长大隧道喷射混凝土超耗分析及控制技术研究王卫国

长大隧道喷射混凝土超耗分析及控制技术研究王卫国

王卫国

中铁建大桥工程局集团第三工程有限公司辽宁沈阳110043

摘要：近些年，隧道喷射混凝土施工技术在我国的公路建筑行业不断发展。从早期的隧道初期支护干喷作业到现在已经普遍使用的湿喷作业，喷射混凝土的超耗控制一直是隧道成本控制的关键，尤其对长大隧道来说，是一个隧道工程项目最终是否盈利的控制关键点。本文通过对重庆城口至开州高速公路A3合同段旗杆山隧道初期支护湿喷作业法的喷射混凝土导致超耗的原因进行分析，并对其超耗控制技术研究，以期对今后隧道喷射混凝土施工时超耗得到有效的控制。

关键词：长大隧道；喷射混凝土；超耗分析；控制技术

引言

从施工情况来看，现场喷射混凝土量超标，导致喷射混凝土作业时间延长，不仅增加了材料成本，也增加了时间成本。控制喷射混凝土施工超耗量及作业时间，对整个工程效益影响巨大。隧道开挖支护采用钻爆法+机械手湿喷工艺，目前施工中采用全断面施工法或台阶施工法，隧道围岩为Ⅳ级、Ⅴ级较多，围岩破碎，线性超挖偏大，急需要解决超挖控制这一问题。从目前开挖支护情况来看，在正洞喷射作业中，喷射混凝土用量是设计用量的1倍多点，造成喷射混凝土用量严重超标，喷射作业时间增长，工序衔接时间拉长，经济性较差。旗杆山隧道属于我集团公司在建的高风险长大公路隧道，此隧道地质复杂，存在瓦斯、断层、岩溶、暗河、涌水突泥、高地应力、岩爆等施工风险。项目开工之后，公司各级领导多次现场指导，要求严格控制施工质量，高度重视安全生产。

1.工程概况

银百高速重庆城口（陕渝界）至开县高速公路A3合同段，主体工程为旗杆山隧道1座，单线长度15296m；通风斜井1座，长度1860m；长湾大桥1座，桥梁长度408m；线路全长8.055km，中标合同额105022万元；合同工期52个月：2017年8月29日~2021年12月30日。隧道工程：旗杆山隧道为全线的控制性工程，起点桩号为YK46+495（右线），ZK46+505（左线），止点桩号为YK54+155（右线），ZK54+141（左线）；长度7660m（右线），长度7636m（左线）。纵面采用0.5%/-2.4%的人字坡，进出口采用端墙式洞门。洞内设有车行横道10处，人行横道22处，变电所2座。通风斜井一座，长度1860m。桥梁工程：长湾大桥为分离式桥梁，全桥共4联，桥长408m。下部结构桥台采用U台，桥墩采用柱式墩，桥台为扩大基础，桥墩为桩基础；上部结构采主桥为49+90+49m预应力砼连续刚构，引桥为预应力砼连续箱梁。本标段桥隧比99.5%。

旗杆山隧道是银百高速重庆城口（陕渝界）至开县高速公路的重要工程之一，隧道位于我国著名的秦岭造山带大巴山弧形构造带上，地质极其复杂，主体穿越3个背斜和2个向斜，区间内分布4条断层和4处瓦斯煤层。主要地层为第四系松散残破堆积层，基岩三叠系下统、二叠系、志留系、奥陶系及寒武系上统地层。主要为灰岩、页岩、粉砂岩及白云岩等。隧道长度大，不良地质类型较多，存在瓦斯、断层、岩溶、暗河、涌水突泥、高地应力、岩爆等施工风险，施工难度大，安全风险高，可以称之为“隧道不良地质博物馆”。

主要工程数量见表1。表1

序号工程名称里程桩号数量备注

图1A3合同段平面图

2.喷射混凝土超耗全面原因分析

引起喷射混凝土量超耗的原因有喷射混凝土质量因素、作业人员因素、机械设备因素、作业环境因素。

2.1喷射混凝土质量因素

影响喷射混凝土质量的因素有原材料质量、混凝土配合比、

对于喷射混凝土原材料的质量控制：

（1）水泥：应选择普通硅酸盐水泥，确保与减水剂、速凝剂具有良好的适应性。（2）粗、细集料：确保母材强度满足规范要求，级配、压碎值、含泥量等指标合格。

（3）混凝土外加剂：质量满足规范要求，确保减水率和保持坍落度损失的效果，增加和易性。

（4）速凝剂：根据水泥品种、水灰比，试验确定选择掺量。使用前做凝结时间检测试验。

（5）水：确保工程用水符合标准，无有害杂质。

对于C25喷射混凝土配合比的配制及施工配合比的调整：

（1）原材料质量应符合相应技术标准。

（2）水灰比的设计宜为0.38-0.42。

（3）选择合理水泥用量和砂率。

（4）选择合适的外加剂掺量、速凝剂掺量。

（5）施工配合比的调整，测试集料含水率，增大或减少砂率，保证水灰比，保证混凝土和易性、流动性。

2.2人员水平因素

通过在喷射混凝土施工过程中跟班作业，发现在同等作业条件下，喷浆操作手操作水平、熟练程度在很大程度上对混凝土的回弹量有着直接的联系，如喷浆口移动速度较慢时，易造成喷浆量堆积，成骨状，导致回弹量增加；操作不熟练时，也易造成堵管、爆管，不仅使喷射混凝土量增加，而且也增加了工序作业时间；另外也有可能对湿喷机保养不彻底或者维护不当，造成工序循环时间增加。

2.3机械设备因素

机械设备的选用非常重要，应根据隧道的特点及施工条件选择合适的湿喷机械。本隧道选用铁建重工HPS3016大型湿喷机，适合长大隧道喷射混凝土施工，具有行走、泵送和喷射三大功能，整机性能稳定，操作简单，具有生产率高、回弹度低、施工质量高的特点。同时也避免或者减小、减弱因机具设备对湿喷混凝土喷射质量的影响。

图3大型湿喷机

2.4作业环境因素

现场作业环境的因素，有两方面，一是开挖面的爆破状况，开挖断面是否平顺，超欠挖是否超标，这直接影响混凝土的实际用量；二是作业面的通风情况，即作业面空气质量，如果空气太差，作业人员不忍受作业，将影响到作业人员心情，当然也会导致其操作水平降低，造成混凝土的额外超耗。

3.改进措施与效果

3.1提高光面爆破效果

爆破面掏槽方式选择：采用复式楔形斜眼掏槽。第一级掏槽角控制45°～55°，不宜过大或过小。通常情况下，掏槽眼上下排间距取50～90cm，硬岩取小值，中硬岩取中值，软岩取大值。同一隧道横断面上，一对掏槽眼眼底距离通常取20～30cm。周边眼的间距严格控制周边眼的间距，周边眼的间距不得超过50cm，采用小爆破多钻孔的形式增加光面爆破的效果。

钻孔深度选择：经过旗杆山隧道反复试验和比较，确定钻孔深度一般为4.0～4.5m，掏槽眼为4.5～4.8m。考虑掌子面凹凸不平处与要求的眼深的差距，钻眼深度要根据掌子面的平整度适当调整，尽量使眼底在同一个垂直面上。

钻眼精度控制：钻眼要尽量避开在一些较大的裂隙、夹层处开眼，需根据现场围岩情况适当调整爆破设计要求的钻眼位置，并依据岩层的发育特点，选择合适的钻进位置。

3.2减少湿喷回弹率影响

回弹率受多种因素影响，试验室应加强配合比的优化，现场技术员应加强技术指导，喷射距离、角度、喷射顺序、喷头移动等对喷射混凝土质量、回弹有较大影响，机械手湿喷混凝土作业时应严格控制。

喷射顺序：喷射应先墙后拱，从下至上、以S曲线移动进行喷射。隧道从两侧边墙底部开始喷射，喷射到拱顶中心线位置闭合，完成一环喷射混凝土的一次喷射。

喷射角度：喷射时，喷头应保持与受喷面垂直。喷射交角过小将增加混凝土的回弹率，降低密实度；垂直于岩面喷射时，连续的混凝土“稀薄流”对反弹物有二次嵌入作用，可以降低回弹率，增加一次喷射厚度。

喷射距离：由于湿喷要求的风压较大，如果喷头距受喷面太近，高压风会将刚“附着”在受喷面上的混凝土吹掉，使混凝土的回弹量增大。

喷头移动：喷射混凝土回弹在刚喷射时最大，当岩面喷厚达到2～3cm后，回弹最小，且稳定，当喷射到附着在岩面的混凝土滑落、流淌时，一次喷厚达到最大，此时不能再继续喷射，应等喷射混凝土初凝后方能进行复喷。选择最合适的风压、水压及喷射角度。一次喷射厚度，拱顶为6cm，边墙为8cm。

堵管处理：喷射施工中若发生堵管应立即关闭机械手及计量泵，关掉输送风，拍打软管，并倒掉管内存留混凝土，堵管处理完成后应先加水喷射洗管，确保管路畅通无误后才能进行再次喷射施工。

3.3操作人员水平控制

人员因素为较难控制，对于作业人员因素本隧道采用以下两方面进行控制：培训教育对操作手进行岗前专业培训，时长15天，确保其能熟练使用大型湿喷机械手，掌握作业要点，以及熟悉喷射混凝土的作业流程。并在作业过程中，邀请专业人员及本单位技术人员跟踪作业指导1个月，确保其机械手操作、作业要点，作业流程完全掌握，喷射混凝土质量在不断提升。素质教育对于作业人员不仅要进行专业培训、技术指导，还有对其进行思想教育，也就是要进行爱岗敬业教育，并以先进事迹进行宣传，提高其荣辱感，这样的教育要定期、不定期的进行，潜移默化提高其素质。

3.4作业环境因素改善

环境因素影响控制最大的难点是开挖面质量的控制，尤其对于长大隧道来说，超挖情况，直接会造成喷射混凝土量的增加，是成本控制的关键。为确保环境因素得到有效控制，应合理的采取相应的措施避免造成混凝土超耗。加强超前支护严格控制超前支护施作质量。一是确保外插脚施作质量，外插脚不能过大，开挖时开挖面拱部掉块，滑塌，导致超挖；也不能过小，过小会造成欠挖，处理欠挖时，会增加开挖作业时间，而且大多情况下，欠挖处理时，很容易造成超挖。二是确保超前支护的有效长度，有效的搭接长度。三是如果超前支护需要注浆，一定要确保注浆效果。

3.5自动机械设备的应用

采用适用隧道特点的机械设备，提高隧道喷射混凝土施工的机械化以及自动化水平。

结语

喷射砼湿喷法是强制性工艺标准，也是隧道施工的必然趋势。湿喷混凝土超耗率高投入成本大一直阻碍着湿喷技术的有效推广。本文以重庆城开高速公路旗杆山隧道施工为背景，通过施工现场总结出一些降低湿喷混凝土超耗的措施，其中关键还是要研究如何能够提高隧道的机械化以及自动化水平，及加强隧道施工操作的标准化，改良施工作业的环境条件及安全技术。办法有效地降低了喷射混凝土在隧道初支施工中的超耗率，降低了喷射混凝土施工成本，使湿喷技术的应用得到了较好的推广。

参考文献

[1]规范《公路隧道施工技术细则》JTG/TF60-200926-27

[2]张军.隧道工程喷射混凝土回弹量控制的实践与研究[J].四川水泥，2016（04）.

[3]王正瑜.隧道工程喷射混凝土超耗控制措施探究[J].工业技术，2017（05）.