隧道Ⅴ級圍巖濕噴工藝試驗(yàn)方案研究

趙利強(qiáng)

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

支護(hù)是隧道施工過程中的重要環(huán)節(jié)，支護(hù)方案選擇的成敗直接關(guān)乎隧道建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性、施工期和運(yùn)營期間的安全性，因此，支護(hù)方案的選擇至關(guān)重要。目前隧道設(shè)計(jì)所采用的支護(hù)理論（或新奧法原則）還處在一個(gè)發(fā)展階段，還沒有形成完整的理論體系，只是一些理念和原則，但這些理念和原則來源于大量的工程實(shí)踐和深入廣泛的力學(xué)模型研究，并經(jīng)受了實(shí)際的反復(fù)檢驗(yàn)證明是正確可行的[1]。隧道建設(shè)中為了更加科學(xué)地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的施工方案，還需根據(jù)圍巖和環(huán)境特點(diǎn)通過工藝試驗(yàn)對比，確定最佳施工參數(shù)，才能優(yōu)質(zhì)、高效地完成隧道的初期支護(hù)或洞內(nèi)臨時(shí)防護(hù)措施。

本文對目前廣泛應(yīng)用的錨噴支護(hù)類型進(jìn)行了總結(jié)和探討，并以實(shí)際工程為現(xiàn)實(shí)背景，對施工工藝進(jìn)行了試驗(yàn)研究，為隧道施工中支護(hù)方案的實(shí)施提供了指導(dǎo)。

1 錨噴支護(hù)結(jié)構(gòu)類型

錨噴支護(hù)是指錨桿支護(hù)、噴射混凝土支護(hù)及它們與其他支護(hù)結(jié)構(gòu)的組合，目前廣泛應(yīng)用的支護(hù)類型有：錨桿支護(hù)，噴射混凝土支護(hù)，錨桿噴射混凝土支護(hù)，鋼筋網(wǎng)噴射混凝土支護(hù)，錨桿、鋼網(wǎng)、鋼架噴射混凝土支護(hù)，錨桿、鋼網(wǎng)噴射混凝土支護(hù)，預(yù)應(yīng)力錨桿、鋼網(wǎng)噴射混凝土支護(hù)。

1.1 錨桿支護(hù)

錨桿類型、規(guī)格、技術(shù)性能應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求，錨桿鉆孔施工應(yīng)符合規(guī)范要求[2]，錨桿又分全長黏結(jié)型錨桿、端頭錨固型錨桿、摩擦型錨桿和預(yù)應(yīng)力錨桿，隧道的永久支護(hù)必須采用全長黏結(jié)型錨桿和預(yù)應(yīng)力注漿錨桿，其他型式錨桿通常只能作為臨時(shí)支護(hù)。

1.2 噴射混凝土支護(hù)

噴射混凝土最重要的兩個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)是強(qiáng)度和厚度指標(biāo)，施工中由于噴射混凝土強(qiáng)度的離散型較大，所以應(yīng)采取科學(xué)手段，通過參數(shù)評價(jià)和繪制質(zhì)量控制圖來控制噴射混凝土的強(qiáng)度，對厚度的控制一般通過規(guī)定范圍內(nèi)的斷面鉆孔檢查來實(shí)現(xiàn)。

噴射混凝土適用于初期支護(hù)。

1.3 預(yù)應(yīng)力錨噴支護(hù)

預(yù)應(yīng)力錨噴支護(hù)是指預(yù)應(yīng)力錨桿與錨噴支護(hù)的組合，它能對圍巖提供較大的支護(hù)抗力，滿足復(fù)雜地層大跨度洞室變形和穩(wěn)定的要求，是目前支護(hù)設(shè)計(jì)中最為有效和可靠的手段。

預(yù)應(yīng)力錨噴支護(hù)適用范圍較廣。

2 大坪地隧道V級圍巖噴射混凝土濕噴工藝試驗(yàn)

2.1 工程概況

大坪地隧道隧址區(qū)處揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)西部，滇東臺(tái)褶帶中部，昆明臺(tái)褶束嵩明臺(tái)凹，隧道全長7 629 m，最大埋深約290 m，最小埋深約1.2 m，隧道穿越7個(gè)斷層，洞身多處淺埋，地表有河流和自然沖溝。穿越巖層主要為頁巖、砂巖夾碳質(zhì)頁巖，地質(zhì)構(gòu)造上，隧址區(qū)內(nèi)地臺(tái)褶皺基地內(nèi)明顯存在著南北向、東西向兩組長期斷裂，在地臺(tái)發(fā)展階段，起著明顯的控制作用。南北向控制性斷裂即著名的小江斷裂，并分為東西兩支。水文地質(zhì)，隧道穿越區(qū)地表水不發(fā)育，巖層富水性差，孔隙水水量貧乏?；鶐r裂隙水，在隧道DK1104+420右側(cè)131 m處出露一泉水，測繪時(shí)流量約1.5～2.0 L/s，供山上村民飲用，泉眼旁邊建有春雷山泉水公司，含水巖組的富水性屬中等，對隧道影響較大。

2.2 濕噴混凝土工藝試驗(yàn)

2.2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

隧道內(nèi)初期支護(hù)采用濕噴工藝，濕噴混凝土具備較強(qiáng)的防水性能，能夠有效地抑制隧道內(nèi)粉塵的產(chǎn)生（與干噴相比）。由于濕噴混凝土屬于新工藝，需要經(jīng)過工藝試驗(yàn)，以求得最佳的混凝土配合比、噴射距離、砂率、系統(tǒng)風(fēng)壓、坍落度、速凝劑摻量、水灰比等施工參數(shù)，用以優(yōu)質(zhì)高效地完成本隧道的初期支護(hù)或洞內(nèi)臨時(shí)防護(hù)工程。

2.2.2 原材料確定

經(jīng)試驗(yàn)濕噴混凝土所用原材料均滿足設(shè)計(jì)文件和TB10424—2010《鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》、TB10753—2010《高速鐵路隧道工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》要求：

a）水泥 云南遠(yuǎn)東P.O.42.5；

b）細(xì)骨料 阿基邑碎石廠生產(chǎn)的機(jī)制砂；

c）粗骨料 阿基邑碎石廠生產(chǎn)的5～10 mm碎石；

d）速凝劑 山西康特爾精細(xì)化工有限責(zé)任公司生產(chǎn)的KT-5型液體速凝劑；

e）減水劑 山西凱迪建材有限公司生產(chǎn)的KDSP-1聚羧酸鹽高性能減水劑；

f）水 西三鎮(zhèn)拌和用水。

2.2.3 參數(shù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

濕噴試驗(yàn)選在石林隧道進(jìn)口正洞DK653+480—DK653+483段Ⅱ級圍巖。試驗(yàn)全過程所需風(fēng)、水、電均與隧道開挖施工合用，按照擬定的配合比拌制混凝土，同時(shí)將濕噴機(jī)安放在噴錨作業(yè)面，并將稱量設(shè)備及器具備好存放現(xiàn)場，一切準(zhǔn)備工作完成后開始噴射。噴射施工采用分3層進(jìn)行噴射，每層厚5 cm，螺旋式噴射。噴射順序?yàn)樽韵孪蛏稀⑾劝己笸?。先素? cm厚混凝土找平后，再掛鋪鋼筋網(wǎng)片噴射。

按照濕噴機(jī)使用說明書規(guī)定方法操作，根據(jù)試驗(yàn)室擬定的幾組配合比依次進(jìn)行拌制噴射，在噴射過程中對噴射距離、速凝劑摻量、坍落度、系統(tǒng)風(fēng)壓、砂率、水灰比等數(shù)據(jù)進(jìn)行組合試驗(yàn)，按擬定的6組數(shù)據(jù)進(jìn)行了噴射試驗(yàn)（表1～表6）。

表1 第一組最佳噴射距離試驗(yàn)參數(shù)

噴射距離為1.6 m時(shí)，邊墻、拱部回彈率分別為10%～17%、18%～24%；噴射距離為1.2 m和2.0 m時(shí)邊墻、拱部回彈率分別為16%～20%、24%～30%

最佳噴射距離為1.6 m。

表2 第二組最佳砂率試驗(yàn)參數(shù)

混凝土砂率45%時(shí)混凝土和易性較差，在施工中不能滿足試噴射混凝土條件，造成設(shè)備多次損壞和堵塞，50%、56%兩個(gè)施工配合比，試噴效果比較好，經(jīng)選擇，砂率為56%時(shí)試噴配合比和易性較好，可以滿足施工可泵性、回彈率較少（邊墻、拱部回彈率分別為12%、21%）和粉塵小的要求，1 d和28 d混凝土抗壓強(qiáng)度取樣試驗(yàn)滿足施工設(shè)計(jì)要求。

最佳砂率為56%。

表3 第三組最佳速凝劑摻量試驗(yàn)參數(shù)

速凝劑摻量為3%和4%時(shí)，噴射混凝土在大約6～7 min內(nèi)才達(dá)到初凝；速凝劑摻量為5%時(shí)，噴射混凝土初凝時(shí)間較短，約為4～5 min，有利于混凝土的快速施工。

最佳速凝劑摻量為5%。

表4 第四組最佳塌落度試驗(yàn)參數(shù)

坍落度為90 mm和110 mm、水灰比為0.44時(shí)，混凝土速凝效果較好，強(qiáng)度較高；坍落度為130 mm、水灰比為0.46時(shí)，施工噴射較易，速凝效果較差，回彈量增大，混凝土強(qiáng)度偏低。

最佳坍落度為90～110 mm。

表5 第五組最佳系統(tǒng)風(fēng)壓試驗(yàn)參數(shù)

風(fēng)壓為0.9 MPa時(shí)噴射速度較快但回彈量較大，邊墻、拱部約為16%～24%、24%～30%；風(fēng)壓為0.7 MPa時(shí)噴射速度均勻回彈量較小，邊墻、拱部約為16%～24%、24%～30%；風(fēng)壓為0.5 MPa時(shí)噴射力較弱，混凝土密實(shí)性差。

最佳系統(tǒng)風(fēng)壓為0.7 MPa。

表6 第六組最佳水灰比試驗(yàn)參數(shù)

水灰比為0.42時(shí)，混凝土速凝效果較好，強(qiáng)度較高，但機(jī)械材料磨損較為嚴(yán)重；水灰比為0.46時(shí)，施工噴射較易，速凝效果較差，回彈量增大，混凝土強(qiáng)度偏低；水灰比為0.44時(shí)，混凝土速凝效果較好，強(qiáng)度較高。

最佳水灰比為0.44 MPa。

2.2.4 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)設(shè)計(jì)要求的濕噴技術(shù)指標(biāo)，試驗(yàn)室選擇最佳配合比參數(shù)，擬定3組不同水膠比在室內(nèi)進(jìn)行水膠比與強(qiáng)度關(guān)系等試驗(yàn)，同時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場施工工藝的對比試驗(yàn)，然后由試驗(yàn)室根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果調(diào)整配合比，找出了適合現(xiàn)場最佳生產(chǎn)配合比。濕噴混凝土最佳生產(chǎn)配合比和最佳生產(chǎn)施工參數(shù)見表7和表8。

表7 濕噴混凝土最佳生產(chǎn)配合比

表8 最佳生產(chǎn)施工參數(shù)

3 結(jié)論

濕噴技術(shù)實(shí)現(xiàn)了均勻連續(xù)小團(tuán)粒喂料和管道內(nèi)的流體輸送，降低了噴射作業(yè)過程產(chǎn)生的粉塵量，減小了對作業(yè)人員的傷害，遵循了施工過程“以人為本”的方針。

試驗(yàn)室通過進(jìn)行噴射混凝土工藝性試驗(yàn)，不僅確定了噴射混凝土施工工藝相關(guān)施工參數(shù)和試驗(yàn)參數(shù)，而且還可以降低噴射混凝土回彈量，在保證噴射厚度滿足設(shè)計(jì)的同時(shí)，還節(jié)約了混凝土的用量，從而節(jié)約了施工成本。