隧道噴射混凝土超耗原因分析及治理對策

孫廣冰

（中交第二公路工程局有限公司，陜西西安 710065）

0 引言

隧道施工過程中，混凝土的施工十分關(guān)鍵。其中，混凝土的噴射工藝較為復(fù)雜，且受諸多因素的影響，噴射過程中容易出現(xiàn)混凝土超耗的問題，造成資源浪費，增加企業(yè)或建設(shè)機構(gòu)的施工成本，不利于其經(jīng)濟效益的提升。因此，在施工過程中，施工人員應(yīng)重視對混凝土超耗問題的管控，盡可能避免出現(xiàn)混凝土超耗問題，降低施工成本。盡管混凝土超耗是共性問題，但施工單位還應(yīng)將超耗降至最低。

1 隧道噴射混凝土超耗的原因

隧道施工過程中，噴射混凝土超耗問題產(chǎn)生的原因有很多，如鉆爆工藝、噴射工藝、爆破參數(shù)、混凝土性能等。除此之外，還包括技術(shù)操作、施工管理及施工流程規(guī)范性操作等部分人為因素。具體如下：

1.1 噴射混凝土回彈量超標因素

在混凝土噴射施工前，因混凝土原材料的配比不符合噴射要求，混凝土中的含泥量及砂的細度模數(shù)過高，加之粗骨料的級配不連續(xù)、超出標準等，造成混凝土的回彈量上升。與此同時，混凝土噴射施工的技術(shù)水平有待提升，施工現(xiàn)場人員的流動性較大，缺少固定的施工人員，且人員的施工技能及專業(yè)水平參差不齊，施工中對混凝土噴射的角度以及噴射的距離掌控較為隨意，缺少規(guī)范化的施工標準，加之在噴射過程中受風壓、水壓的影響，噴射施工缺少精準監(jiān)管。

1.2 隧道洞身爆破超挖因素

在隧道洞身開挖的過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)洞身爆破超挖的問題，其產(chǎn)生的原因有多。一方面，隧道洞身的開挖并未完全按照開挖圖紙進行施工，實際開挖的輪廓線遠大于設(shè)計的輪廓線，洞身的爆破超挖遠超設(shè)計中規(guī)范化允許值，超挖現(xiàn)象明顯[1]。這與隧道洞身開挖預(yù)留沉降量控制不嚴有關(guān)。另一方面，在隧道洞身開挖過程中，每循環(huán)進尺過大，超出設(shè)計圖紙允許值的最大進尺要求。由于洞身開挖輪廓線，周邊布置眼鉆孔導(dǎo)致外插角度，所以容易出現(xiàn)洞身爆破超挖的問題。

1.3 線形超挖因素

鉆孔施工是隧道施工的重要環(huán)節(jié)，鉆孔前，施工人員均會設(shè)計、計算、繪制鉆爆圖表。因隧道洞身周邊眼孔距的控制缺少規(guī)范性，容易出現(xiàn)實際布孔距離未嚴格按照設(shè)計爆破圖孔距布置的問題，加之風槍鉆機和多臂鑿巖臺車設(shè)備的架設(shè)角度、方向等問題，使周邊眼未能形成平順的開挖輪廓圓弧，致使線形開挖施工缺少規(guī)范化的標準，導(dǎo)致超挖問題。除此之外，在實際的線形施工過程中，施工人員對周邊眼的角度控制缺乏嚴謹?shù)馁|(zhì)量意識，加上受限作空間及人工操作水平的限制，鉆孔外插角的控制存在偏差，極容易出現(xiàn)鉆孔眼底深淺不統(tǒng)一的問題，最終造成線形超、欠挖問題[2]。

1.4 人員組織管理因素

人員組織管理方面的因素主要體現(xiàn)在排險方面，針對部分軟弱巖層缺少管控措施，使用挖機炮錘排險時，因機械操作人員意識差、操作力度不當，造成滑層、夾層、填充巖石大塊松動脫落，形成超挖空洞現(xiàn)象，從而導(dǎo)致混凝土噴射出現(xiàn)超耗問題。同時，由于圍巖較破碎，應(yīng)通過調(diào)整炮孔間距和裝藥量控制開挖面，但排險過程中有掉塊、滑層的現(xiàn)象，也會造成超挖嚴重，導(dǎo)致濕噴混凝土超耗。由于圍巖裂隙發(fā)育，光爆效果差、滑層多，也會導(dǎo)致超挖較多。圍巖風化嚴重，受降雨影響明顯，掌子面局部出現(xiàn)滲水，致使圍巖呈塊狀掉落，從而導(dǎo)致掌子面超挖較大，噴射混凝土掉塊嚴重，形成較大超耗。

1.5 配合比因素

眾所周知，混凝土屬于混合物，是由多種原材料經(jīng)過嚴格的配比混合而成，如水泥、砂石、骨料、堿水劑、速凝劑等，每一種原材料的配比量都有一定的標準[3]。在混凝土的配置過程中，堿水劑及速凝劑的添加，會改善混凝土的強度及使用性能。普通混凝土的配置不添加減水劑，其施工效果明顯不佳，即便減少用水量，混凝土的強度效果依然不佳。所以，速凝劑的摻量對混凝土噴射質(zhì)量影響較大，但需要施工人員做好計量管控。

1.6 原材料因素

混凝土的原材料質(zhì)量以及配比量直接影響著混凝土的回彈量，進而影響著混凝土的噴射質(zhì)量[4]。水灰比是混凝土原材料配置的重要環(huán)節(jié)，其含泥量的多少影響著混凝土的強度、坍落度損失、和易性能，若水泥量過多，會增加混凝土硬化后的收縮率；水泥量較少，則會增大混凝土的回彈量。此外，各種原材料的采購質(zhì)量需要符合國家質(zhì)檢標準，在保存過程中，應(yīng)進行分類保管，避免貯藏竄料、混稀、環(huán)境潮濕等。

1.7 地質(zhì)因素

隧道工程施工地質(zhì)條件的好壞，對混凝土的噴射質(zhì)量有重要影響。地質(zhì)條件越穩(wěn)定，混凝土的噴射施工難度越低，施工人員對混凝土使用量的控制越精準；若地質(zhì)環(huán)境較為復(fù)雜，則混凝土的噴射施工難度也會隨之增加。巖石節(jié)理分部多樣化，夾層填充有黃土、黏土，黏結(jié)性差，部分段落還有滲水現(xiàn)象。

軟弱圍巖一般采用臺階法施工，上臺階噴射混凝土超耗率普遍偏大，在施工過程中，應(yīng)加強超前支護措施，進一步控制開挖后的圍巖掉塊、垮塌等因素引起的噴射混凝土增加。

1.8 設(shè)計因素、沉降量預(yù)留及線形開挖

隧道施工現(xiàn)場原地質(zhì)條件的恒載量比隧道的荷載小，施工或竣工階段容易出現(xiàn)沉降現(xiàn)象。所以，在隧道設(shè)計階段，設(shè)計人員需要借助BIM 構(gòu)建隧道工程的3D 模型，對施工過程中的沉降現(xiàn)象進行模擬，并合理設(shè)計沉降預(yù)留量，防止隧道在運行過程中下沉。

對于線形開挖施工，測量放樣操作中，放樣人員需要優(yōu)先設(shè)計、確定開挖輪廓線及周邊眼位置。實際設(shè)計圖紙并沒有把線形超挖噴混量計入工程量清單，因此需要及時和設(shè)計、業(yè)主溝通，商議將線形超挖、預(yù)留變形量等混凝土工程量納入合同清單，以便較少噴混量，降低經(jīng)濟損失。

1.9 濕噴車機械操作人員因素

濕噴車機械操作人員的操作水平、工作態(tài)度、責任心等，對隧道噴射混凝土的超耗問題同樣具有重要影響。在濕噴操作過程中，隧道的施工環(huán)境較差，如果操作人員未按要求進行規(guī)范濕噴，則可能會留下諸多安全隱患，如噴射厚度不均勻、混凝土噴射回彈量較大等。為此，在進行濕噴時，施工人員要嚴格按照濕噴流程進行，先分層、分片，再對稱作業(yè)[5]。

2 隧道噴射混凝土超耗的控制措施

在隧道施工過程中，噴射混凝土超耗產(chǎn)生的原因不同，其具體的控制措施也不同，需要施工人員具體問題具體分析，有針對性地實施控制措施。在人為因素方面，對超耗問題的控制可以通過加強管理的方式實現(xiàn)，具體措施如下：

2.1 加強爆破開挖面尺寸放樣控制

加強爆破開挖面尺寸放樣控制的目的，在于將噴射混凝土超耗降至最低，這需要施工人員注重對開挖面尺寸的控制、鉆孔精度、炸藥配置量等。掌子面放樣控制主要表現(xiàn)在兩方面，一是掌子面周邊眼的布設(shè)，可以使用圓心法、坐標法、全斷面開挖法等。放樣控制的方式可采用全站儀測量、經(jīng)緯儀測量，二者各有優(yōu)、缺點。二是對周邊眼鉆孔孔道的控制，對于噴射混凝土超耗問題，需要優(yōu)先控制排炮周邊眼鉆孔的孔道方向，并合理設(shè)置孔道的偏移值。

2.2 加強噴射混凝土回彈量控制

首先，物資部門應(yīng)進行聯(lián)合試驗，從供應(yīng)商源頭抓起，對混凝土噴射的原材料采購質(zhì)量進行檢測，嚴禁使用不合格的原材料。其次，注重技術(shù)交底工作，采取定人定崗制度，加強崗前培訓(xùn)、技術(shù)培訓(xùn)等，提高人員技術(shù)水平。最后，通過調(diào)研選擇最優(yōu)的速凝劑，對混凝土的配比進行優(yōu)化，確保速凝劑的初凝以及終凝時間，為混凝土噴射配比及強度提供保障。同時，還應(yīng)適當對噴射設(shè)備進行改良，如在噴嘴高壓風管位置安裝壓力表，有助于對設(shè)備風壓的實時調(diào)整。

2.3 加強隧道洞身超挖控制

一方面，當隧道每循環(huán)的進尺長度超過設(shè)計長度時，就會出現(xiàn)洞身超挖問題，嚴重的甚至可能引發(fā)坍塌事故。因此，施工人員要嚴格遵循短進尺、強支護、早封閉的原則。另一方面，現(xiàn)場應(yīng)加強預(yù)留變形量的動態(tài)調(diào)整，做到既不侵線又能有效降低二襯混凝土的超耗。

其一，根據(jù)圍巖監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，及時調(diào)整預(yù)留沉降值。

其二，分析同一地質(zhì)圍巖的沉降位移量，動態(tài)掌控預(yù)留變形量，從而控制混凝土的超耗率。

其三，根據(jù)圍巖情況，及時調(diào)整炮孔角度、間距和裝藥量，盡量減少超挖以及滑層脫落。

其四，及時向設(shè)計人員反應(yīng)圍巖情況，并根據(jù)設(shè)計調(diào)整的超前支護進行施工，減少施工風險、降低滑層數(shù)量。

其五，要及時和設(shè)計人員、業(yè)主溝通商議，將線形超挖、預(yù)留變形量等混凝土工程量納入合同清單。以減少噴混量，降低經(jīng)濟損失。

2.4 加強現(xiàn)場組織管理

一方面建立、完善管理機構(gòu)，成立專項管理小組，對隧道噴射混凝土超耗問題進行嚴格管控，并聘請專業(yè)人員進行指導(dǎo)，成立項目管理部、設(shè)備物資管理部、經(jīng)濟管理部等部門，并依據(jù)實際施工情況明確各部門管理職責。另一方面，創(chuàng)建獎罰機制，對施工過程中表現(xiàn)優(yōu)異的施工人員給予一定獎勵，如升職加薪等。此外，混凝土噴射現(xiàn)場需派遣專業(yè)人士進行監(jiān)管，依據(jù)施工人員每月噴射混凝土的超耗指標，對其進行獎罰，并定期對操作人員、技術(shù)、測量人員開展技能考核。

2.5 加強配合比優(yōu)化及原材料源頭控制

依據(jù)規(guī)范和設(shè)計圖紙，混凝土配合比的設(shè)計最終選定為C30 噴射混凝土，其具體配合比優(yōu)化方案如下：坍落度在140～180mm 之間，主要使用P·042.5 水泥、5～10mm 碎石、速凝劑、河砂、高效堿水劑等，優(yōu)化配比設(shè)計可提高混凝土的使用性能，降低混凝土噴射的回彈量，有助于提高混凝土強度。對于混凝土原材料的控制，速凝劑的初凝與終凝時間十分關(guān)鍵，初凝時間不得超過5min，終凝時間不得超過10min，機制砂的細度模數(shù)應(yīng)在2.8 左右，骨料的粒徑應(yīng)小于15mm。

2.6 加強機械操作人員施工工法的控制

應(yīng)對機械操作人員做好技術(shù)交底工作，綜合考慮混凝土的噴射距離及角度，嚴格控制速凝劑的添加量，從而實現(xiàn)混凝土回彈量降低的目標。同時，應(yīng)對挖機操作人員加強培訓(xùn)，開挖過程中，測量人員應(yīng)加強監(jiān)控量測，避免超挖引起的混凝土超耗。此外，還應(yīng)加強多臂鑿巖臺車操作人員的熟練程度，對周邊炮眼進行加密，采用控制藥量的方法，盡可能達到光面爆破的效果，從而控制超挖。施工前，機械操作人員需要對電源線、速凝劑箱液面高度、噴射機械設(shè)備、部件密封、安全閥、壓力表、風壓系統(tǒng)表、受噴面、噴嘴等進行檢查，確保施工的順利進行。

2.7 加強地質(zhì)考察，調(diào)整工藝工法

由于隧道工程的施工環(huán)境略有不同，其施工工藝及噴射混凝土方法也有所不同。因此，在開展混凝土噴射施工前，施工人員需要對施工現(xiàn)場進行地質(zhì)勘查，檢查施工現(xiàn)場的地質(zhì)環(huán)境是否穩(wěn)定，并依據(jù)勘察結(jié)果適當調(diào)整施工工藝及噴射混凝土方法，并注重混凝土的配比優(yōu)化。勘察過程中，施工人員需要做好詳細記錄，并依據(jù)勘察信息進行詳細分析，從混凝土噴射回彈量、線形開挖、施工組織管理等方面做好噴射前期的準備工作。

3 工程實例

馬來西亞東海岸鐵路項目，線路全長640km，是“一帶一路”倡議沿線最大的交通基礎(chǔ)設(shè)施項目，也是中馬兩國最大的經(jīng)貿(mào)項目。其中，馬東鐵云頂隧道是東南亞第一隧道，也是該項目的控制工程，其隧道工程位于吉隆坡東北部山區(qū)，穿越東南亞著名的云頂自然森林旅游保護區(qū)，全線長16.39km，設(shè)計為兩座平行的單線隧道。該隧道的施工現(xiàn)場地質(zhì)環(huán)境較為復(fù)雜且缺乏穩(wěn)定性，存在涌水隱患，施工現(xiàn)場最大埋深可達750m，且存在諸多不良地質(zhì)結(jié)構(gòu)，如巖爆、危巖落石、斷層破碎帶、軟巖大變形、高地溫、高地應(yīng)力等。其中，地質(zhì)巖層的結(jié)構(gòu)主要由花崗巖、片巖、綠泥石片巖、變質(zhì)砂巖、千枚巖和泥質(zhì)板巖組成。工程施工過程中的噴射混凝土超耗問題較為突出，施工單位通過加強對爆破開挖面尺寸放樣、配合比優(yōu)化及原材料源頭以及噴射混凝土回彈量等的控制對該問題進行了解決，在減少混凝土資源消耗的基礎(chǔ)上，有效降低了施工單位的施工成本。

4 結(jié)語

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，城市交通壓力增大，路橋工程數(shù)量增多，隨之而來的隧道工程項目數(shù)量也在增多?；炷羾娚洵h(huán)節(jié)是隧道施工的重要流程之一，施工過程中受噴射混凝土回彈量超標、隧道洞身爆破超挖、線形超挖、人員組織管理不善、混凝土配合比不合理、原材料問題、地質(zhì)條件復(fù)雜、設(shè)計與實際不符、濕噴車機械操作人員水平層次不齊等因素的影響，容易出現(xiàn)混凝土超耗問題，需要施工單位通過加強爆破開挖面尺寸放樣控制、噴射混凝土回彈量控制、隧道洞身超挖控制、加強現(xiàn)場組織管理等措施進行有效控制。