鐵路隧道工程濕噴技術(shù)研究

何忠海

摘要：濕噴技術(shù)是隧道機(jī)械化作業(yè)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，對噴射混凝土施工質(zhì)量起到關(guān)鍵性作用。通過對噴射混凝土原材料、配合比設(shè)計(jì)、濕噴機(jī)特點(diǎn)分析、施工過程控制進(jìn)行全面分析總結(jié)，得到了濕噴工藝的關(guān)鍵控制要點(diǎn)，為隧道噴射混凝土施工提供了技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：鐵路隧道；濕噴技術(shù)；噴射混凝土；配合比設(shè)計(jì)；濕噴機(jī)械手

0引言

噴射混凝土濕噴工藝在當(dāng)前鐵路隧道施工中廣泛應(yīng)用，但在施工過程中存在一些問題，噴射混凝土回彈率過高問題的仍未得到有效解決，同時(shí)分析噴射混凝土施工中遇到的其他問題，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際施工情況，為以后施工積累經(jīng)驗(yàn)，對噴射混凝土濕噴技術(shù)進(jìn)行了研究。通過對原材料選擇、配合比設(shè)計(jì)、設(shè)備選用、施工過程控制等方面進(jìn)行隧道濕噴技術(shù)優(yōu)化原則和方法的研究。

1噴射混凝土原材料選擇

1.1水泥

噴射混凝土的質(zhì)量與水泥密切相關(guān)，水泥的品種、礦物組成、混合材種類及摻量、比表面積等，這些與水泥凝結(jié)時(shí)間相關(guān)的水泥礦物成分和參數(shù)對噴射混凝土凝結(jié)效果都有影響。見表1。

本工程所處區(qū)域內(nèi)主要有兩家大型水泥廠，昆鋼嘉華水泥和海螺水泥，兩家水泥廠用的水泥原材料特性相近，混合材也均為火山灰質(zhì)巖和石灰石，二水石膏含量約5%，初凝時(shí)間為120-140min，終凝時(shí)間為180-220min，與速凝劑相容性好、噴射混凝土速凝效果好。水泥檢驗(yàn)項(xiàng)目參數(shù)技術(shù)指標(biāo)見表2。

1.2砂

本工程附近石灰?guī)r機(jī)制砂較多，河砂較少。第一種為混合砂，怒江河砂又較細(xì)，為滿足細(xì)度模數(shù)要求，在洗砂生產(chǎn)線中增加了制砂設(shè)備，然后使天然河砂和機(jī)制砂混合成混合砂。由于其中的天然河砂使得混凝土和易性、泵性和噴射效果均很好，很適合機(jī)械手濕噴。第二種為石灰?guī)r機(jī)制砂，石灰?guī)r機(jī)制砂一般為粗砂，石粉含量宜在6-10%，要適當(dāng)提高砂率2-4%，以滿足濕噴機(jī)對混凝土工作性的要求。兩種砂的具體指標(biāo)見表3。

1.3碎石

噴射混凝土所用碎石最大粒徑不宜大于16mm，根據(jù)工程實(shí)踐和濕噴設(shè)備要求碎石最大粒徑確定為10mm，即用5-10mm碎石。其技術(shù)指標(biāo)滿足TBl0424-2010的要求。碎石質(zhì)量有兩點(diǎn)應(yīng)特別注意，第一，5-10mm碎石含泥量容易超標(biāo)，應(yīng)在石場就對5-10ram碎石進(jìn)行水洗。第二，單粒級碎石級配易超標(biāo)，應(yīng)從源頭控制好級配，5-10mm該檔碎石振動(dòng)篩篩網(wǎng)尺寸，一般下層方孔篩可用6mm，減少碎石中5mm以下顆粒含量，上層方孔篩可用11mm，保證碎石最大粒徑接近上限值，有利于改善混凝土工作性。

1.4減水劑

所用聚羧酸高性能減水劑的性能應(yīng)滿足TB10424-2010的要求，其勻質(zhì)性符合GB8076的規(guī)定。其選用原則是減水率高、坍落度保持性能好、與水泥相容性好且能明顯改善混凝土工作性能和提高混凝土強(qiáng)度。噴射混凝土濕噴工藝要求坍落度足夠較大，又要滿足混凝土能迅速凝結(jié)，綜合考慮，選用緩凝型聚羧酸高性能減水劑，緩凝劑用量適當(dāng)控制，避免造成噴射時(shí)掉塊和回彈率大。

1.5速凝劑

速凝劑的勻質(zhì)性、凝結(jié)時(shí)間、抗壓強(qiáng)度比及其與水泥的適應(yīng)性和速凝效果應(yīng)滿足要求，根據(jù)工程實(shí)際情況，主要考慮圍巖面有無滲水，確定速凝劑初凝時(shí)間，圍巖有滲水時(shí)初凝時(shí)間一般控制在4min以內(nèi)。本工程使用的恒泰偉業(yè)HT-19速凝劑具體技術(shù)指標(biāo)見表4。

1.6拌合用水

噴射混凝土拌合用水與普通混凝土相同，其pH值、不容物、可溶物、氯化物、硫酸鹽、堿含量、凝結(jié)時(shí)間差和28d抗壓強(qiáng)度比均應(yīng)滿足TB10424-2010中的要求。

2噴射混凝土配合比設(shè)計(jì)

噴射混凝土配合比設(shè)計(jì)不同于普通混凝土，需根據(jù)室內(nèi)試拌和現(xiàn)場工藝性試驗(yàn)共同確定配合比參數(shù)，經(jīng)現(xiàn)場濕噴工藝性試驗(yàn)確定坍落度宜為160-200mm。根據(jù)噴射混凝土的骨料特點(diǎn)，碎石最大粒徑小、砂率大，然而骨料的比表面積較大，則需要更多的水泥漿才能使混凝土工作性良好。且速凝劑明顯降低了混凝土的后期強(qiáng)度，因此需要控制水膠比適當(dāng)和足夠量的水泥用量。但是水泥量也不宜過大，容易導(dǎo)致噴射混凝土干縮開裂，同時(shí)增加了混凝土成本。由此可見噴射混凝土的配合比參數(shù)主要考慮保證混凝土工作性、回彈率、混凝土強(qiáng)度和耐久性能、混凝土經(jīng)濟(jì)成本等方面。

2.1水泥用量

一般認(rèn)為，單位水泥用量過小時(shí)，骨料表面水泥漿少，回彈率增大，早期強(qiáng)度滿足不了設(shè)計(jì)要求。而單位水泥用量過多時(shí)，一是經(jīng)濟(jì)成本大，二是硬化后混凝土的收縮也會(huì)增大。為有效降低回彈率應(yīng)適當(dāng)提高單位水泥用量，膠凝材料用量不少于400kg/m3，本工程濕噴工藝要求水泥量適當(dāng)增加，C25強(qiáng)度等級噴射混凝土水泥用量選用范圍為450～470kg/m3。

2.2砂率的確定

砂率對噴射混凝土拌合物工作性影Ⅱ向較大，主要體現(xiàn)在噴射堵管、回彈率大、噴射混凝土不密實(shí)。砂率過小會(huì)導(dǎo)致混凝土包裹性差和流動(dòng)性差，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生離析泌漿現(xiàn)象，造成堵管。砂率過大則會(huì)影響混凝土實(shí)體強(qiáng)度。砂率對噴射混凝土性能影響見表5。

濕噴工藝原理是噴射過程中水泥與骨料的連續(xù)撞擊、壓密而達(dá)到混凝土成型的一種工藝，為了能夠最大限度地吸收二次噴射時(shí)的沖擊能量，砂率應(yīng)適當(dāng)提高。尤其是機(jī)械手濕噴，它不但要求混凝土具有良好的包裹性和流動(dòng)性，還要求混凝土泵送性良好。通過上表可以看出噴射混凝土砂率一般選用范圍為50～55%。

2.3減水劑摻量

濕噴工藝坍落度應(yīng)滿足泵送混凝土的要求，一般設(shè)計(jì)160～200mm，規(guī)范要求水膠比不大于0.50，經(jīng)本工程施工的混凝土取芯進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，要達(dá)到C25混凝土的強(qiáng)度等級，水膠比為0.40～0.43。為保證滿足要求的坍落度和水膠比，減水劑摻量0.9～1.0%。

2.4速凝劑摻量

速凝劑對噴射混凝土速凝效果、回彈率影Ⅱ向最大，速凝劑摻量太少，混凝土凝結(jié)太慢，這使得混凝土噴射后回彈下來或者結(jié)成大塊為完全凝固的混凝土塊掉下來。速凝劑摻量太大，混凝土凝結(jié)太快，快速的凝結(jié)形成堅(jiān)硬的表面，導(dǎo)致后噴混凝土回彈影響混凝土密實(shí)度。速凝劑摻量太大也會(huì)影響混凝土后期強(qiáng)度，速凝劑先與水泥中的石膏反應(yīng)再和C3A反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生大量的鈣礬石，這也是速凝劑早期強(qiáng)度生長快的原因所在，但鈣礬石后期會(huì)向單硫型水化硫鋁酸鈣轉(zhuǎn)化，致使混凝土內(nèi)部空隙增加，因此，摻量速凝劑量越大混凝土后期強(qiáng)度降低越明顯。選擇適當(dāng)?shù)乃倌齽搅渴菄娚浠炷临|(zhì)量影響的重要因素，根據(jù)工程實(shí)踐，速凝劑摻量宜為4～6%，且速凝劑摻量應(yīng)根據(jù)設(shè)備型號、噴射部位進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整以達(dá)到最佳噴射效果。endprint

3噴射混凝土濕噴設(shè)備選用

噴射混凝土濕噴設(shè)備代表性的型號有：TK600轉(zhuǎn)子活塞式濕噴機(jī)，GYP-90液壓變量柱塞泵送式濕噴機(jī)，HSC一2515液壓S管閥泵送式混凝土濕噴機(jī)械手。前兩種濕噴機(jī)可根據(jù)隧道的特點(diǎn)，可對設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)組合或者組裝運(yùn)載車以利于施工。機(jī)械手濕噴機(jī)可根據(jù)隧道斷面大小選擇機(jī)械臂長度和最大理論噴射能力。本工程同時(shí)使用了這三種濕噴機(jī)，根據(jù)隧道的施工特點(diǎn)進(jìn)行了配置，單線隧道為主的工點(diǎn)以小型濕噴機(jī)為主，雙線隧道段落較多的工點(diǎn)配置了機(jī)械手濕噴機(jī)。并在現(xiàn)場進(jìn)行了噴射回彈率測試，TK600濕噴機(jī)全斷面回彈率13.2%，GYP-90濕噴機(jī)全斷面回彈率17.5%，HSC-2515機(jī)械手拱部回彈率15.5%，邊墻回彈率7.3%。三種濕噴機(jī)特點(diǎn)對比見表6。

4噴射混凝土施工過程控制

4.1噴射混凝土回彈率控制

噴射混凝土回彈率影響因素主要有：原材料、施工配合比、濕噴設(shè)備、操作熟練程度。

①原材料主要控制速凝劑與水泥適應(yīng)性和速凝效果，砂細(xì)度模數(shù)和機(jī)制砂石粉含量，考慮減水劑與水泥兼容性，還要注意減水劑中緩凝劑用量對速凝效果的影響，速凝劑品質(zhì)對速凝效果的影Ⅱ向。

②施工配合比主要考慮砂率和坍落度對噴射效果的影響。砂的細(xì)度模數(shù)變化大時(shí)應(yīng)適當(dāng)調(diào)整砂率。應(yīng)考慮過程中坍落度損失量，混凝土運(yùn)距一般不宜超過5km，坍落度損失量較好控制。

③濕噴設(shè)備，小型濕噴機(jī)操作較傳統(tǒng)，工人操作容易，噴射距離和角度受到限制，一般工人操作時(shí)會(huì)本能選擇合適的位置和角度，減少對身體的傷害。濕噴機(jī)械手，是自動(dòng)化遙控操作，可以使噴射口始終和巖面垂直且保持最佳噴射距離，噴射距離控制在0.8-1.2m，能有效控制混凝土回彈率。噴射時(shí)機(jī)械臂移動(dòng)速度均勻連續(xù)，混凝土面平整度好。機(jī)械手速凝劑摻量調(diào)節(jié)方便快捷，0～10%每間隔0.5%為一個(gè)檔位，拱部一般速凝劑摻量較高，邊墻速凝劑摻量較低，有效控制了噴射回彈率的同時(shí)保證了混凝土強(qiáng)度和節(jié)約了速凝劑用量。

④操作熟練程度，設(shè)備使用前期應(yīng)請廠家到現(xiàn)場進(jìn)行技術(shù)指導(dǎo)和培訓(xùn)。特別是機(jī)械手操作手，噴射臂的操作尤其關(guān)鍵，是影響噴射效果的重要因素。施工人員之間配合要協(xié)調(diào)，分工明確，各司其職，確保各個(gè)環(huán)節(jié)順利進(jìn)行。

4.2噴射混凝土施工中常遇到的幾個(gè)問題

①混凝土堵管現(xiàn)象。一般情況泵送管閥口處容易堵塞，主要原因是混凝土工作性較差，因混凝土離析或砂率不足造成。如果是噴射口處堵管或者爆管，則主要是碎石粒徑偏大或者混有超粒徑碎石，也有可能是運(yùn)輸罐車或噴射管道未清洗干凈，殘留的超粒徑碎石或混凝土造成堵管。

②減水劑不適應(yīng)現(xiàn)象。噴射混凝土和普通混凝土對減水劑緩凝要求不一樣，噴射混凝土和普通混凝土對緩凝的要求基本相反，因此對減水劑的要求也不一樣，可通過調(diào)整摻量來解決這個(gè)矛盾，如仍得不到解決，則應(yīng)分開兩種減水劑分別使用。

③機(jī)械手濕噴機(jī)和開挖工法不匹配。三臺階施工時(shí)，機(jī)械手噴上臺階時(shí)困難，在下臺階中間開挖中槽，滿足機(jī)械手停放空間即可，使機(jī)械臂噴嘴盡量靠近噴射部位，利于噴射距離和角度控制。

④拱部混凝土回彈掉塊嚴(yán)重。拱部噴射時(shí)應(yīng)適當(dāng)提高速凝劑摻量，調(diào)整風(fēng)量和噴射距離，減小噴射分層厚度，且盡量保證噴射角度垂直巖面。

⑤噴錨施工時(shí)刺激性氣味大。是因?yàn)樗倌齽┏蕢A性和水泥粉塵反彈擴(kuò)散導(dǎo)致，吸入這種空氣會(huì)呼吸道有損害。因此要使用堿含量較低的速凝劑，有條件的可以使用低堿或無堿速凝劑。在施工時(shí)工人應(yīng)戴防護(hù)口罩，減少對身體健康的損傷。

⑥巖溶滲水地段濕噴回彈率大。應(yīng)調(diào)整速凝劑摻量，適當(dāng)減小混凝土坍落度，增加水泥用量和砂率，以減少混凝土回彈率。對于滲水較嚴(yán)重，形成水流時(shí)就需要打孔排水和用干噴法初噴，然后進(jìn)行濕噴復(fù)噴作業(yè)。

5結(jié)論

①噴射混凝土濕噴技術(shù)關(guān)鍵控制點(diǎn)有原材料控制、配合比設(shè)計(jì)優(yōu)化、濕噴設(shè)備匹配、施工組織協(xié)調(diào)、人員操作培訓(xùn)。

②噴射混凝土施工質(zhì)量體現(xiàn)在混凝土噴射回彈率小、速凝效果好、早期強(qiáng)度高、后期強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求、對工人健康影響小。

③機(jī)械手濕噴機(jī)優(yōu)點(diǎn)明顯，噴射混凝土實(shí)體質(zhì)量大大提高，用工人數(shù)較少，是提升隧道施工標(biāo)準(zhǔn)化和機(jī)械化的重要手段。endprint