礦山法隧道噴射混凝土超耗控制技術(shù)

李建林 周長(zhǎng)林 吳金剛

北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司 100082

引言

隨著我國社會(huì)與經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，我國隧道及地下工程發(fā)展迅猛，截止2020 年，我國公路隧道數(shù)量達(dá)到21316 處，總長(zhǎng)度達(dá)到2199.9 萬米，其中特長(zhǎng)隧道1394 處，總長(zhǎng)度達(dá)到623.6萬米［1］。我國已成為世界上隧道建設(shè)規(guī)模最大、數(shù)量最多、速度最快的國家之一。

隨著我國公路隧道的大規(guī)模建設(shè)，也暴露出一些技術(shù)問題亟待解決，其中隧道噴混超耗就是典型問題之一［2］。建筑業(yè)碳排放量超過全國碳排放量的一半，其中鋼材、水泥碳排放占建材生產(chǎn)碳排放的89.2%［3］。鉆爆法隧道建設(shè)過程中，控制超挖、減少噴混回彈量等對(duì)降低項(xiàng)目成本、提高經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益都有著積極的影響，將是碳中和進(jìn)程中重要的一個(gè)環(huán)節(jié)［4-9］。

對(duì)于隧道超挖控制，鞏中江等為減少鐵路隧道超挖，通過對(duì)周邊孔間距、光爆層厚度、炮孔長(zhǎng)度、裝藥量和分段裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了爆破效果滿足鐵路隧道光面爆破控制的要求［4］。劉義等針對(duì)上軟下硬的不均勻地質(zhì)，提出采用機(jī)械開挖輔以弱爆破的開挖方式及其他措施來降低隧道超欠挖程度，并提出改進(jìn)每循環(huán)進(jìn)尺、精準(zhǔn)計(jì)算炮眼深度、充分利用超前小導(dǎo)管等方式可減小隧道超欠挖［5］。

對(duì)于隧道噴混回彈控制，張海波建議降低噴射混凝土超耗主要從控制隧道平均線性超挖、控制噴射混凝土回彈量、加強(qiáng)施工組織管理這3 個(gè)方面著手［6］；劉康研究了3 種礦物摻合料和2 種有機(jī)高分子材料作為回彈抑制材料對(duì)混凝土性能的影響，并驗(yàn)證了其對(duì)噴射混凝土回彈抑制的效果［7］；郭永忠采用現(xiàn)場(chǎng)噴射試驗(yàn)手段發(fā)現(xiàn)提高砂率有助于降低混凝土的回彈率，同時(shí)粉煤灰加入量的提升，需水量也隨之逐步提升，回彈率有所下降［8］；寧逢偉等為理清濕噴混凝土回彈率的主要控制因素，從混凝土原材料、配合比、施工工藝三個(gè)方面綜述了各因素對(duì)回彈率的影響，得出摻加摻合料、摻加纖維、提高摻合料細(xì)度、降低骨料最大粒徑等措施均可降低混凝土在噴射傳輸過程中的分散性，從而降低回彈率［9］。

在此大背景下，本文基于國道109 新線高速公路工程，開展隧道噴混超耗的試驗(yàn)和研究。

1 工程概況

國道109 新線高速公路工程?hào)|起西六環(huán)路，向西經(jīng)門頭溝區(qū)妙峰山、王平、雁翅、齋堂、清水，出市界接河北省張涿高速公路，路線全長(zhǎng)約65.4km。全線設(shè)隧道16 處，其中特長(zhǎng)隧道4 處、長(zhǎng)隧道7處，中短隧5處，累計(jì)路線長(zhǎng)度34.7km，占比53%。其中黃臺(tái)隧道左線長(zhǎng)3974m，右線長(zhǎng)4021m，為特長(zhǎng)隧道，全線地質(zhì)條件主要為強(qiáng)風(fēng)化～微風(fēng)化的灰?guī)r。

2 隧道噴混超耗主要影響因素

本文結(jié)合黃臺(tái)隧道實(shí)際施工情況，對(duì)施工過程中已施工部分區(qū)段隧道噴混超耗及噴混回彈等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，得出隧道總體噴混超耗率平均達(dá)到41.4%，噴混回彈率平均達(dá)到25.9%。

隧道噴混超耗在隧道施工中主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一方面是隧道超挖引起的超耗，另一方面是初支噴射混凝土回彈引起的超耗。噴混超耗直接造成工程投資的增加和資源浪費(fèi)，非常有必要進(jìn)行噴混超耗的影響因素和控制措施的研究。

2.1 隧道超挖影響因素

根據(jù)隧道實(shí)際施工流程，隧道開挖主要包含測(cè)量放樣、鉆眼和裝藥爆破，每一步操作不當(dāng)都可能會(huì)造成隧道超挖。

隧道開挖掌子面鉆眼前，測(cè)量人員通過測(cè)量放出隧道中線、開挖輪廓線和炮眼等的位置，鉆眼作業(yè)人員根據(jù)測(cè)量放樣位置鉆眼。因此，測(cè)量放樣準(zhǔn)確性對(duì)超挖影響較大。

鉆眼作業(yè)人員根據(jù)測(cè)量放樣鉆眼，由于操作空間的局限性，一般鉆眼時(shí)均需保證一定的外插角，鉆桿外插角控制不好就容易造成超挖過大，同時(shí)，鉆眼長(zhǎng)度也直接關(guān)系超挖大小。因此，鉆眼也是影響超挖的重要因素之一。

裝藥必須嚴(yán)格按照爆破設(shè)計(jì)裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行，明確是連續(xù)裝藥、間隔裝藥還是不耦合裝藥。實(shí)際過程中，經(jīng)常出現(xiàn)按照經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行裝藥，裝藥超過設(shè)計(jì)裝藥量就容易造成超挖。因此，裝藥也是影響超挖的重要影響因素之一。

綜上，測(cè)量放樣雖影響大但易控制，鉆孔角度和裝藥結(jié)構(gòu)是需重點(diǎn)控制的因素。

2.2 隧道噴混回彈影響因素

隧道開挖完成后，需及時(shí)對(duì)圍巖進(jìn)行初期支護(hù)，初期支護(hù)主要由噴混、錨桿、鋼筋網(wǎng)及鋼拱架組成，根據(jù)圍巖級(jí)別的不同，支護(hù)方式會(huì)有不同，但噴混是各圍巖級(jí)別共同的支護(hù)材料之一。

隧道噴混超耗除超挖引起外，另一個(gè)主要因素是初支噴混回彈造成的超耗。噴混回彈是噴混粒料與圍巖、鋼拱架、鋼筋網(wǎng)或已噴射粒料相碰撞后，噴混粒料從受噴面彈落的現(xiàn)象。噴混回彈與原材料配合比、噴射工藝參數(shù)和噴射方案等直接相關(guān)。原材料包括骨料、水、水泥、礦物摻合料和速凝劑等；噴射工藝參數(shù)包括噴射角度、噴射距離和噴射壓力等；噴射方案包括噴射厚度、素噴或掛網(wǎng)噴等。

本文將依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，結(jié)合試驗(yàn)，重點(diǎn)研究速凝劑摻量和噴射距離對(duì)噴混回彈的影響。

3 隧道超挖控制措施

隧道超挖需從測(cè)量放樣、鉆孔和裝藥爆破三個(gè)方面進(jìn)行重點(diǎn)控制。

測(cè)量放樣時(shí)，建議采用隧道激光斷面儀等儀器準(zhǔn)確確定隧道開挖輪廓線和炮孔位置。利用醒目標(biāo)識(shí)標(biāo)記輪廓線、炮孔的準(zhǔn)確孔位，以便鉆眼作業(yè)人員準(zhǔn)確鉆眼。同時(shí)建議開挖完成后準(zhǔn)確測(cè)量開挖后的輪廓，為超挖控制提供數(shù)據(jù)支撐。

鉆眼作業(yè)人員施鉆前，需熟悉炮眼布置圖，嚴(yán)格按鉆爆設(shè)計(jì)和測(cè)量放樣施鉆，不得隨意更改炮孔的間距和位置。周邊眼施鉆時(shí)，需嚴(yán)格控制鑿巖機(jī)鉆桿角度，以控制超挖量。

裝藥前，裝藥工需熟悉各炮孔爆破設(shè)計(jì)，準(zhǔn)確按照爆破設(shè)計(jì)裝藥。同時(shí)，相關(guān)人員需根據(jù)爆破后超挖情況，動(dòng)態(tài)調(diào)整周邊眼等裝藥結(jié)構(gòu)，以控制爆破引起的超挖。實(shí)際工程中，建議施工單位與爆破團(tuán)隊(duì)建立有效的溝通管理機(jī)制，盡可能控制隧道超挖。

黃臺(tái)隧道施工單位為了減少超挖引起的噴混超耗，針對(duì)隧道開挖環(huán)節(jié)進(jìn)行了有效調(diào)整和整改，加強(qiáng)了對(duì)各環(huán)節(jié)的管理和控制，通過對(duì)開挖各工序進(jìn)行嚴(yán)格管控之后，隧道超挖得到明顯改善。

4 隧道噴混回彈控制措施

4.1 試驗(yàn)方法及材料性能

為了研究低回彈噴射混凝土技術(shù)與噴射工藝，解決隧道噴射混凝土回彈率高的難題，本文采用現(xiàn)場(chǎng)稱重法研究噴混回彈問題，現(xiàn)場(chǎng)回彈試驗(yàn)如圖1 所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)回彈試驗(yàn)Fig.1 Field rebound tests

1.試驗(yàn)方法

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，選?、蠹?jí)圍巖區(qū)段開展相關(guān)試驗(yàn)。試驗(yàn)中將隧道兩側(cè)側(cè)墻區(qū)域人為劃分為1m×1m的分塊，每次噴射混凝土用量固定為360kg，噴射完成后清理、稱重脫落在地面上的混凝土，并通過計(jì)算脫落量占總用量的百分率來確定噴混的回彈率，試驗(yàn)中通過土工布和彩條布疊合的方式作為混凝土收集器。噴混回彈率公式為：

式中：ω 為噴混回彈率（%）；m1為回彈物重量（kg）；m0為噴混總重量（kg）。

2.原材料及施工機(jī)械

試驗(yàn)中利用現(xiàn)場(chǎng)濕噴機(jī)械手，濕噴機(jī)采用混凝土濕噴機(jī)CHP30F-A7。噴混采用商品混凝土，每立方用量中，水泥447kg，水170kg，砂798kg，石975kg，減水劑8.9kg，水膠比0.38，砂率45%。

4.2 速凝劑

噴射混凝土配合比是噴混回彈的重要影響因素之一，水膠比、砂率和速凝劑摻量等都對(duì)噴混回彈有一定的影響，本文通過試驗(yàn)研究速凝劑摻量對(duì)噴混回彈的影響。

為了較為準(zhǔn)確確定最優(yōu)速凝劑摻量，試驗(yàn)中共選取了0%、5%、6%、7%、8%、9%、10%七種工況進(jìn)行研究，具體回彈試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，各工況噴混回彈率見圖2。

表1 不同速凝劑摻量下回彈試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 The rebound test data under different quick-setting agent dosage

圖2 不同速凝劑摻量下回彈率曲線Fig.2 The rebound rate curve under different quick-setting agent dosage

由回彈率統(tǒng)計(jì)可知，回彈率與速凝劑摻量密切相關(guān)，速凝劑摻量少時(shí)，噴混回彈率高，原因是噴混硬化慢，噴射的混凝土不易迅速形成強(qiáng)度，易在后續(xù)噴混的沖擊下掉落；速凝劑摻量較大時(shí)，噴混回彈率也高，原因是噴混硬化過快，噴射混凝土能快速形成強(qiáng)度，后續(xù)噴射的粗骨料不易貫入既有噴混面中而導(dǎo)致回彈掉落。

針對(duì)不同的速凝劑摻量，分別制作了100mm×100mm×100mm的立方體試塊各9 塊，分別測(cè)驗(yàn)3h、1d及28d的試塊抗壓強(qiáng)度，見表2。

表2 混凝土試塊強(qiáng)度Tab.2 Concrete test block strength

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，噴混3h 強(qiáng)度不得小于2MPa，1d強(qiáng)度不得小于10MPa，28d強(qiáng)度不得小于25MPa。根據(jù)強(qiáng)度試驗(yàn)，0%、5%及6%摻量3h強(qiáng)度不滿足要求，0%、5%及6%摻量1d 強(qiáng)度不滿足要求，其他均滿足強(qiáng)度要求。速凝劑摻量越高，早期強(qiáng)度越高，但28d 強(qiáng)度隨速凝劑摻量增大呈減小趨勢(shì)。

綜合考慮噴混回彈率和強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，本工程中速凝劑摻量建議控制在7%～8%左右，具體工程中需通過試驗(yàn)確定最優(yōu)摻量，動(dòng)態(tài)調(diào)整，滿足各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)要求。

4.3 噴射距離

為了分析噴射距離對(duì)噴混回彈的影響，試驗(yàn)中選取0.5m、1m、1.5m、2.0m 四種工況進(jìn)行研究，速凝劑摻量按照8%，具體回彈試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，各工況噴混回彈率見圖3。

表3 不同噴射距離下回彈試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.3 The rebound test data in different spraying distance

圖3 不同噴射距離下回彈率曲線Fig.3 The rebound rate curves in different spraying distances

由回彈率統(tǒng)計(jì)可知，噴射距離對(duì)回彈率影響較大，噴射距離較小時(shí)，噴混受到的撞擊力較大，造成回彈也大；噴射距離較大時(shí)，噴混易成散狀，骨料回彈較大，造成噴混回彈率高。

噴射距離控制在1m 左右可以起到有效控制噴混回彈的效果。

4.4 噴射回彈控制措施

在黃臺(tái)隧道的后續(xù)施工中，根據(jù)試驗(yàn)成果有效調(diào)整速凝劑摻量和控制噴射距離等，噴混回彈率得到了有效改善，平均回彈率達(dá)到17.5%，相比原噴混回彈率25.9%，噴混回彈率降幅達(dá)到了32%。

噴射回彈受諸多因素的影響，噴射施工中需不斷調(diào)整各項(xiàng)噴射參數(shù)，包括配合比、噴射工藝參數(shù)和噴射方案等。施工單位需加強(qiáng)噴混回彈的管理和控制，制定有效獎(jiǎng)懲措施，提高施工人員對(duì)噴混超耗控制的積極性。

5 結(jié)論與建議

本文通過對(duì)隧道噴混超耗開展試驗(yàn)和研究，主要得出如下結(jié)論：

1.隧道超挖引起的超耗重點(diǎn)是控制測(cè)量放樣、鉆孔和裝藥爆破三個(gè)程序，其中重點(diǎn)需控制鉆桿角度和裝藥結(jié)構(gòu)。

2.速凝劑摻量對(duì)噴混強(qiáng)度和回彈影響較大，采用7%～8%的速凝劑摻量是最優(yōu)摻量，既可以滿足強(qiáng)度要求，也可有效降低回彈。1m 左右的噴射距離是控制回彈較為合適的距離，可有效控制噴混回彈。通過優(yōu)化速凝劑摻量和噴射距離等關(guān)鍵參數(shù)，黃臺(tái)隧道施工中回彈率由25.9%下降到17.5%，效果明顯。

為了有效控制隧道施工過程中噴混超耗問題，建議隧道工程人員加強(qiáng)噴混超耗控制意識(shí)，加強(qiáng)相關(guān)研究和管理，為綠色、低碳、高質(zhì)量工程貢獻(xiàn)力量。