影響隧洞噴砼回彈量的因素分析

魏子榮

（甘肅省水利水電工程局有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000）

噴砼技術(shù)廣泛地應(yīng)用于隧道和道路加工過程中，該技術(shù)是在支護(hù)理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，具有施工簡(jiǎn)單、支護(hù)及時(shí)等特點(diǎn)。常見的隧洞噴砼包括干噴、潮噴和濕噴三種技術(shù)，其中干噴和潮噴的粉塵量大，回彈率高，對(duì)施工質(zhì)量和施工人員健康影響明顯。隧洞噴砼施工主要環(huán)節(jié)包括配料、攪拌、混凝土運(yùn)輸、濕噴機(jī)噴射等流程，每個(gè)環(huán)節(jié)均會(huì)對(duì)其回彈量造成影響?；貜椓靠刂剖宜淼绹婍攀┕さ年P(guān)鍵，為了提升隧道施工質(zhì)量，需要對(duì)影響噴砼回彈量的因素進(jìn)行分析，采取針對(duì)性措施進(jìn)行控制，以確保噴砼施工安全，施工質(zhì)量滿足工程需求。

1 工程概況

引洮二期骨干工程靜寧輸水渠延長段全長8 654.50 m，直供靜寧縣城調(diào)蓄水池段管線設(shè)無壓輸水隧洞一座，長度2 296 m，斷面形式為現(xiàn)澆鋼筋混凝土城門洞型襯砌，縱坡1/1000。對(duì)隧洞工程的地質(zhì)進(jìn)行勘測(cè)可知，隧洞橫穿一黃土梁布置，圍巖巖性由新近系(N2L)粉砂質(zhì)泥巖及第四系風(fēng)積（Q32eol）馬蘭黃土、洪積（Q31pl）粉質(zhì)黏土構(gòu)成，圍巖類別屬Ⅴ類及黃土隧洞Ⅴ1類。隧洞進(jìn)出段洞身巖性為上更新統(tǒng)風(fēng)積（Q32eol）馬蘭黃土及洪積（Q31pl）粉質(zhì)黏土，馬蘭黃土屬中～高壓縮、中等自重濕陷性土；粉質(zhì)黏土屬中～低壓縮、輕微～非濕陷性土，均屬黃土Ⅴ1類圍巖，極不穩(wěn)定，圍巖不能自穩(wěn)，變形破壞嚴(yán)重；其他洞身段巖性為新近系(N2L)粉砂質(zhì)泥巖，遇水軟化，屬極軟巖，巖體具中厚層狀結(jié)構(gòu)，近水平狀產(chǎn)出。無地下水影響，該洞段圍巖屬極不穩(wěn)定的Ⅴ類圍巖，為了保障施工安全與施工質(zhì)量，需要加強(qiáng)初期支護(hù)。綜合對(duì)比不同的支護(hù)工藝，由于噴砼工藝施工簡(jiǎn)單，施工成本低，因此成為本工程支護(hù)的首選方案。

2 噴砼施工工藝問題分析

2.1 問題研究

隧洞工程初期支護(hù)選擇噴砼施工工藝，選擇機(jī)械攪拌進(jìn)行噴射，并且利用10 m3的電動(dòng)空壓機(jī)為噴砼供風(fēng)。噴砼工藝的原料選擇425硅酸鹽水泥，利用石灰?guī)r機(jī)制砂，并且選擇芙蓉牌速凝劑。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，選擇水泥：砂：石：水：速凝劑=1∶1.9∶2.4∶0.45∶0.03的比例進(jìn)行混合，得到級(jí)配優(yōu)良的混凝土材料。噴砼施工工藝的噴射砼控制在2.56 m3，循環(huán)進(jìn)尺為4 m噴射時(shí)間為4~6 h。在噴砼施工現(xiàn)場(chǎng)中，噴砼回彈量浪費(fèi)施工原料和增加施工成本的主要原因，由于噴砼回彈量控制不佳，影響施工效率和施工進(jìn)度，而且噴砼強(qiáng)度不穩(wěn)定，影響最終施工成本和施工進(jìn)度。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，噴射砼回彈量為30%，需要加強(qiáng)噴砼回彈量控制與管理。

2.2 問題原因分析

對(duì)噴砼回彈量控制不足的原因進(jìn)行分析，可知影響噴砼回彈量的因素包括：（1）噴砼噴料級(jí)配不合適，對(duì)原料的配比控制不足，影響最終回彈量控制；（2）速凝劑的選擇和摻入少量不合適，未能達(dá)到最佳配比；（3）噴砼施工的供水量、噴射角度、溫度、風(fēng)壓等因素控制不足。為了加強(qiáng)噴砼回彈量控制，采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方式，分析各種因素的影響，并且采取有效的措施進(jìn)行控制管理。

3 噴砼回彈量影響因素分析

3.1 水灰比的影響

噴砼回彈量與水泥的凝結(jié)時(shí)間直接相關(guān)，而水灰比對(duì)水泥凝結(jié)時(shí)間的影響會(huì)影響噴砼回彈量。通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)比，對(duì)不同水灰比的水泥凝結(jié)時(shí)間和噴砼回彈量的研究表明，水灰比較小的情況下，水泥初凝與終凝時(shí)間短，但是水泥灰塵多，回彈率高，噴砼表面容易出現(xiàn)砂窩、不密實(shí)等情況，水泥表面顏色暗沉，而且強(qiáng)度不滿足設(shè)計(jì)需求。如果水灰比過大，則會(huì)出現(xiàn)噴砼表面拉毛、滑動(dòng)流淌等質(zhì)量問題，噴砼厚度控制難度較大。為了有效控制噴砼質(zhì)量和噴砼回彈量，需要將水灰比控制在0.4~0.5之間，才能保證噴砼強(qiáng)度好，不流淌，黏性好，表面水亮光澤，而且有效降低回彈量。

在本項(xiàng)目工程中，選擇修建20 t容量高位水池作為施工用水。工程期間，水壓穩(wěn)定，供水鋼管截面較大而且軟管長度一致，便于后期控制。為了有效控制水灰比，可以選擇帶刻度開關(guān)裝在噴頭接水管處，對(duì)水量進(jìn)行定量控制。施工期間，每隔20 min測(cè)量噴漿機(jī)所需要的水流量，有效控制水流量，以保證最佳水灰比。

3.2 速凝劑摻量

噴砼速凝劑可以提高噴層黏性，合理地使用速凝劑能夠增強(qiáng)巖石和噴層的粘結(jié)強(qiáng)度，從而縮短噴砼凝結(jié)時(shí)間，減少回彈率。速凝劑在噴砼中的作用機(jī)理是，當(dāng)將速凝劑摻入水泥中時(shí)，水泥水化會(huì)促使速凝劑的硫酸和石膏反應(yīng)聲場(chǎng)硫酸鈣，從而析出鈣和氧化鋁，促使水泥形成氯酸鹽結(jié)構(gòu)，促使水泥加快凝結(jié)。一方面速凝劑可以縮短噴砼凝結(jié)時(shí)間，促使噴層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，發(fā)揮結(jié)構(gòu)承載作用，提升其強(qiáng)度，避免圍巖變形發(fā)展。另一方面，速凝劑過量會(huì)影響后期強(qiáng)度，并且影響水泥石的收縮率。

通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，分別研究不同速凝劑摻量下的水泥速凝效果和噴砼強(qiáng)度，研究不同齡期速凝劑含量對(duì)回彈量的影響。研究顯示，速凝劑主要影響噴砼后期強(qiáng)度，從而影響噴砼回彈量。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工條件，速凝劑摻量控制在2.5%~4%之間可以達(dá)到最佳巧果。不同隧道部位的摻量有所不同，拱部的最佳摻量在3.5%左右，而邊墻部摻量在3%左右。

3.3 噴砼風(fēng)壓的影響

噴砼風(fēng)壓是影響噴砼工藝的關(guān)鍵因素之一，通常噴射機(jī)的風(fēng)壓控制在0.15~0.4 MPa之間，最高風(fēng)壓在0.8 MPa。噴砼風(fēng)壓與噴距和噴料級(jí)配密歇相關(guān)，當(dāng)噴砼風(fēng)壓越高，則噴砼密實(shí)度越高，后期強(qiáng)度也會(huì)更大。而如果風(fēng)壓過高，反而會(huì)影響噴砼黏著力，影響噴料顆粒和噴料反彈量。但是如果風(fēng)壓過低，會(huì)造成噴管堵塞，也會(huì)由于風(fēng)壓不夠大造成噴料散落，影響最終噴砼質(zhì)量。通過現(xiàn)場(chǎng)施工試驗(yàn)，在線廁細(xì)度模量為2.6的機(jī)制砂和1.2的距離情況下，對(duì)風(fēng)壓和噴砼回彈量的關(guān)系進(jìn)行試驗(yàn)。在線廁0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4、0.45、0.5 MPa等不同風(fēng)壓強(qiáng)度下，研究顯示在其他參數(shù)不變的情況下，0.3 MPa的風(fēng)壓噴砼回彈量最低，而且噴砼質(zhì)量最佳。

3.4 噴距和噴射角度的影響

選擇現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方式，對(duì)噴距和噴射角度進(jìn)行分析。選擇一定級(jí)配的集料，固定其他參數(shù)，對(duì)噴距進(jìn)行研究，選擇0.5、0.8、1.2、1.4、1.6、2.0 m等不同的噴距下進(jìn)行研究，研究顯示，在噴距為1.2 m時(shí)的噴砼回彈量最低。

結(jié)合以往的施工經(jīng)驗(yàn)，對(duì)噴射角度進(jìn)行研究，研究顯示：（1）噴射角度為80°的情況下，噴嘴向上，噴射效果最佳；（2）如果是曲面，應(yīng)該選擇與曲面法線平行的方向進(jìn)行噴射，同時(shí)需要研究中立對(duì)噴射的影響。

3.5 其他因素影響

除了以上因素之外，噴料的級(jí)配和溫度對(duì)噴砼強(qiáng)度和回彈量的影響也十分明顯。現(xiàn)場(chǎng)研究顯示，噴料級(jí)配應(yīng)該適當(dāng)，當(dāng)噴漿砂細(xì)度模量為2.6左右時(shí)最佳。溫度較高時(shí)應(yīng)該適量減少速凝劑用量，而溫度低的情況下需要增加其用量。為了保障最佳的噴射效果，選擇機(jī)制砂作為噴漿砂，機(jī)制砂具有表面粗糙等特點(diǎn)，噴砼強(qiáng)度高，回彈量低。

4 噴砼回彈量控制措施

結(jié)合以上研究，需要從材料、機(jī)械和技術(shù)等方面加強(qiáng)控制，從而提升噴砼強(qiáng)度，有效控制噴砼回彈量，有效提升噴砼質(zhì)量。

4.1 混凝土材料的控制

混凝土是噴砼的主要材料，為了有效控制噴砼回彈量，需要從混凝土原料入手，加強(qiáng)各方面的材料控制。

第一，砂。噴砼施工過程中，機(jī)制砂具有粘聚性較好，表面粗糙等特點(diǎn)。選擇機(jī)制砂有助于降低噴砼回彈量，提升噴砼穩(wěn)定性。隧道施工要求高，對(duì)混凝土的要求也高，為了提升噴砼質(zhì)量，需要對(duì)機(jī)制砂的雜質(zhì)含量和細(xì)度模數(shù)進(jìn)行控制。在噴砼施工過程中，需要綜合各種因素調(diào)整機(jī)制砂的用量，確保各方面配比達(dá)到最佳狀態(tài)。水泥標(biāo)號(hào)必須達(dá)到42.5級(jí)以上，而且優(yōu)先選擇普通硅酸鹽水泥，從而提升圍巖強(qiáng)度。在噴砼施工前，需要對(duì)水泥強(qiáng)度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與反復(fù)試驗(yàn)，確保配合比滿足要求，才能投入使用。

第二，減水劑選擇。減水劑是噴砼施工的重要原料，隧道施工需要用到大量混凝土，水的用量也會(huì)明顯增大。但是水分過多會(huì)影響噴砼穩(wěn)定性，造成噴砼回彈。為了降低噴砼回彈，需要選擇合適的減水劑，并且科學(xué)合理使用減水劑，以增強(qiáng)混凝土拌和量的流動(dòng)性，增強(qiáng)原料和混凝土的粘聚性能。在噴砼施工過程中，減水劑的控制難度較大。為了減少控制難度，確保比例控制準(zhǔn)確，可以將減水劑加入拌和噴射的水中，充分混合后發(fā)生作用，起到減水和速凝的效果。

第三，速凝劑。速凝劑作為噴砼施工的外加劑，可以提升噴砼穩(wěn)定性，提升噴砼早期穩(wěn)定性。為了確保速凝效果，需要合理使用速凝劑，根據(jù)水泥和砂石的比例選擇相應(yīng)的速凝劑摻量。速凝劑產(chǎn)量不能太多，以免影響噴砼施工質(zhì)量。

第四，合成纖維。合成纖維能夠利用其聯(lián)結(jié)作用，提升混凝土的拌和粘聚性，從而有效降低噴砼回彈量。在原料配合比中，選擇合適的合成纖維，選擇直徑在40~50 μ，單絲長度在7~18 m的合成纖維。合成纖維的量不能太多，一般控制在1.2 kg/m3。將合成纖維加入噴砼施工中，可以提升混凝土強(qiáng)度，提升混凝土年度，減少噴砼收縮裂縫，降低回彈量，改善其表面性能。

第五，坍落度?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究表明，當(dāng)噴砼混凝土的坍落度控制在70~90 mm之間時(shí)，噴砼的回彈量小，施工強(qiáng)度滿足施工需求。因此需要加強(qiáng)原料控制，從材料性質(zhì)、拌和性能等方面開展控制，確保混凝土拌和性能，并且有效控制其坍落度。

第六，拌和溫度。拌和溫度對(duì)原料拌和具有直接的影響，也會(huì)影響到噴砼回彈量。溫度太高或態(tài)度都將會(huì)影響混凝土水化過程，增加混凝土回彈量。因此需要將拌和料溫度控制在10~30 ℃之間，拌和期間需要對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，采取有效控制拌和溫度。

4.2 機(jī)械設(shè)備的控制

選擇合適的噴砼設(shè)備，能夠提升施工質(zhì)量，有效控制噴砼回彈量。濕噴機(jī)的選擇是噴砼施工的關(guān)鍵設(shè)備之一，可以選擇KSP-500型濕噴機(jī)。該型濕噴機(jī)可以由高壓風(fēng)帶，將混凝土拌和料和高壓風(fēng)進(jìn)行混合后，帶到掌子面。濕噴機(jī)的噴嘴前細(xì)后粗，可以有效提升噴砼速度，從而提升噴砼效率，也能夠提升噴砼質(zhì)量。

4.3 施工技術(shù)的控制

噴砼施工技術(shù)對(duì)噴砼回彈量影響很大，加強(qiáng)對(duì)施工技術(shù)的公職，嚴(yán)格按照施工要求開展施工，可以提升噴砼施工質(zhì)量，減少噴砼回彈量。需要按照以下流程加強(qiáng)施工控制。

第一，處理噴面輪廓。首先需要對(duì)噴面輪廓進(jìn)行處理，確保輪廓圓順，隧道噴砼施工時(shí)，必須進(jìn)行初噴以提升隧道強(qiáng)度。將初噴的厚度控制在4 cm以上。初噴有助于填塞圍巖裂縫，從而提升隧道表面強(qiáng)度，以免隧道開挖后崩塌。利用初噴在圍巖表面形成堅(jiān)硬的混凝土殼，加固圍巖。

第二，機(jī)械設(shè)備檢查。施工前必須對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行全面檢查，包括噴射機(jī)械、壓力表、安全閥等，確保設(shè)備正常運(yùn)行，壓力表和安全閥等零部件正常工作。平常要做好設(shè)備保養(yǎng)，確保設(shè)備狀態(tài)良好。

第三，開機(jī)準(zhǔn)備。只有在系統(tǒng)風(fēng)壓≥0.5 MPa才能開始噴射施工，如果風(fēng)壓＜0.5MPa就開始噴射會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)管堵塞。開機(jī)后，對(duì)風(fēng)壓表進(jìn)行觀察，根據(jù)施工情況對(duì)風(fēng)壓和風(fēng)量進(jìn)行控制。通過控制風(fēng)壓確保噴射情況，保證噴嘴出料符合要求，通常拱部噴砼風(fēng)壓可以控制在0.3~0.5 MPa，邊墻噴砼風(fēng)壓可控制在0.2~0.4 MPa。

第四，噴射順序。嚴(yán)格按照自上而下的順序進(jìn)行噴射，以便噴射回彈，導(dǎo)致墻角堆積混凝土，影響噴砼密實(shí)度。噴砼施工通常選擇分層施工，噴嘴采用螺旋形運(yùn)行，盡量保持勻速噴砼。

第五，停機(jī)操作。噴砼作業(yè)完成后，按照規(guī)定順序進(jìn)行停機(jī)操作，首先關(guān)閉主電機(jī)，然后按照振動(dòng)電機(jī)、速凝劑計(jì)量開關(guān)、主風(fēng)閥的順利依次關(guān)閉。

第六，混凝土養(yǎng)護(hù)。噴砼施工完成后，需要立即開展混凝土養(yǎng)護(hù)工作。噴砼從噴射到終凝的時(shí)間為2 h左右。養(yǎng)護(hù)期間，開展灑水養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間≥7 d，不可暴曬，也不可在低溫情況下開展養(yǎng)護(hù)。

5 結(jié)語

綜上所述，通過大量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，噴砼回彈量受到多種因素的影響，其中原料、級(jí)配、用水、風(fēng)壓、噴距、設(shè)備等均會(huì)對(duì)噴砼回彈量造成影響，這些因素之間相互聯(lián)系又相互制約。在現(xiàn)有的條件下，加強(qiáng)噴砼原料、施工工藝和施工設(shè)備的控制，對(duì)材料的配合比進(jìn)行控制以提升混凝土粘接力、控制風(fēng)壓增強(qiáng)混凝土噴射效率、控制噴砼工藝以改善噴砼質(zhì)量，最終將隧道噴砼工序時(shí)間減少了100 min，而且將回彈量控制在17%，達(dá)到工程要求標(biāo)準(zhǔn)，有效地控制了噴砼回彈量。在噴砼回彈量的研究中，結(jié)合以往的施工經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，可以找出相關(guān)因素的最佳結(jié)合點(diǎn)。在研究的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)綜合控制，可以明顯提升施工效益，也可以節(jié)約施工成本，推動(dòng)噴砼工藝的發(fā)展。