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

粗骨料级配表表2

（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。

五. 数据测试及结果分析

1、坍落度的测定

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

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。

< 88~1010~1313~1516~1919~20>20

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

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

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，其一为洞内集料含水量水率变化大，没有及时调整过来，导致水灰比过大，其二为拌合物中有较大的骨料混入，脉冲较大，影响速凝剂加入的均匀性。

4、粘结强度的测试

我们根据现场实际进行湿喷混凝土与围岩的抗拉粘结强度测试（图2），其方法是，将待测岩面清除干静，如右图将去除底部的面盆扣在岩面上，中间预设拉拔钢筋，喷射混凝土至盆满，剪断盆外围固定铁丝和去除盆周围喷混凝土，28d后用锚杆拉拔器拉拔至破坏。通过拉拔力与盆底面积计算抗拉粘结强度。试验结果在0.2~0.9Mpa之间，岩石为微风化节理不发育的花岗岩，这与国内其它资料结果（约为1~2MPa）有较大的差别。从破坏的形式上分析，破坏面主要有两种现象，其一为粘结面上有许多发亮的花岗岩石英晶粒，这种现象说明花岗岩中石英晶粒是影响其与喷混凝土粘结强度的因素之一，其二为破坏面上有部分花岗岩片石，这种现象说明试件的破坏首先产生在花岗岩的内部微节理面上，因此计算出的抗拉粘结强度小于其实际值是必然的。这也从一个侧面证明了在喷混凝土前必须保持待喷岩面无松动岩石和油污杂物，同时在围岩节理较发育段有必要采用挂!, 钢筋网和锚杆，以加强喷混凝土层与围岩的整体支护效果。

5、喷混凝土表观及防水效果

湿喷完成后至今的跟踪观察，未发现表面裂纹的产生。但喷射混凝土表面具有较多较大的麻点，湿喷混凝土表面的平整度不如传统的干（潮）喷混凝土表面好，这主要是因为湿式喷射的工作风压大，料束速度高，石子高速嵌入先喷混凝土层。特别当下料不畅，有脉冲时，风压突然增高，麻面特别严重，有的石子嵌入深度可达1.5cm，从而也就减少了混凝土的有效厚度。因此为提高喷射混凝土质量和表层平整度，可在喷混凝土表面喷射一层

1~3cm厚水泥砂浆层。

喷射完毕后，通过对喷混凝土表面进行观察，喷混凝土表面主要有两种渗漏水情况。其一为湿渍，混凝土表面潮湿而无明显的水迹，刚喷射后主要出现在拱部，呈大片状出现，

1个月后湿渍面明显减小，1年后湿渍绝大部分消失。其二为呈滴水状，表面有明显的水滴，共有3处，滴水处通过补喷可完全堵住。

通过对有湿渍和滴水渗漏处进行凿孔调查，我们发现凡渗漏水的地方喷射厚度大致在2.5~6.3cm之间，且70%以上在围岩的凸起部位。其主要原因是，凸起部位本身为地下水的聚集处，而又是喷射厚度的最小处。若喷射厚度过小，还没有等到混凝土终凝，地下水已经漫渗过来，在混凝土内部形成渗水通道。因此，一次喷射厚度达到一定值时才会有防水效果，但并不是说这个值越大越好，因为过大的喷射厚度容易产生脱落，一般这个值在6~8cm 较为合适。对于湿渍形式的漫渗，若范围不大不影响地铁区间的使用，同时满足二级防水标准，可不予处理；若漫渗范围较大可采用补喷混凝土方法处理。对于滴水状渗水可专设盲管引排补喷或直接封堵。从现场试验情况看，一次喷射很难达到不渗不漏的效果，这主要是因为初次喷射地下水分布不集中，对较大的涌水难以找到出水点，因此对于地下水较多、防水要求较高时宜采用分层喷射的方法。

该试验段我们共计设了8道环向盲管，共16个出水口，盲管间距平均5m。喷射混凝土结束后1天观察，16个出水口有13个有水排出，结束后1个月观察几乎所有的出水口都有水排出，且靠近盲管两侧!" 范围内喷混凝土表面的渗漏水明显少于其中间部位。这说明，盲管的选材和安装方法是正确的，满足了设计要求。

6、喷射混凝土内部微气孔观察

将喷射混凝土试件用切割机切开，用JC-10型读数显微镜观察其切开面的微气孔分布，并统计其气孔外径与个数。共取件3个，任意选择每个切面上的一长条形（5mm×100mm）观察区域，其观察结果如表6。气孔形状多椭圆状，闭合相互不连通，不会形成渗水通道而降低抗渗性能。

喷混凝土内部微气孔个数与外径关系表6

六. 结束语

1、湿喷现场试验段完成后，我们在渝遂高速公路大学城隧道施工中进行了推广应用，喷混凝土表面整体效果良好，未发现有裂纹现象发生，完全能够达到区间二级防水效果，结果表明采用湿喷作为地铁区间的永久支护是成功的和可行的。

2、自防水角度考虑，我们认为将喷射厚度提高到15~24cm，采用分层喷射方法，每层喷射厚度在6~8cm，其效果会更好。

3、在围岩节理较发育段有必要采用挂钢筋网和锚杆，以加强喷混凝土层与围岩的整体支护效果。

4、混凝土配比计量的准确性是湿喷质量的关键，现场施工中应加强质检和监理力度，是确保锚喷支护结构防水效果及其质量耐久性的重要保证。

参考文献

1. 《公路隧道设计规范》（JTJ026-90）

2. 《公路工程技术标准》（JTJ001-97）

3. 《普通混凝土拌合物性能试验方法》（GB/T50080－2002）

4、《普通混凝土力学性能试验方法》（GB/T50081－2002）

5、《锚杆喷射混凝土支护技术规范》（GB50086－2001）

6、《喷射混凝土用速凝剂》（JC477－92）