喷射混凝土在隧道工程建设中的应用探讨

喷射混凝土在隧道工程建设中的应用探讨
刘攀
引言
喷射混凝土具有支护及时、强度高、密实性强、操作简单、灵活性大等优点,特别是在软弱围岩地质条件下,配合钢拱架和系统锚杆作为联合支护,其优点更为明显。就新奥法原理而言,容许围岩产生变形,同时在变形过程中,通过围岩的自承受力和支护结构对围岩变形进行控制,以达到使围岩变形适度释放而非彻底释放的目的。因此,喷射混凝土在隧道工程的复合支护中逐渐得到了广泛应用。目前,在隧道工程复合支护中普遍采用的是喷射混凝土或喷射钢纤维混凝土,喷射方式主要采用潮喷和湿喷。
1、喷射混凝土的原材料及配合比控制
(1)拌和用水。工程中多以饮用水作为拌和用水,而pH<4的酸性水和硫酸盐含量>1%的水会影响水泥的正常凝结与硬化,不得使用。
(2)水泥。为保证喷射混凝土的凝固时间及与速凝剂的相容性,所用水泥应强度高、抗渗性和耐久性好。优先选用普通硅酸盐水泥,其次选用矿渣硅酸盐水泥和火山灰质硅酸盐水泥,在地质条件复杂的隧道中应采用早强水泥。
(3)骨料。混凝土的强度除取决于骨料的强度之外,还取决于水泥浆与骨料的粘结强度,同时骨料的表面越粗糙则界面粘结强度越高,因而使用碎石比用卵石好。试验表明,在一定范围内骨料粒径越小、分布越均匀,则混凝土强度越高。骨料最大粒径的减小,不仅增加了骨料与水泥浆的粘结面积,而且骨料周围的有害气体减少、水膜变薄,混凝土容易拌和均匀,从而有利于提高其强度。
(4)活性掺合料。利用活性掺合料代替部分水泥,不仅可以降低混凝土的成本,更重要的是可以利用活性材料中的活性成分与水泥的水化产物进行二次反应,生成水化硅酸钙与水化铝酸钙,新生成的水化产物不仅可提高喷射混凝土的强度和致密性,而且可以提高其抗冻、抗渗、抗腐蚀等性能。这一类活性掺合料主要是粉煤灰和沸石粉,掺量约为水泥用量的10%～20%。
(5)外加剂。为了降低用水量、降低回弹率和粉尘率,使喷射混凝土早凝早强,必须使用外加剂。速凝剂的最佳掺量一般为水泥用量的2%～4%。实际使用时,拱部用量可为2%～4%,边墙用量为2%。
(6)喷射混凝土的配合比不同于普通混凝土,需根据其施工工艺来确定。以湿喷为例,首先应确定水泥用量,根据经验,水泥用量宜为375～450kg/m3;其次确定砂率,宜选用粗砂或中砂,砂率宜为45%～55%;然后确定水灰比,水灰比宜在0.4～0.5。另外,要注意根据施工环境的温度、周围岩壁类别、施工队伍的施工水平作相应的调整。
2、喷射混凝土的施工过程控制
2.1喷射混凝土的回弹量控制
目前,在隧道复合支护工程的喷射混凝土施工中,考虑到环境和工人健康问题,大多采用潮喷方式,其回弹量普遍较大,平均在30%以上。就施工单位而言,多数隧道支护工程的利润主要来自开挖和初期支护,喷射混凝土的回弹量就是其中很重要的一项。
就如何通过技术改进和加强管理来降低喷射混凝土的回弹量问题,笔者对多座隧道工程、多个施工队伍施工喷射混凝土的情况进行了分析比较,认为如果能做好以下几点,可以将回弹量控制在15%～24%的范围:
(1)严格按《铁路隧道施工规范》和《公路隧道施工技术规范》对喷射混凝土的要求组织施工。
(2)操作手应认真、熟练掌握喷嘴与受喷岩面的距离(喷射距离)与角度。从施工现场情况看,喷射距离在0.6～1.2m时,混凝土的回弹量较小;喷射距离过大或过小,均会增加回弹量。在喷射过程中,应做到喷嘴与受喷岩面尽量垂直,略偏向刚喷射部位(倾斜角控制在10°之内),这样不仅可使回弹量减少,而且喷射质量更好。
(3)严格控制风压、水压和水灰比。根据实践经验,当输料管长度为20m时,合适的风压为1.0～1.3MPa;如果输料管需要接长,应结合施工情况调整风压。喷射混凝土的水压一般控制在稍高于风压即可,可以按水压高于输料管风压0.10～0.15MPa进行控制。喷射料的水灰比控制是比较困难的,主要依赖于喷射手的熟练程度,熟练的喷射手通过喷射混凝土的表面光滑度即可判定水灰比的大小。从理论上讲,控制水灰比在0.45～0.50,对控制喷射混凝土的回弹量和质量有利。
(4)认真控制混凝土的一次喷层厚度和分层喷射的间隔时间。
2.2喷射混凝土的厚度控制
(1)喷射混凝土的厚度应达到设计厚度,并符合规范允许的误差范围。从施工现场的情况看,个别隧道存在着喷射混凝土普遍偏薄的现象,这是有一定风险的。
(2)在有钢拱架作为初期支护的情况下,往往出现钢拱架处喷层厚、两钢拱架间喷层薄的情况,形成纵向波浪型。要解决这个问题,重点应放在喷射过程中,要求喷射手在全断面螺旋喷射完成后,及时对钢拱架进行补喷;或是在挂防水板前,对喷射混凝土表面进行检查,对厚度严重不够处,要克服困难进行补喷。
(3)对于局部喷射混凝土过厚的情况,在挂防水板前一定要将突出部分的混凝土剔除。
2.3喷射混凝土的强度试验方法
目前,有关混凝土强度检测的方法有:试块法、回弹-超声综合法、气压射钉枪法和切割钻芯法等。就喷射混凝土而言,笔者认为,切割钻芯法制作的试块接近于混凝土的真实情况,尽管这种方法相对费事,但作为工程质量控制手段是很必要的。
3、喷射混凝土的养护控制
养护是喷射混凝土施工中的一个重要环节,在正常养护条件下,由于胶凝材料的不断水化,混凝土强度随龄期的延长而增大。而水化速度与环境温度和湿度有关,由于经常放炮和通风不良导致隧道内的温度较高,喷射混凝土周围的空气相对比较干燥,加之水化热引起的混凝土内部温度较高,将使其表面水分很快蒸发,并引起水泥石毛细管中水分的继续蒸发。喷射混凝土中水泥与水接触的时间短且范围有限,较普通混凝土中水泥的水化程度更低。喷射混凝土的凝结过程也是水泥进一步水化的过程,但水泥的水化反应必须在有水的条件下才能发生,由于水泥石缺少水分而使水泥水化不能继续进行;还因为毛细管的引力作用在混凝土中引起收缩,由于此时喷射混凝土的强度还很低,收缩引起的拉应力将使混凝土开裂,破坏了混凝土结构,影响混凝土强度的继续增长;而且由于水化反应的停止,使水化物不能进一步向水泥石的毛细孔填充,还将影响混凝土的抗渗性。
4、施工应用中应注意的几个问题
(1)重视混凝土的喷射方式,积极推广运用湿喷技术。在湿喷过程中,事先可以准确计量包括水在内的各种材料,相对潮喷和干喷而言,控制水灰比在0.45～0.50比较容易,从而容易达到减少回弹量和粉尘的目的。另外,喷射混凝土在进入喷射机之前,已经是包括粗细骨料、水、水泥、外加剂的均匀拌合物,有利于保证喷射混凝土的质量。
(2)加强喷射混凝土配合比的调整和控制,尽量采用连续级配的骨料。施工中应重点控制好骨料的级配,除了要求工地试验室定期定量检测之外,还要求加强骨料的加工和采集,采取多种措施保证骨料的连续级配,切实做好材料的源头控制。例如对骨料粉尘量过大的情况,可采用在加工场骨料出口处安装抽风机等办法。
(3)做好光面爆破设计,保证光面爆破质量。光面爆破要针对不同等级的围岩单独设计,要考虑到炮眼布置、深度和角度、单孔装药量和装药结构、起爆顺序等因素,通过对光面爆破参数的改变和修正,保证不同围岩地段光面爆破轮廓圆顺(即保证开挖质量)。圆顺的开挖轮廓既有利于保证喷射混凝土的质量,更有利于减少喷射混凝土的回弹量。
(4)尽量采用大板切割的试验方法进行喷射混凝土的强度检测。大板切割是向木板或竹夹板上喷射13～15cm厚的混凝土,并对其进行养护,待达到一定强度后进行切割取样。这样得到的试块可以代表隧道内喷射混凝土的实际情况,而且切割操作简单,还不破坏原支护结构。
5、结论
综上所述,在隧道工程的喷射混凝土施工中,只有按照质量控制系统的要求,强化质量意识,加强质量管理,制定操作规程,采取各种有效措施来降低喷射混凝土的回弹量和粉尘,同时把好工序质量关,并加强质量检测,做到各道工序的工程质量有保证、不留任何隐患,才能保证施工的顺利进行和预期经济效益的实现,使喷射混凝土在隧道复合支护中发挥越来越重要的作用。