料可以取代金屬網(wǎng)，應(yīng)當(dāng)嘗試，以簡(jiǎn)化作業(yè)程序、提高噴混凝土速度和質(zhì)量。介紹了日本青函隧道對(duì)噴混凝土的耐久性進(jìn)行的長(zhǎng)達(dá)40年的調(diào)查情況，認(rèn)為青函隧道的噴混凝土保持了長(zhǎng)期的耐久性。最后強(qiáng)調(diào)，強(qiáng)化對(duì)噴混凝土技術(shù)的研究和機(jī)械的開(kāi)發(fā)，是目前急需解決的重要任務(wù)之一；如何確保噴混凝土的初期強(qiáng)度，如何建立噴混凝土生產(chǎn)線，是今后在施工中應(yīng)予以關(guān)注的問(wèn)題，這2個(gè)問(wèn)題不解決，就不能確保噴混凝土在初期支護(hù)中發(fā)揮其應(yīng)有的功能。

關(guān)鍵詞：隧道； 礦山法； 噴混凝土； 初期強(qiáng)度； 配比； 機(jī)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(shù)，也是發(fā)生問(wèn)題最多的技術(shù)。在隧道及地下工程中，可以不打錨桿，不設(shè)鋼架，但是不能沒(méi)有噴混凝土。因此，解決噴混凝土技術(shù)中存在的問(wèn)題，如： 如何確保噴混凝土的初期強(qiáng)度、如何提高噴混凝土的品質(zhì)、如何建立噴混凝土生產(chǎn)線等問(wèn)題，也是當(dāng)務(wù)之急。這就是本講的主題。

噴混凝土作為初期支護(hù)構(gòu)件是最基本的構(gòu)件，具有支護(hù)的優(yōu)異特性。其最大特點(diǎn)是能夠形成與開(kāi)挖面密貼的結(jié)構(gòu)層，開(kāi)挖過(guò)后能夠立即施設(shè)，若采用噴射機(jī)械手，也能夠在開(kāi)挖過(guò)后作業(yè)人員不進(jìn)入無(wú)支護(hù)地段安全地進(jìn)行施工。此外，也不必像鋼架那樣預(yù)先按照隧道斷面加工，能夠不考慮斷面形狀進(jìn)行施工，是一種自由度高、富有機(jī)動(dòng)性的支護(hù)構(gòu)件。

作為初期支護(hù)，噴混凝土需要解決的問(wèn)題是： 1)如何確保噴混凝土的初期強(qiáng)度(3 h、24 h)滿(mǎn)足初期支護(hù)的要求； 2)如何提高噴射質(zhì)量(如噴射時(shí)間的控制、決定配比的計(jì)量核查等)； 3)如何進(jìn)一步提高噴混凝土施工的機(jī)械化程度； 4)纖維噴混凝土的推廣應(yīng)用等。

1噴混凝土的初期強(qiáng)度

目前噴混凝土的強(qiáng)度，廣泛采用28 d的抗壓強(qiáng)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(shè)計(jì)基準(zhǔn)強(qiáng)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(guó)家也多采用25～30 MPa的噴混凝土，很少采用更高標(biāo)號(hào)的噴混凝土。但對(duì)噴混凝土來(lái)說(shuō)，重要的是初期強(qiáng)度，即3 h或24 h的強(qiáng)度。而在有的場(chǎng)合，更強(qiáng)調(diào)1 h的初期強(qiáng)度。

在圍巖開(kāi)挖后的初期，變形發(fā)展最快，為了控制初期變形的發(fā)展，要求噴混凝土具有一定的初期強(qiáng)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(nèi)。這是噴混凝土最突出的力學(xué)特性。從噴混凝土的技術(shù)發(fā)展出發(fā)，噴混凝土的初期強(qiáng)度從過(guò)去的24 h達(dá)到5 MPa，逐步提高到10 MPa，更有甚者，也出現(xiàn)了3 h的初期強(qiáng)度達(dá)到10 MPa的工程事例。例如，日本對(duì)普通噴混凝土和高剛性噴混凝土進(jìn)行的抗壓強(qiáng)度研究[2]，結(jié)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(qiáng)度動(dòng)態(tài)，材齡3 h的強(qiáng)度約為14 MPa，材齡1 d的強(qiáng)度約為24 MPa，不僅有較大的抗壓強(qiáng)度,而且沒(méi)有產(chǎn)生脆性破壞現(xiàn)象，具有很高的韌性。

在隧道斷面大、作用荷載也大的場(chǎng)合和圍巖條件差、對(duì)應(yīng)荷載也大的場(chǎng)合，若能采用高強(qiáng)度噴混凝土，就能以較薄的噴混凝土厚度予以應(yīng)對(duì)。因此，在大斷面及軟弱圍巖隧道中，可以采用高強(qiáng)度噴混凝土。

圖1　單軸抗壓強(qiáng)度和材齡的關(guān)系

圖2　彈性系數(shù)和材齡的關(guān)系

在噴混凝土施工中，如何確保初期強(qiáng)度的形成以及如何建立檢驗(yàn)初期強(qiáng)度的方法，仍是急需解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一，在《隧道及地下工程噴混凝土支護(hù)技術(shù)》[1]一書(shū)中對(duì)此有比較詳細(xì)的介紹。

從公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)來(lái)看，很少有噴混凝土初期強(qiáng)度的測(cè)試數(shù)據(jù)以及初期強(qiáng)度與變形控制相關(guān)關(guān)系的情報(bào)。因此，在今后的隧道施工中，必須強(qiáng)化對(duì)噴混凝土初期強(qiáng)度的測(cè)試，積累有關(guān)初期強(qiáng)度的數(shù)據(jù)，摸清楚初期強(qiáng)度與變形控制的規(guī)律。

2噴混凝土配比

噴混凝土最佳配比是確保噴混凝土質(zhì)量的關(guān)鍵，必須大力提高噴混凝土的品質(zhì)。為了確定噴混凝土的最佳配比，只能通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)施工確定，其次須采用噴混凝土生產(chǎn)線予以實(shí)施。試驗(yàn)施工是確定最佳施工方法的關(guān)鍵步驟，日本建議的確定最佳配比混凝土的試驗(yàn)施工流程如圖3所示。

一般情況下，試驗(yàn)施工分為2步，首先進(jìn)行試驗(yàn)拌合，確定要求的塌落度；而后按確定的塌落度，通過(guò)回彈試驗(yàn)和強(qiáng)度試驗(yàn)，確定最佳水灰比W/C和最佳細(xì)骨料率s/a，同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)噴射，確定現(xiàn)場(chǎng)采用的最佳配比。

從國(guó)外的文獻(xiàn)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(chǎn)線集中供應(yīng)的。而我們?cè)谑┕ぶ薪⒘烁鞣N各樣的生產(chǎn)線，就是沒(méi)有噴混凝土的生產(chǎn)線，這不是技術(shù)問(wèn)題，而是管理問(wèn)題。我們既然能夠建立混凝土的生產(chǎn)線，也就能建立噴混凝土的生產(chǎn)線。噴混凝土生產(chǎn)線應(yīng)由混凝土制備、運(yùn)送及噴射一系列作業(yè)的施工機(jī)械、計(jì)量設(shè)置、添加裝置等構(gòu)成。

圖3　試驗(yàn)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(jī)械化水平

目前，在噴混凝土方面，從國(guó)外噴混凝土施工技術(shù)的發(fā)展來(lái)看，其機(jī)械化水平較高，這可能與爆破后快速、及時(shí)噴混凝土對(duì)保證施工安全具有重要作用有關(guān)。

噴混凝土施工系統(tǒng)有2類(lèi)： 一類(lèi)是噴射機(jī)、噴射機(jī)械手等單獨(dú)使用的分離式噴射系統(tǒng)(見(jiàn)圖4)；另一類(lèi)是在自行式臺(tái)車(chē)上搭載噴射機(jī)械手、噴射機(jī)、速凝劑供給機(jī)、空氣壓縮機(jī)等施工所需機(jī)器的一體式噴射系統(tǒng)(見(jiàn)圖5)。

圖4　分離式噴射設(shè)備的構(gòu)成

圖5　一體式噴射設(shè)備的構(gòu)成

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

目前，國(guó)內(nèi)大多采用小容量的噴射機(jī)，人工操作進(jìn)行噴射，偶爾采用噴射機(jī)械手進(jìn)行噴射，與國(guó)外的差距較大。

實(shí)用的噴射機(jī)種類(lèi)有很多，但性能差異很大，因此，在選定使用機(jī)械時(shí)，要參考既有工程實(shí)踐，并事先進(jìn)行噴射試驗(yàn)確認(rèn)能夠獲得所要求的噴混凝土品質(zhì)。在材料壓送和噴射時(shí)，由于采用壓縮空氣，若材料堵塞會(huì)造成壓力暫時(shí)升高，因此，機(jī)械的各部分和管路安裝部位等都要有足夠的強(qiáng)度。若噴射機(jī)不具備均勻、連續(xù)壓送材料的性能，會(huì)使作業(yè)效率降低。

在大斷面隧道，為滿(mǎn)足快速施工，縮短施工循環(huán)時(shí)間，日本開(kāi)發(fā)了重視早期強(qiáng)度形成的干噴、大容量、低粉塵的新型噴射系統(tǒng)SF-2(噴射機(jī)AL-285+機(jī)械手AL-306)(見(jiàn)圖6)。

(a)

(b)

該系統(tǒng)的特點(diǎn)如下： 1)由于采用2臺(tái)噴射機(jī)，能夠進(jìn)行大容量(20～24 m3/h)噴射，噴射時(shí)間比過(guò)去縮短一半；2)2臺(tái)噴射機(jī)設(shè)置在臺(tái)車(chē)中央側(cè)部，荷載平衡改善了走行性，而且縮短了材料管的長(zhǎng)度(比過(guò)去縮短一半)；3)噴射機(jī)械手具有升降機(jī)構(gòu)，也能夠適應(yīng)超短臺(tái)階的噴射；4)由于采用低粉塵干噴工法，因W/C小，早期強(qiáng)度形成快，特別是大量涌水時(shí)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(kāi)挖時(shí)掌子面的風(fēng)險(xiǎn)非常重要，特別是在軟弱圍巖的情況下。為了降低這樣的風(fēng)險(xiǎn)，抑制開(kāi)挖后的圍巖松弛，盡早促使掌子面穩(wěn)定，開(kāi)發(fā)了比過(guò)去噴射機(jī)臂長(zhǎng)1.4倍的長(zhǎng)臂噴射機(jī)，目前已在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用。

一般情況下，如果能夠在開(kāi)挖后、出碴前進(jìn)行噴混凝土作業(yè)，就能夠抑制掌子面前方松弛區(qū)域的擴(kuò)大；但是，普通噴射機(jī)的臂長(zhǎng)較短，受到噴射范圍的制約，必須在出碴后才能進(jìn)行噴射作業(yè)。因此，為了能夠在碴堆存在的情況下進(jìn)行噴射作業(yè)(見(jiàn)圖7)，在噴射的同時(shí)，還可以進(jìn)行出碴作業(yè)(見(jiàn)圖8)，研發(fā)了長(zhǎng)臂噴射機(jī)。長(zhǎng)臂噴射機(jī)的規(guī)格如表1所示。

圖7　抑制松弛區(qū)域的擴(kuò)大

圖8　出碴與噴射平行作業(yè)示意圖

項(xiàng)目規(guī)格全體型式CJM2200E-V全長(zhǎng)/mm18280全寬/mm3000全高/mm4000總質(zhì)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(zhì)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(shí))品質(zhì)前端動(dòng)作范圍高10600mm、寬14100mm(噴嘴水平時(shí))質(zhì)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(zhì)量/kg1000空壓機(jī)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)輸出/kW37

長(zhǎng)臂噴射機(jī)與普通噴射機(jī)的比較如圖9所示，其噴射范圍達(dá)寬17.1 m、高13.1 m，圖10為其伸展最長(zhǎng)的狀態(tài)，圖11為試驗(yàn)施工的概貌。該噴射機(jī)由日本古河會(huì)社和清水會(huì)社共同開(kāi)發(fā)。

無(wú)論是長(zhǎng)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(jī)。即使水灰比小、黏性高的混凝土，只要給予適當(dāng)?shù)暮鸵仔?，就能進(jìn)行穩(wěn)定的噴射作業(yè)。噴射機(jī)械手，對(duì)應(yīng)上半斷面臺(tái)階法和超短臺(tái)階的全斷面法等開(kāi)挖方法，包括掌子面正面和仰拱前方及向下方的范圍內(nèi)都能?chē)娚?。這樣，實(shí)用的噴射機(jī)械，就要具備以快速施工的大容量噴射和高質(zhì)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(wèi)生環(huán)境，可通過(guò)遙控進(jìn)行遠(yuǎn)距離噴射。為了確保噴混凝土的質(zhì)量，噴射機(jī)都配備有以下裝置。

1)速凝劑供給機(jī)。能夠連續(xù)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(xì)骨料表面水調(diào)整機(jī)。進(jìn)行細(xì)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(jī)。是一個(gè)自動(dòng)分散、供給鋼纖維的機(jī)械。

4)粉塵降低劑添加機(jī)。是添加粉塵降低劑的裝置，粉塵降低劑多數(shù)是粉體狀。

這些附屬裝置對(duì)保證噴混凝土的質(zhì)量和特性具有十分重要的作用，應(yīng)與開(kāi)發(fā)噴射機(jī)和噴射機(jī)械手同等重視。

(a) 普通噴射機(jī)

(b) 長(zhǎng)臂噴射機(jī)

圖10　長(zhǎng)臂噴射機(jī)外貌

利用噴混凝土的初期強(qiáng)度，控制開(kāi)挖后圍巖的初期變形和可能出現(xiàn)的掉塊擠出等，需要時(shí)間來(lái)保證。噴混凝土的初期強(qiáng)度通常指噴射后3 h或1 d的強(qiáng)度，因此，噴射作業(yè)必須在該時(shí)間內(nèi)完成，這也是強(qiáng)調(diào)采用大容量噴射機(jī)或噴射機(jī)械手進(jìn)行噴射作業(yè)的原因。為此，日本在一些大斷面隧道中，為了縮短噴射作業(yè)時(shí)間，開(kāi)發(fā)了帶有舉重臂的雙噴嘴噴射機(jī)，其噴射能力是普通噴射機(jī)的2倍，使快速施工、早期防止崩落和迅速補(bǔ)強(qiáng)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(jī)，裝備了2臺(tái)機(jī)械手和混凝土泵，并帶有架設(shè)鋼支撐的舉重臂(見(jiàn)圖12)。采用這種噴射機(jī)進(jìn)行噴射作業(yè)時(shí)間比原來(lái)節(jié)省一半，也不需要噴射和架設(shè)鋼支撐作業(yè)機(jī)械的轉(zhuǎn)換，大幅縮短了作業(yè)循環(huán)時(shí)間。這種機(jī)械有輪胎式和履帶式，可以應(yīng)對(duì)多種圍巖狀況。目前已在幾座隧道中應(yīng)用，取得了縮短循環(huán)時(shí)間、軟弱圍巖早期穩(wěn)定的成果。

(a)

(b)

(c)

(d)

由此可見(jiàn)，提高噴混凝土施工機(jī)械化水平，是保證噴混凝土質(zhì)量的關(guān)鍵之一。

4纖維噴混凝土的推廣應(yīng)用

國(guó)際隧道和地下空間協(xié)會(huì)(ITA)第12工作組在總結(jié)各國(guó)噴混凝土應(yīng)用的基礎(chǔ)上提出的報(bào)告[4]，特別強(qiáng)調(diào)纖維噴混凝土的應(yīng)用，其中列舉了各國(guó)應(yīng)用纖維噴混凝土的現(xiàn)狀。

1)在澳大利亞，過(guò)去4年使用結(jié)構(gòu)合成纖維與鋼纖維和金屬網(wǎng)相比，增長(zhǎng)極為迅速。特別是高性能結(jié)構(gòu)合成纖維的出現(xiàn)，已被證明在典型的礦山巷道中是補(bǔ)強(qiáng)噴混凝土的一種有效形式，已被采礦業(yè)逐漸接受，并在悉尼M5東隧道被作為永久支護(hù)。

2)在巴西，最近纖維噴混凝土已被廣泛應(yīng)用。幾年前，金屬網(wǎng)幾乎是唯一的補(bǔ)強(qiáng)構(gòu)件，但在最近的5個(gè)水電站計(jì)劃中，用鋼纖維補(bǔ)強(qiáng)的濕噴混凝土正在4個(gè)工程(隧道跨度15～17 m)中應(yīng)用，只有1個(gè)工程(隧道跨度3 m)采用了金屬網(wǎng)。

3)比利時(shí)強(qiáng)調(diào)，傳統(tǒng)的金屬網(wǎng)在設(shè)置等方面需要很多時(shí)間。數(shù)據(jù)顯示，安裝金屬網(wǎng)比噴混凝土至少要增加3倍的時(shí)間。由于在噴混凝土襯砌內(nèi)位置的不斷變化，不能確實(shí)其具有均勻的抗拉強(qiáng)度。

4)在加拿大，采礦業(yè)接受鋼纖維噴混凝土支護(hù)作為礦山支護(hù)的比例迅速增長(zhǎng)。一個(gè)很好的例證就是這項(xiàng)技術(shù)使無(wú)錨桿噴混凝土支護(hù)的使用也在增長(zhǎng)(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(bǔ)強(qiáng)材料(在2000年的115 000 m3噴混凝土中)。他們認(rèn)為含有纖維補(bǔ)強(qiáng)材料的噴混凝土有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)： ①比焊接金屬網(wǎng)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(chǎn)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(lái)，韓國(guó)在公路隧道的支護(hù)設(shè)計(jì)中，也改變?yōu)椴捎脵C(jī)械手噴射鋼纖維濕噴混凝土。萊索托也開(kāi)始鋼纖維的使用。

8)挪威從20世紀(jì)30年代初以來(lái)就采用纖維噴混凝土。實(shí)際上是排除了各種金屬網(wǎng)噴混凝土支護(hù)。大多數(shù)隧道采用高品質(zhì)的機(jī)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(wěn)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(chǎng)合開(kāi)始研究采用纖維噴混凝土，從1994年開(kāi)始并持續(xù)了5年以上。在加入鋼纖維和合成纖維情況下的靜載和動(dòng)載的廣泛測(cè)試中表現(xiàn)良好，在反復(fù)動(dòng)態(tài)加載下噴混凝土支護(hù)應(yīng)與金屬網(wǎng)并用。

10)瑞典和瑞士的工程實(shí)踐也證實(shí)了采用噴混凝土機(jī)械手時(shí)，在噴混凝土中(沒(méi)有金屬網(wǎng))混合纖維的安全性。支護(hù)施作時(shí)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(wǎng)和鋼纖維的噴混凝土支護(hù)。

上述事例充分說(shuō)明，用纖維代替金屬網(wǎng)是可行且有效的方法。纖維補(bǔ)強(qiáng)與正常的金屬網(wǎng)(通常為5～7 kg/m2、100～150 mm的網(wǎng)格)相比，具有巨大的優(yōu)勢(shì)，尤其是采用濕噴法時(shí)。它有可能超越金屬網(wǎng)失效能量和實(shí)際承載能力，同時(shí)，可以避免不密實(shí)、腐蝕、安裝困難和耗時(shí)等問(wèn)題。由于纖維補(bǔ)強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，其應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但仍然有許多國(guó)家采用金屬網(wǎng)補(bǔ)強(qiáng)。研究及實(shí)際應(yīng)用表明，合適的纖維補(bǔ)強(qiáng)材料可以取代普通的焊接金屬網(wǎng)。纖維噴混凝土將是今后初期支護(hù)采用的主要構(gòu)件之一，我們應(yīng)該嘗試用纖維代替金屬網(wǎng)，以簡(jiǎn)化作業(yè)程序，提高噴混凝土噴射速度和質(zhì)量。

5噴混凝土耐久性的評(píng)價(jià)

在評(píng)價(jià)隧道健全性時(shí)，作為初期支護(hù)的噴混凝土的長(zhǎng)期耐久性和襯砌的長(zhǎng)期耐久性是非常重要的。因此，日本青函隧道對(duì)噴混凝土的耐久性進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)40年的調(diào)查[5]。

噴混凝土試件采自于作業(yè)坑道(11處)、襯砌空洞(11處)，平均每2～3年采取1次。試驗(yàn)包括抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)(抗壓強(qiáng)度、靜彈性系數(shù))、超聲波速度試驗(yàn)、單位體積重量測(cè)定、化學(xué)試驗(yàn)(炭化深度、x線回折試驗(yàn)、pH測(cè)定)等，試驗(yàn)結(jié)果如下。

5.1物理試驗(yàn)結(jié)果

5.1.1抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)獲得了材齡3～44 a的198個(gè)試件的結(jié)果?？箟簭?qiáng)度歷年變化見(jiàn)圖13—15。根據(jù)4個(gè)坑道的全部試件的歷年變化，抗壓強(qiáng)度變化在10～50 MPa，可以認(rèn)為抗壓強(qiáng)度沒(méi)有降低的傾向。青函隧道采用的噴混凝土保持了長(zhǎng)期的耐久性。

圖13抗壓強(qiáng)度的歷年變化

Fig. 13Time-dependent variation of compressive strength

圖14　抗壓強(qiáng)度的歷年變化(吉岡)

圖15　抗壓強(qiáng)度的歷年變化(龜飛)

圖14是吉岡超前導(dǎo)坑的抗壓強(qiáng)度歷年變化，變化在15～50 MPa。圖15表示龜飛作業(yè)坑道的歷年變化，抗壓強(qiáng)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(shì)看，以后的變化會(huì)“維持恒定”，或“微增”。

抗壓強(qiáng)度與靜彈性系數(shù)的關(guān)系見(jiàn)圖16。靜彈性系數(shù)在(0.4～4)×104MPa的，雖然有些離散，但隨抗壓強(qiáng)度的增加，靜彈性系數(shù)也隨之增加，兩者是相關(guān)的。

5.1.2超聲波速度試驗(yàn)、單位體積重量測(cè)定

圖17表示抗壓強(qiáng)度和P波速度的關(guān)系。P波速度在3～5 km/s，隨抗壓強(qiáng)度的增加，P波速度也隨之增加，有一定的相關(guān)性。

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

5.2化學(xué)試驗(yàn)結(jié)果

以炭化深度試驗(yàn)為例，各坑道的炭化深度及平均值見(jiàn)表2。

炭化深度和抗壓強(qiáng)度的關(guān)系見(jiàn)圖19。龜飛的作業(yè)坑道，特別是在炭化深度大的地點(diǎn)，抗壓強(qiáng)度有低的傾向，今后應(yīng)繼續(xù)調(diào)查其間的關(guān)系。

圖16抗壓強(qiáng)度和靜彈性系數(shù)的關(guān)系

Fig. 16Compressive strength Vs static elastic modulus

圖17　抗壓強(qiáng)度和P波速度的關(guān)系

圖18　抗壓強(qiáng)度和單位體積重量的關(guān)系

劃分吉岡超前導(dǎo)坑作業(yè)坑道龜飛超前導(dǎo)坑作業(yè)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(qiáng)度和炭化深度的關(guān)系(龜飛)

6結(jié)束語(yǔ)

實(shí)際上，我國(guó)的噴混凝土技術(shù)也是從40年前修建成昆線時(shí)在隧道中開(kāi)始采用的，與日本同時(shí)起步，但沒(méi)有進(jìn)行后續(xù)工作。

目前采用的噴混凝土，無(wú)論從材料、配比、噴射機(jī)械、噴射方法都與40年前相比有很大的改善，毋庸置疑，強(qiáng)化對(duì)噴混凝土技術(shù)的研究和機(jī)械的開(kāi)發(fā)，是目前急需解決的重要任務(wù)之一。

本講重點(diǎn)說(shuō)明2個(gè)問(wèn)題： 一是如何確保噴混凝土的初期強(qiáng)度，二是如何建立噴混凝土生產(chǎn)線。也就是希望今后在施工中予以關(guān)注的問(wèn)題，這2個(gè)問(wèn)題不解決，就不能確保噴混凝土在初期支護(hù)中發(fā)揮其應(yīng)有的功能。

參考文獻(xiàn)(References)：

[1]關(guān)寶樹(shù).隧道及地下工程噴混凝土支護(hù)技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2009.(GUAN Baoshu.[M].Beijing: China Communications Press,2009.(in Chinese))

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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(lèi)號(hào)：U 45

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-741X(2015)12-1235-08

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

作者簡(jiǎn)介：關(guān)寶樹(shù)(1932—)，男，遼寧人，西南交通大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，從事隧道及地下工程教學(xué)和科研50余年，隧道與地下工程資深專(zhuān)家。

收稿日期：2015-07-02