隧道喷射混凝土施工的质量控制措施

　0、前言

　　随着科学技术的发展，大量的新材料、新工艺、新设备、新技术不断应用于工程中，同时，隧道施工技术也在超长、大跨度、防水、穿过不良地层等方面取得了长足的进步，涌现出了大量的科技成果。锚喷构筑法在技术上有采用速度较快，支护及时、支护质量较好、强度高、密实度好、防水性能较好；省工、操作较简单，支护工作量减少；施工灵活性很大，可以根据需要分次喷射混凝土追加厚度，满足工作设计与要求等优点。

　　在国内，一些国际招标的大型水利工程中，如二滩水电站，黄河小浪底工程，三峡工程等，均是采用湿式混凝土喷射作业。国内目前使用的各种湿式混凝土喷射机多是从国外引进的设备。近几年来，国内一些单位也开发研制出几种湿式混凝土喷射机，但生产规模尚有待扩大。湿式混凝土喷射机主要优点有四个。

　　（1）湿法：作业大大降低了机旁和喷嘴外的粉尘浓度，消除了对工人健康的危害。

　　（2）生产率高。干式混凝土喷射机工作效率一般不超过5扩/h.而使用湿式混凝土喷射机人工作业时可达10m'/h，采用机械手作业时，则可达20扩/h，

　　（3）回弹度低。千喷时，混凝土回弹度可达15%~50%.采用湿喷技术回弹率可降低到10%以下。

　　（4）湿喷时，由于水灰比易于控制，混凝土水化程度高，故可大大改善喷射混凝土的品质，提高混凝土的匀质性，而干喷时，混凝土的水灰比是由喷射手根据经验及肉眼观查来进行调节的，混凝土的品质在很大程度上取决于机手操作正确与否。

　　1、施工工艺与原材料的控制

　　1.1 施工工艺

　　喷射前，应将岩面冲洗千净，并将表面软弱破碎岩石清扫干净。喷射作业应分区段进行，长度一般不超过6m，喷射顺序应自下而上。后一次喷射应在前一次混凝土终凝后进行，若终凝后1h以上再次喷射，应用风水清洗混凝土表面。边墙一次喷射厚度4~6cm，拱部则为2-4m，喷射2-4h后应洒水养护，一般养护7-14d，混凝土喷射后至下一循环放炮时间，应通过试验确定，一般不小于4h，放炮后应对混凝土进行检查，如出现裂纹，应调整放炮间隔时间或爆破参数。

　　1.2 原材料控制

　　（1）拌和用水：工程中多以饮用水作为拌和用水，而pH值小于4的酸性水和含硫酸盐量（SO₄，一）超过水量1%的水，含有影响水泥正常凝结与硬化的有害物质的水均不得使用。

　　（2）水泥：为保证喷射混凝土的凝固时间及与速凝剂的相溶性，所用水泥应具有强度高、抗渗性和耐久性好，应优先选用4S5，以上的普通硅酸盐水泥，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，使用前应做强度鉴定实验，水泥存放时严禁受潮和结块，也不得把不同规格、不同厂家的水泥混合使用。

　　（3）骨料：混凝土的强度除了取决于骨料的强度外，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界面粘结强度越高，因此用碎石比用卵石好。实验表明在一定范围内骨料粒径越小，分布越均匀混凝土强度越高，骨料最大粒径地减少不仅增加了骨料与水泥浆的粘结面积，而且骨料周围有害气体减少，水膜减薄，容易拌和均匀，从而提高了混凝土的强度。

　　（4）活性：掺和料：水泥水化是一个逐步发展的过程，在28d的龄期中，水泥的实际利用率仅占60%一70%，而另外的未水化的水泥中的Ca0后期遇水后生成Ca（OH）₂，产生体积膨胀，给后期强度带来不利影响，利用活性掺和料代替部分未水化的水泥，不仅可以降低成本，最主要的是可以利用活性材料中的活性成分（主要是Si0₂与AL₂0₃）与水泥水化产物Ca（OH）₂：进行二次反应，生成含水硅酸钙与含水铝酸钙，新生成的水化产物不仅提高了喷射混凝土的强度和致密性，而且提高了其抗冻、抗渗_、抗腐蚀等性能，这一类活性掺和料主要是粉煤灰和沸石粉，掺量约为水泥重量的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。应采用符合质量要求并对人体危害性很小的速凝剂，掺加速凝剂之前，应做速凝剂与水的相溶性实验及水泥净浆速凝效果实验，注意速凝剂效果实验，初凝时间不应大于5min，终凝时间不应大于10min，保持速凝剂干燥勿受潮变质，在喷射混凝土中添加速凝剂的目的是使喷射混凝土满足设计要求，促进早强。一般速凝剂最佳掺量约为水泥重量的2%一4%，实际使用时拱部可利用2%-4%，边墙可用2%，过多的掺量对喷射混凝土反而不利，这是因为速凝剂虽然加速了喷射混凝土的凝结速度，但也阻止了水在水泥中的均匀扩散，使部分水包裹在凝结的水泥中，硬化后形成气孔，另一部分水泥因而得不到充足的水分进行水化反应而干缩，从而产生裂纹。另外速凝剂掺人应均匀。

　　2、喷射混凝土配合比的设计与控制要点

　　喷射混凝土的配合比不同于普通混凝土的配合比，需要根据其施工工艺来选择，主要讲述C，喷射混凝土潮喷法的配合比的设计方法。为了减少回弹量需要较高的砂率，砂率增加意味着集料的总面积增加，这就要求用更多的水泥来包裹集料表面，以满足喷射混凝土的强度要求，水泥用量越大，喷射混凝土就越容易干缩、开裂，同时成本也增加。因此首先确定水泥用量，根据经验水泥用量宜为375一450kg/m；，其次确定砂率，宜选用粗砂或中砂，砂率宜为45%一55%，砂率过高或过低易造成堵管，再次确定水灰比，水灰比宜为0.4-0.5，水灰比过小会产生粉尘，回弹量大，粘结力低，喷层会产生干斑，砂窝等现象，水灰比过大会造成强度低、速凝效果差，喷层流淌、滑移、坍落等现象，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做相应的调整。

　　研究超塑化剂、硅灰、速凝剂和掺人火山灰或矿渣硅酸盐水泥的复合作用，用湿喷法生产高性能喷射混凝土（HPS）具有下列优点：（1）碱腐蚀性低；（2）工作性高和坍落度损失低；（3）回弹率低；（4）早期强度和后期强度高；（5）耐久性强。

　　2.1 材料和配合比

　　2.1.1 水泥

　　高强硅酸盐水泥由于水化速度较快，用于做喷射混凝土性能一般优于混合水泥。火山灰和矿渣硅酸盐水泥具有耐久性高，水化热低，对裂缝自收缩和干缩有较好性能。火山灰水泥中可用35%粉煤灰替代硅酸盐水泥；矿渣水泥中可用50%矿渣取代硅酸盐水泥。

　　2.1.2 硅灰

　　使用加密硅灰以改善对基材的粘结力和减少集料回弹。

　　2.1.3 超塑化剂

　　使用市售的质量浓度为30%的液体淡基丙烯酸醋（CAE）为超塑化剂，生产水灰比为0.42一0.44，坍落度为210-220mm流动性混凝土。也可采用聚磺酸盐系高效减水剂。

　　2.1.4 速凝剂

　　用两种不同的市售速凝剂，一种常用速凝剂是硅酸钠（30%），另一种无碱速凝剂是以从（SO₄），为主要成分的水溶液（60%），当使用后者时，由于无碱降低了在施工过程中碱性腐蚀的危险。

　　2.1.5 集料

　　使用细砂（0一4mm），粗砂（4一6mm），石子（6一8mm）三者的体积比为65%，30%，5%.

　　2.1.6 混凝土配比

　　配制两种未掺速凝剂的基准对比拌合物，它们的主要区别在于水泥品种（42.5火山灰水泥和42.5矿渣水泥）每种混凝土拌合30min，在喷嘴处加人不同的速凝剂（水玻璃或无碱速凝剂）的掺量分别为水泥量的8%-12%或6%一7%，

　　2.2 试验结果

　　由于使用超塑化剂，50min之内的坍落度损失可以忽略不计，这意味着在喷嘴处加人速凝剂之前坍落度损失可忽略不计，以可靠方式供给喷射设备的泵送混凝土的工作性能好，喷射混凝土产量可达20m³/h在规定超塑化剂掺量为1%一2%时，尽管矿渣水泥混凝土的W/C稍低于火山灰水泥混凝土，其初始坍落度（220mm）还是稍高于火山灰水泥混凝土坍落度（210mm）在无筋隧道内施工，由于复合有超塑化剂、硅灰和速凝剂，拌合物粘结性好，研究的所有喷射混凝土的回弹率仅仅为2%一3%.

　　3、喷射混凝土养护措施

　　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，混凝土强度随龄期延长而增大，其原因是由于胶凝材料的水断水化。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来说比较干燥，加上水化热引起的混凝土内部温度较高，将使其表面水分很快就蒸发掉，进而引起水石“毛细管”中水分继续蒸发。喷射混凝土中水泥与水接触的时间短且范围有限，与普通混凝土相比水泥水化的程度更低。喷射混凝土的凝结过程也是水泥进一步水化的过程，水泥的水化反应必须在有水的条件下才能发生，水泥水化因为水泥石缺少水分不能继续进行，还因毛细管引力作用在混凝土中引起收缩，此时的喷射混凝土强度还很低，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，而且停止水化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、结束语

　　喷射混凝土在隧道施工中应用已经非常广泛，喷射混凝土的质量直接影响着结构受力、防护、耐久性等情况，所以对喷射混凝土施工，必须按质量控制系统的要求，通过各种措施强化质量意识，加强质量管理，制定操作规程，使喷射混凝土在隧道防护中发挥越来越重要的作用。