湿式喷射混凝土技术在隧道施工中的应用

湿式喷射混凝土技术在隧道施工中的应用摘要本文介绍了湿式喷射混凝土技术在隧道施工中的应用，重点介绍了湿式喷射混凝土的材料选择、配比设计、配套防排水措施及现场试验中数据的采集与问题分析。关键词湿式喷射混凝土隧道施工实际应用一.前言重庆至遂宁高速公路大学城隧道全长3875米,该隧道为单向双洞汽车专用隧道。两洞轴线相距50米,隧道主要穿越Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类围岩，其中主要以Ⅲ类围岩为主,约占全遂长度的45%，围岩风化较为严重，属于富水隧道。根据详勘报告显示，本隧道有1.8Km穿越高压富水带，其承压水静水压为1~1.5Mpa。原设计采用喷锚支护作为永久支护结构。然而由于担心喷射混凝土（干式、潮式）的质量稳定性差、变异系数大及众所周知的喷混凝土开裂、起皮等现象，使得传统的干潮喷法不能满足区间永久支护结构的需要。而国外进口湿喷机代价大，成本高成为喷锚支护结构施工的一大障碍。随着国内小型湿喷机的研制成功和湿喷技术在国内的推广应用，喷射混凝土质量稳定性大大提高、变异系数相应减少，同时也克服了喷混凝土易开裂、起皮的现象，同时也使湿喷混凝土造价大大降低。签于此，我们在开展隧道施工的同时，于2003年12月至2005年8月期间，圆满完成了3875米长的现场湿喷施工，同时进行了相关的技术研究，取得了良好的使用效果和研究效果。二.机具设备1、工作台架结构合理的工作台架不仅为喷射作业提供便利的工作空间，且由于易于掌握喷射距离而能够大大地提高喷射混凝土质量。因此根据断面大小现场加工制作了可移动简易工作台架。台架长度设计为5m（一个喷射作业循环长度），方便前后移动台架，可节省拆卸台架占用的大量作业时间。2、上料平台上料平台高度在0.5m以上比较合适。3、混凝土喷射机选用的机型为DSP-Ⅱ型湿喷混凝土机4、混合料搅拌机（常规强制式混凝土搅拌机，配有计量设备磅秤、台秤等）5、空气压缩机（供风能力为：0.5MPa以上，供风量大于9m3/min）6、坍落度筒、100mm×100mm抗压标准模具、抗渗模具、喷射大板底模及其它辅助工具三、材料选择与配比的确定1、材料选择（1）水泥：腾辉牌普通硅酸盐水泥，标号32.5级。（2）砂：中粗砂。河砂，细度模数大于2.51，含泥量小于1.8%，视比重2.65，密度1.52g/cm3，级配见表1。（3）粗骨料：花岗岩碎石，5~16mm连续级配，其级配如表2所示。现场用砂筛分结果表1筛子孔径(mm)4.752.361.800.600.300.150.075分计筛余(%)32311193194累主筛余(%)32637568796100粗骨料级配表表2筛孔尺寸(mm)169.54.752.36-通过率%04587100--（4）外加剂①速凝剂：湿喷作业要求使用液体速凝剂，根据国内市场及应用情况，经过多方比较，初选了FSA型和YBS型两种液体速凝剂作为主选材料。按照国家现行规范标准，对于喷射混凝土进行了速凝剂的净浆适应性试验，其要求是初凝不超过5min，终凝不超过10min。2003年12月我们用现场水泥（腾汇牌32.5级）分别对FSA型和YBS型液体速凝剂进行了凝结时间净浆适应性试验，通过试验确定了FSA型液体速凝剂做为最终现场用料。②防水剂：分别采用U型补偿收缩膨胀剂（内掺法：12%）和YB型高效防水剂（外掺法：8%）进行现场对比试验。③减水剂：选用FDN-SPR高效减水剂，掺量在1%之间，其减水率可达25%以上，以调整喷射混凝土拌合物的坍落度值，更好地满足湿喷需要。2、配合比的确定按照湿喷机的技术要求，以1：2：2：0.5（水泥：砂：石：水）为基准配合比，分别对U型膨胀剂和YB型防水剂进行配比试验，采用FDN-SPR高效减水剂调节其坍落度，使其达到10~18m坍落度和不泌水、粘聚性好为目标。通过试验，U型膨胀剂掺入12%（内掺法，另掺入0.8%的减水剂），TJ-II型防水剂掺入4%均可达到湿喷技术要求，并具有较好的和易性与粘聚性。采用10×10×10标准模具做抗压试验，对其强度做初步分析可以发现525号水泥、EA-C型膨胀剂和TJ-II,型防水剂均可满足C20强度标准，并决定作为现场试验用材。确定的配合比为：配比一：水泥：砂：石：水：TJ-II型防水剂1:2:2:0.5:0.04配比二：水泥：砂：石：水：EA-T型膨胀剂0.88:2:2:0.5:0.12；掺TJ-G高效减水剂0.8%四现场试验1、地质概况根据地质详勘报告：当隧道掘进至雷口坡组、嘉陵江组及飞仙关组灰岩地层中的裂隙密集地段、岩溶发育地段可能发生大股涌水并夹带大量泥砂现象，水压可达1～1.5MPa。其中，对雷口坡组与须家河组、雷口坡组与嘉陵江组、嘉陵江组与飞仙关组、飞仙关组三段与飞仙关组二、四段接触界面以及断层破碎带等各岩组地层界面附近突水的危险。而中梁山背斜呈典型的平顶陡翼背斜构造，除中部900米产状稍平缓外，两翼岩层陡峻；就国内目前的勘探技术，要彻底摸清所有含水层段落的水压、溶洞的发育情况、相互水力联系以及其中地下水的补给、径流排泄状况弄清楚几乎是不可能的。根据地质详勘报告：当隧道掘进至雷口坡组、嘉陵江组及飞仙关组灰岩地层中的裂隙密集地段、岩溶发育地段可能发生大股涌水并夹带大量泥砂现象，水压可达1～1.5MPa。其中，对雷口坡组与须家河组、雷口坡组与嘉陵江组、嘉陵江组与飞仙关组、飞仙关组三段与飞仙关组二、四段接触界面以及断层破碎带等各岩组地层界面附近突水的危险。据勘察资料，须家河组煤系地层具有强结晶类腐蚀和强分解类腐蚀，雷口坡组和嘉陵江组二、四段具弱~中等结晶类腐蚀和弱~中等分解类腐蚀，对地下水具腐蚀性地段应采取相应的抗腐蚀水泥及提高水泥标号。根据隧道混凝土抗腐蚀性要求，对于隧道洞身有地下水腐蚀段情况提以下处理措施：A、施工中逐段对隧道地下水进行取样分析，确认相应里程段落地下水腐蚀性及其类型，以便及时采取工程整治措施。B、提高结构的抗渗抗裂能力，砼抗渗标号不低于S10，C、鉴于地下水对砼的腐蚀，设计在喷射混凝土中添加抗腐蚀膨胀剂以提高二次衬砌模筑砼的抗渗标号及抗裂能力。2、现场试验与应用概况试验段全长35.552m，砂、石料、混凝土搅拌机进洞在洞内搅拌作业。现场试验工作自2003年12月开始至2004年2月结束前后共延续了近3个月的时间，其后在地铁试验段全面推广应用。35.552m试验段因掺加的外加剂不同而分为两段，其中YK5+435.552~YK5+420共计15.552采用EA-C型防水剂，而YK5+420~YK5+000共计20m采用EA-C型膨胀剂，并加入0.8%~1%的TJ-G型高效减水剂，以上两段试验全部采用8604型液体速凝剂。3、湿式喷射混凝土的工艺特点（1）混凝土搅拌工艺湿式喷射混凝土采用的是成品混凝土喷射，水灰比比较容易控制，要求计量必须准确，以确保混凝土的品质，这也正是湿式喷射的先进性的体现。投料顺序与搅拌时间：粗、细骨料---水泥---外加剂（搅拌1.5min）---水（搅拌2min）。（2）喷射前岩面的处理与干式喷射一样，首先应在喷射前对待喷面施作必要的处理措施：凿除部分松动岩石；用高压风、水冲洗基面的油、污等物；对煌斑岩脉夹层进行清洗。（3）地下水的处理喷射前紧贴围岩表面安设软式弹簧盲管作为喷射混凝土背后排水系统，以此起到疏水泄压的作用，以降低地下水水位压力，提高锚喷结构的防水效果。共布设了两种类型的盲管，其一为每隔5m一根的环向盲管，并在边墙两侧盲管未端设泄水孔；其二为在集中出水点或面状淋水点设局部盲管，局部盲管与邻近的环向盲管相连。盲管安设必须紧贴岩面，以获得最佳排水效果。（4）湿式喷射作业的特点由于DSP-Ⅱ型湿喷机工作原理是采用稀薄流空气输送，其要求的风压和耗风量较大，喷射速度高力度大，喷混凝土层密实性好，且与岩面的粘结强度高，喷混凝土层具有较好的整体效果。湿喷作业时，料束堆积附着力好，喷混凝土层厚度大，回弹率低，同时粉尘少，可见度高，可大改善工人的作业环境。但是，湿喷作业由于风压较大，喷头的反作用力也大，给喷射手操作增大了工作强度。湿喷砼工艺流程图五.数据测试及结果分析1、坍落度的测定风压控制液体速凝剂运输拌合计量配合比设计原材料选择湿喷机受喷面60～100cm在试验中我们对出罐混凝土坍落度进行抽查测试，其结果（见表3）统计表明，坍落度值具有一定的差别，其变化附合正态分布，但总体上还是能够满足湿喷的要求的。大致有80%以上的测试结果落在8~19m之间，仅有个别时坍落度值过大或过小，特别有几次坍落度值过小，产生较大的脉冲，不利于喷射作业。出罐混凝土坍落度抽查测试结果表表3坍落度范围（cm）88-1010-1313-1516-1919-2020合计第一阶段配合比一出现次数26121294148出现频率4.212.529.225.018.88.32.1100第二阶段配合比二出现次数391216104357出现频率5.315.821.128.117.57.05.3100从绘制的两种不同外加剂的坍落度值统计直方图（图1）可以看出，配比二的坍落度值较为分散，离散性大，这主要与配比二采用减水剂有关，减水剂的加入仅为水泥用量的0.8%，每搅拌机减水剂只有0.8kg，因加入量少而相对误差大。024681012141688~1010~1313~1516~1919~2020配合比一配合比二图1坍落度测试统计图2、回弹率的测试与粉尘的观察回弹率的大小与拌合物的坍落度、喷射角度与喷头距离、以及工作风压等有较大的关系，如表#为回弹率统计结果与相关因素关系，从表中可以清楚的看到，回弹率与坍落度有着较大的关系，即坍落度值越大其回弹值就越小，同时大的坍落度值流动性好，所需的工作风压也小，喷射时产生的脉冲频率小且粉尘少。但这并不是说坍落度大喷射效果就好，因较大的坍落度其粘聚性就受到一定的影响，喷射混凝土在终凝前是要靠其自身的粘聚性堆集成型的。测试回弹率及其相关影响因素表表4坍落度(cm)19-2017-2215-161413119-128-128-97回弹率(%)891112131415161821出现次数2123247941粉尘、脉冲、风压工作风压0.4至0.25略有脉冲，粉尘少量，能见度好脉冲较频，粉尘较多，能见度较差3、抗压强度测试抗压强度试件采取喷大板法制作，模拟现场施工采用自然养护，然后切割成10cm3的标准试件，养护28天送试验室测其抗压强度。我们分别对两种不同的防水外加剂制作有速凝剂喷大板试件、无速凝剂喷大板试件、及同配比浇灌试件试验，用以对比两种外加剂、分析速凝剂对混凝土的影响，对比分析喷射混凝土与模筑混凝土的不同。喷射混凝土28天强度同比结果对比表（配比参见上文）表5配比一(掺TJ-U型防水剂)配比一(掺TJ-U型防水剂)编号强度编号强度编号强度编号强度编号强度编号强度132．7530834.41126.61425.51730.4235．7628.7934.71229.81524.91827.5340．1732.71040.91327.61626.71928.5414.5(有明显缺陷舍弃)8477.186.4平均36.230.536.72825.728.8对比值0.9660.83110.9760.89211.18711.0891表5为现场试验强度结果及对比分析值，从中可以看出，有速凝剂喷混凝土较无速凝剂现浇混凝土的强度略微有些变小，但同比对比值却接近1，说明喷射混凝土并不会减弱混凝土的强度值。但有速凝剂的喷射混凝土强度却明显高于无速凝剂喷射混凝土强度，其试验高出值约为10%。从一个侧面也说明了速凝剂在喷射混凝土中的重要作用。试验结果表明，两种配比的抗压强度平均值分别为36.2MPa、28MPa，且单组强度值也均大于25MPa，说明二者都能满足C25喷混凝土的设计标号。同时由表中的试验数据也可以说明，配比一的喷射混凝土达到C30标号，配比二的喷射混凝土达到C25完全没什么问题。湿喷混凝土的质量是比较稳定的，但仍存在个别试件强度过低的现象。如编号4试件强度值仅为14.7MPa，远远低于同配比的其它强度值，其主要有两方面的原因，其一为洞内