沙漠砂噴射混凝土在隧道施工中的應(yīng)用

馮艷娜

（中鐵二十局集團(tuán)南方工程有限公司，西安 710016）

隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模的增大，天然砂石資源不足的問題日益顯現(xiàn)。另一方面，我國(guó)沙漠資源豐富，沙漠總面積約70萬(wàn)km2，中國(guó)西北干旱區(qū)是中國(guó)沙漠最為集中的地區(qū)，約占全國(guó)沙漠總面積的80%，可利用砂約有2100億m3。沙漠砂又稱風(fēng)積砂，來(lái)源于沙漠，自然生成，經(jīng)人工開發(fā)和篩分的粒徑小于4.75 mm的風(fēng)積沙，但不包括軟質(zhì)的巖石顆粒。與目前生產(chǎn)混凝土常用的天然砂相比，沙漠砂比特細(xì)砂更細(xì)，細(xì)度模數(shù)在0.3～0.9之間，粒級(jí)集中在0.30 mm和0.15 mm，占累計(jì)篩余95%左右，雖顆粒級(jí)配單一，但含泥量?jī)H為0.5%左右，遠(yuǎn)小于江河流域含泥量在5%～12%的天然特細(xì)砂?；谏衬暗纳鲜鎏攸c(diǎn)，通過(guò)優(yōu)化混凝土配合比，配合前期充分的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，可以將沙漠砂用于隧道噴射混凝土，這樣既可以有效利用沙漠砂資源，又能降低混凝土的生產(chǎn)成本，具有較好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)保效益。

1 工程概況

吳華高速（吳起至華池）公路TJ-1標(biāo)位于延安吳起縣與志丹縣之間，起訖樁號(hào)K0+511.726～K10+673.277，全長(zhǎng)10.165 km，合同總金額9.4億，由中鐵二十局集團(tuán)市政工程公司承建，計(jì)劃工期26個(gè)月，2019年6月開工。項(xiàng)目主要工程量：橋梁14座，互通立交1座，其中特大橋1座、大橋7座、中橋6座。預(yù)制箱梁1590片，現(xiàn)澆箱梁188.3 m，共2聯(lián)；涵洞1個(gè)，40.8 m；隧道3座，單洞長(zhǎng)度4472 m。混凝土強(qiáng)度為C15～C50的7個(gè)等級(jí)?；炷潦┕た偡搅繛?8.2萬(wàn)m3，其中C25隧道噴射混凝土4.50萬(wàn)m3。

2 原材料

2.1 水泥

寧夏青銅峽水泥股份有限公司生產(chǎn)的P·O42.5水泥，其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)符合GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》中的規(guī)定要求。

2.2 細(xì)骨料

沙漠砂：取自陜西省靖邊縣城西約10 km處毛烏素沙漠，細(xì)度模數(shù)為0.58，含水率0.2%。其他技術(shù)指標(biāo)符合GB/T 14684—2011《建設(shè)用砂》標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3 粗骨料

寧夏吳忠市太陽(yáng)山舍爾山的石灰?guī)r碎石，壓碎值為9.6%，針片狀顆粒含量為5.6%，含泥量為0.6%，泥塊含量為0.2%。其他技術(shù)指標(biāo)符合GB/T 14685—2011《建設(shè)用卵石、碎石》標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.4 粉煤灰

試驗(yàn)所用粉煤灰的細(xì)度為9.4%，燒失量為4.5%，需水量比為91.0%，其他技術(shù)指標(biāo)符合GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2.5 外加劑

高性能減水劑：減水率為26.2%，其他技術(shù)指標(biāo)符合GB 8076—2008《混凝土外加劑》標(biāo)準(zhǔn)中高性能減水劑的技術(shù)要求。

速凝劑：無(wú)堿液體速凝劑，摻量8.0%，其他技術(shù)指標(biāo)符合GB/T 35159—2017《噴射混凝土用速凝劑》標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.6 拌合水

采用生活用水拌制混凝土，水的pH、不溶物、可溶物、氯離子和硫酸鹽等含量均符合JGJ 63—2006《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》要求。

3 沙漠砂噴射混凝土配合比設(shè)計(jì)

3.1 基本要求

設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25，1d強(qiáng)度不小于10MPa。采用機(jī)械手濕噴工藝。

3.2 沙漠砂噴射混凝土設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

3.2.1 砂率

同條件下，沙漠砂混凝土的砂率選擇宜較河砂（細(xì)度為中砂）的砂率降低10%～15%，根據(jù)試驗(yàn)研究成果，C25沙漠砂噴射混凝土的砂率在35%～40%為宜。

3.2.2 用水量

河砂中含有一定量的泥土和泥塊，影響混凝土用水量。沙漠砂雖然很細(xì)，但不含泥塊，且小于0.075 mm的含量非常少，基本在1.0%以下，非常干凈，因此沙漠砂混凝土的單方用水量基本與普通河砂混凝土相當(dāng)。

3.2.3 速凝劑的使用

隧道內(nèi)環(huán)境溫度低于10℃時(shí)要加熱至10℃以上，防止低溫液體速凝劑黏度增大堵管?；炷列度雵娚錂C(jī)料斗內(nèi)的溫度不宜低于10℃，若達(dá)不到要求溫度時(shí)，可適當(dāng)增加摻量，一般控制在0.5%～1.0%，無(wú)堿速凝劑的總摻量不宜超過(guò)水泥用量的9.0%，有堿速凝劑的總摻量不宜超過(guò)水泥用量的6.0%。

3.2.4 混凝土和易性

沙漠砂混凝土的黏聚性、保水性要比河砂和機(jī)制砂混凝土優(yōu)越。盡管沙漠砂的比表面積比天然河砂大，理論上單位用水量應(yīng)該比河砂大，但沙漠砂基本不含泥，在高性能減水劑的作用下，適當(dāng)調(diào)整砂率，用水量的增加可以忽略不計(jì)。經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，沙漠混凝土的容重比傳統(tǒng)的河砂混凝土高約50 kg/m3。在實(shí)際操作過(guò)程中，應(yīng)充分考慮環(huán)境溫度、運(yùn)輸距離等因素導(dǎo)致的坍落度損失，一般情況下按出機(jī)坍落度比設(shè)計(jì)坍落度增加10～20 mm進(jìn)行調(diào)整。

在前期大量的試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，給出適合隧道施工用的C25沙漠砂噴射混凝土配合比見表1。

表1 C25沙漠砂噴射混凝土配合比

4 沙漠砂噴射混凝土施工

4.1 施工工藝及注意事項(xiàng)

沙漠砂混凝土的攪拌必須采用自動(dòng)計(jì)量強(qiáng)制式攪拌機(jī)拌合，集料計(jì)量誤差必須在允許范圍內(nèi)，拌合時(shí)間與普通混凝土基本一致。沙漠砂的含水量應(yīng)控制在1%以內(nèi)，防止含水量過(guò)高造成下料口堵塞。運(yùn)輸設(shè)備應(yīng)采取保溫或隔熱措施，嚴(yán)禁隨意加水，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)混凝土工作性不能滿足要求時(shí)，可通過(guò)二次摻加減水劑的方式解決，嚴(yán)禁浪費(fèi)混凝土。采用濕噴機(jī)械手進(jìn)行作業(yè)，噴射操作工藝按下列要求進(jìn)行：

（1）混凝土噴射作業(yè)前應(yīng)檢查設(shè)備液壓、氣壓系統(tǒng)，將風(fēng)壓調(diào)至工作狀態(tài)，少量打入速凝劑試噴，確認(rèn)液體速凝劑管路暢通。

（2）噴射時(shí)，機(jī)械手噴口與被噴面成40～60°角，距離被噴面1.5 m左右，初次噴射厚度應(yīng)控制在5～8 cm，后續(xù)復(fù)噴一般控制在5～10 cm。噴射順序應(yīng)從開始端一個(gè)方向噴完后再回到開始端進(jìn)行噴射作業(yè)。從開始端噴射到收尾端的時(shí)間應(yīng)控制在5～10 min，此時(shí)速凝劑剛好達(dá)到終凝，可以防止一次性噴得太厚掉塊，減少混凝土的回彈量。

4.2 噴射混凝土隧道工作面的施工環(huán)境檢測(cè)

在隧道內(nèi)工作區(qū)域，通?，F(xiàn)場(chǎng)空氣環(huán)境較為惡劣，粉塵顆粒對(duì)人體呼吸系統(tǒng)造成危害，需要對(duì)其進(jìn)行控制，以達(dá)到健康安全的工作環(huán)境。為了評(píng)價(jià)噴射沙漠砂混凝土施工現(xiàn)場(chǎng)的作業(yè)環(huán)境，采用暗鷹9600型粉塵粒子計(jì)數(shù)器測(cè)定噴射混凝土工作面的PM1.0、PM2.5、PM10值，獲得噴射沙漠砂混凝土作業(yè)過(guò)程中粉塵顆粒的變化，并與普通噴射混凝土對(duì)比，將2種配合比的噴射混凝土進(jìn)行環(huán)境對(duì)比檢。

分別對(duì)施工前和施工過(guò)程中工作面環(huán)境粉塵粒子數(shù)進(jìn)行了檢測(cè)。噴嘴與10個(gè)塵埃粒子計(jì)數(shù)器之間的距離為5～8 m，每次測(cè)試的重復(fù)次數(shù)為10次，并設(shè)置自動(dòng)檢測(cè)。施工過(guò)程中測(cè)試時(shí)間點(diǎn)為噴射混凝土達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，記錄PM1.0、PM2.5、PM10的電流讀數(shù)。通過(guò)測(cè)試可以獲得不同隧道下噴射沙漠砂混凝土與普通噴射混凝土的粉塵顆粒數(shù)濃度的差異，二者差值為噴射混凝土作業(yè)時(shí)的塵埃粒子值，沙漠砂與河砂混凝土噴射時(shí)隧道工作面塵埃粒子數(shù)據(jù)見表2。

從表2可以看出，沙漠砂混凝土與河砂混凝土在隧道噴射作業(yè)相比較，工作面的粉塵含量明顯減少，隧道噴射沙漠砂混凝土與噴射河砂混凝土塵埃粒子檢測(cè)相比較，20 m內(nèi)環(huán)境PM1.0粉塵降低15%，PM2.5粉塵降低31%，PM10粉塵降低46%，作業(yè)環(huán)境得到較大改善。結(jié)果表明就工作環(huán)境而言，沙漠砂混凝土用于隧道噴射混凝土具有優(yōu)越性。

表2 河砂混凝土與沙漠砂混凝土噴射時(shí)塵埃粒子測(cè)定值

5 沙漠砂噴射混凝土強(qiáng)度檢測(cè)

5.1 試驗(yàn)段沙漠砂混凝土抗壓強(qiáng)度

強(qiáng)度是混凝土的重要性能指標(biāo)，因此，在大范圍應(yīng)用沙漠砂混凝土進(jìn)行隧道噴射施工前進(jìn)行了試驗(yàn)段研究。試驗(yàn)段噴射完成后24±1 h，采用射釘法檢測(cè)噴射混凝土實(shí)體強(qiáng)度（圖1）。實(shí)測(cè)強(qiáng)度為13.6 MPa，滿足隧道噴射混凝土1 d設(shè)計(jì)強(qiáng)度不低于10 MPa的要求。在進(jìn)行實(shí)際噴射施工時(shí)，同時(shí)噴射沙漠砂混凝土大板進(jìn)行同條件養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)1 d后取芯測(cè)試1 d強(qiáng)度，實(shí)測(cè)結(jié)果為14.1 MPa。實(shí)體強(qiáng)度測(cè)試和大板取芯強(qiáng)度試驗(yàn)均表明沙漠砂噴射混凝土抗壓強(qiáng)度可以滿足設(shè)計(jì)和使用要求。

圖1 射釘法檢測(cè)噴射混凝土實(shí)體強(qiáng)度

5.2 實(shí)際工程沙漠砂混凝土抗壓強(qiáng)度

鑒于沙漠砂混凝土的1 d強(qiáng)度可滿足隧道用噴射混凝土的要求，在實(shí)際施工中進(jìn)行了大范圍推廣使用，其中宋梁隧道共施工了590 m3，莊科卯隧道施工了3980 m3，廟溝梁隧道施工了11190 m3，3座隧道合計(jì)施工C25隧道噴射混凝土15760 m3。施工結(jié)束后，對(duì)沙漠砂噴射混凝土的28 d強(qiáng)度進(jìn)行了跟蹤研究，其中宋梁隧道抽取試件6組，莊科卯隧道抽取試件40組，廟溝梁隧道抽取試件114組，合計(jì)160組。上述試件28 d平均抗壓強(qiáng)度為29.4 MPa，試件強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)沙漠混凝土配合比的優(yōu)化設(shè)計(jì)及在隧道施工中的應(yīng)用表明，利用沙漠砂替代天然砂制備噴射混凝土是完全可行的，其各項(xiàng)性能指標(biāo)均能夠滿足設(shè)計(jì)要求。通過(guò)沙漠砂混凝土在隧道施工中的應(yīng)用可知，沙漠砂混凝土具有如下優(yōu)勢(shì)：

（1）與河砂（中砂）噴射混凝土相比，沙漠砂噴射混凝土的砂率可降低8%～15%，即同等條件下可適當(dāng)減少單位用水量。

（2）沙漠砂顆粒較細(xì)，在噴射混凝土中一部分起到微細(xì)集料的填充作用，使混凝土粘聚性更好，結(jié)構(gòu)更密實(shí)，強(qiáng)度能得到很好的提升，1 d和28 d強(qiáng)度均高于河砂噴射混凝土。

（3）沙漠砂混凝土的保水性、黏聚性優(yōu)于河砂混凝土，噴射回彈量小，回彈量約減少20%～50%。

（4）與河砂噴射混凝土相比，沙漠砂混凝土粉塵含量明顯降低，隧道內(nèi)工作環(huán)境得到較大改善。

綜上所述，沙漠砂噴射混凝土在提高混凝土質(zhì)量、降低成本、改善隧道內(nèi)工作環(huán)境和保護(hù)作業(yè)人員健康等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。