隧道噴射混凝土超耗原因分析及控制措施

馬草原，牟明俊，趙得權

(中國建筑土木建設有限公司，北京 100070)

0 引言

噴射混凝土是用噴射機以適當?shù)膲毫接兴倌齽┑拇旨毠橇匣炷粮咚賴娚涞剿淼缼r壁表面或混凝土的表面而形成。在隧道施工中，噴射混凝土質量直接影響著施工成本和施工質量。噴射混凝土工藝中，受諸多因素的影響，在噴射施工中經(jīng)常發(fā)生混凝土超耗、回彈率高、噴射厚度不均勻等問題，不僅增加施工成本，同時還會影響工程的整體施工質量。本文以混凝土超耗為研究課題，結合某隧道工程實例，對隧道噴射混凝土超耗問題進行了詳細研究。

1 工程概況

某隧道工程全長14.09 km，隧道進口里程 DK345+400，出口里程 DK359+490，為單洞雙線，其中左線DK345+400—DK353+120，全長7 720 m；右線DK353+120—DK359+490，全長6 370 m。根據(jù)水文地質勘察結果顯示，該處地質多為Ⅳ級圍巖，隧道地下涌水多且地質情況較復雜，最大涌水量約為80 000 m3/d，不良地質為巖溶、危巖落石、高地溫等，無特殊巖土。該隧道采用光面爆破法與機械手濕噴工藝，從施工情況來看，施工中線性超挖偏大、噴射混凝土回彈量大等問題導致隧道噴射混凝土嚴重超耗。

根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，在當年3月31日—4月30日施工期間，該隧道左線設計噴射混凝土用量為1 690.20 m3(見表1)，實際混凝土用量為5 070.60 m3，超耗量為3 380.40 m3；右線設計噴射混凝土用量為1 870.64 m3，實際混凝土用量為2 677.92 m3，超耗量為2 414.28 m3。

表1 噴射混凝土超耗量

如果噴射混凝土按照700元/m3的價格計算，3月31日—4月30日施工期間，該次隧道工程噴射混凝土超耗造成的成本損失為：(3 380.4+2 414.28)m3×700元/m3=405.63萬元。

2 隧道噴射混凝土超耗原因

通過上述隧道噴射混凝土超耗現(xiàn)狀分析，在充分了解施工現(xiàn)場噴射混凝土超耗問題的基礎上，主要從線性超挖、噴射混凝土回彈、現(xiàn)場管理不到位3個角度分析了噴射混凝土超耗原因。

2.1 線性超挖

2.1.1 測量放樣

由于測量人員在測量放樣時，只是測量隧道開挖輪廓線和周邊眼位置，并未對內圈眼位置進行標識，加上鉆孔作業(yè)人員操作隨意，導致內圈眼形狀未形成輪廓，光爆層厚度不均勻，容易出現(xiàn)線性超挖。同時爆破完成后，測量人員未及時對開挖斷面進行測量，不能為線性超挖分析提供必要的數(shù)據(jù)支撐。

2.1.2 鉆孔作業(yè)

周邊眼間距設計為40～50 cm，但在此次鉆孔作業(yè)時，施工人員未嚴格控制周邊眼間距，甚至個別達到60～70 cm，遠遠超過設計要求；以及開挖臺架設計等原因，使得隧道的輔助眼不能形成平順圓弧，不利于控制線性超挖。同時，操作過程中，在施工現(xiàn)場操作空間以及作業(yè)人員操作水平的影響下，掏槽眼角度、鉆孔外插角等不嚴格，鉆孔眼底深淺不一，出現(xiàn)比較嚴重的隧道超欠挖現(xiàn)象。

2.1.3 裝藥與爆破

在實際操作中，裝藥量并未按照設計的藥量進行，完全憑借炮工經(jīng)驗，裝藥密度高達0.5～0.6 kg/m，遠遠超出設計值，容易出現(xiàn)“掛門簾”和底部“巖坎”現(xiàn)象。同時周邊眼采取連續(xù)裝藥結構，影響隧道超挖的線性控制。

2.2 噴射混凝土回彈

混凝土超耗的主要原因是噴射混凝土回彈，而影響噴射混凝土回彈量的因素主要有原材料質量、配合比設計、混凝土拌合質量。

2.2.1 原材料質量

噴射混凝土是由水泥、砂、碎石、水以及外加劑等材料，按照一定比例組成的混合料。材料的性能對混凝土回彈量的影響具有差異性，其中速凝劑和機制砂的影響較大。①速凝劑的影響：在確定速凝劑摻量時，應充分考慮初、終凝時間以及速凝劑與水泥的相容性問題。在本次隧道噴射施工中，由于配合比中速凝劑與水泥的融合性較差，導致噴射施工中混凝土回彈量較大。②機制砂的影響：根據(jù)原配合比可知，機制砂細度模數(shù)為3.2，偏粗，且機制砂中的石粉含量為3%～4%，含量較低，嚴重影響機制砂性能，進而影響噴射混凝土的彈性模量，增加噴射混凝土的回彈量。

2.2.2 配合比設計

根據(jù)原配合比設計方案可知，并未摻加減水劑，影響混凝土的性能。在噴射過程中存在加水現(xiàn)象，降低了混凝土的強度。加上機制砂中的石粉含量較低，導致噴射混凝土回彈率達15%左右，造成混凝土材料嚴重浪費。

2.2.3 混凝土拌合質量

由于混凝土生產期間拌合站對原材料管理工作未落實到位，混倉現(xiàn)象時有發(fā)生，混凝土拌合存在質量問題。加上混凝土出廠時質量檢查不嚴格以及運輸途中溫度散失等因素，導致噴射現(xiàn)場的混凝土工作性能不合格。

2.3 現(xiàn)場管理不到位

除了上述2個技術原因，現(xiàn)場管理不到位也是造成隧道噴射混凝土超耗的主要原因。在本次隧道施工中，由于缺乏對噴射混凝土施工的重視，導致線性超挖和噴射混凝土超耗專項治理組織架構不完善，職責不清晰，獎罰未落實，現(xiàn)場管理嚴重不到位。一是技術交底落實不徹底。雖然對噴射的機械配置、工藝工法等進行了交底，但在現(xiàn)場仍出現(xiàn)光爆孔間距與光爆層厚度倒置現(xiàn)象，存在落實不徹底情況；二是缺少預留變形量的動態(tài)管理。在施工中并未圍巖量測結果對預留變形量進行動態(tài)調整，增加噴射混凝土超耗；三是機械排險和人工排險都存在很大隨意性：未認真采取應對措施，導致線性超挖和噴射混凝土超耗問題嚴重。

3 控制措施

針對上述噴射混凝土超耗原因，本文主要從控制線性超挖、控制噴射混凝土回彈量，以及強化現(xiàn)場管理等方面，提出相應的控制措施，以有效控制噴射混凝土超耗量。

3.1 控制線性超挖

為有效控制線性超挖，減少噴射混凝土消耗，必須從測量、鉆孔質量、裝藥和爆破等方面加強控制。

3.1.1 加強測量工作

根據(jù)隧道地質及掌子面圍巖情況，確定開挖輪廓線和炮孔位置，并準確標識隧道中線、水平線、開挖輪廓線和逐個周邊眼的位置。同時還應準確標出內圈眼孔位，確保光爆層厚度均勻，避免出現(xiàn)線性超挖。此外，爆破完成后，測量人員應及時采用全站儀或三維激光掃描儀對開挖斷面進行測量，統(tǒng)計并分析隧道超欠挖情況，為噴射混凝土超耗分析提供可靠數(shù)據(jù)依據(jù)。

3.1.2 嚴格控制鉆孔質量

在鉆孔作業(yè)前，施工人員不僅要熟悉炮眼布置，同時還不得隨意改動周邊眼和掏槽眼的位置、間距及數(shù)量，嚴格按照設計要求進行鉆孔。鉆孔作業(yè)時，要做到“準、直、齊”，鉆孔位置誤差應不大于5 cm。當周邊眼眼深3 m時，鉆孔外插角小于3°，并嚴格按照周邊眼、掏槽眼—臨近周邊眼的一圈輔助眼—剩余輔助眼—其他炮眼的順序進行鉆孔，避免鉆孔眼底深淺不一，提高鉆孔質量。

3.1.3 嚴格控制裝藥和爆破

根據(jù)圍巖情況合理選擇爆破方式，本次隧道工程采用光面爆破法。周邊眼采取間隔裝藥，并采用PVC 管準確定位裝藥，藥量隨掌子面圍巖的變化及時進行動態(tài)調整，有效控制隧道線性超挖。爆破時，使用水炮泥封堵周邊眼、掏槽孔、輔助孔的孔口，降低爆破振動強度及煙塵含量。

3.2 控制噴射混凝土回彈量

控制噴射混凝土回彈量不僅能減少混凝土超耗量，還能優(yōu)化隧道施工環(huán)境，實現(xiàn)綠色施工的目標。

3.2.1 嚴把材料質量關

由于原配合比中使用的速凝劑與水泥的融合性較差，因此需要更換另一品牌的速凝劑，與水泥具有良好的融合性。同時更換后的速凝劑滿足初凝時間不大于5 min、終凝時間不大于10 min的要求。調整機制砂的參數(shù)，將其細度模數(shù)控制在2.8，石粉含量控制在5%～7%，通過實踐證明，噴射混凝土回彈得到明顯改善。粗骨料選用粒徑在15 mm以內的碎石，可有效降低噴射混凝土的回彈量，提高噴射混凝土支護強度，同時還能解決噴射管道堵塞的問題。

3.2.2 優(yōu)化配合比

通過反復試驗、調整配合比，本次隧道噴射混凝土選定的混凝土等級為C25，配合比參數(shù)為：P·O 42.5水泥、機制砂、粒徑為5～10 mm的碎石、減水劑以及速凝劑，混凝土工作性能最佳。從試驗段施工情況來看，優(yōu)化配合比后的混凝土綜合性能得到顯著提升，不僅噴射混凝土強度得到提高，噴射混凝土回彈量也大幅度下降，混凝土的工作性能如表2所示。

表2 混凝土的工作性

3.2.3 嚴格控制噴射混凝土材料的質量

不僅要加強拌合站管理，提升原材料管理質量，適當延長混凝土攪拌時間，延長攪拌時間控制在35～60 s；還應根據(jù)運輸距離，合理調整混凝土坍落度，控制在140～180 mm。此外，對進場的混凝土進行嚴格檢測，防止不合格混凝土入場。

3.3 強化現(xiàn)場管理

為強化現(xiàn)場管理，應建立健全線性超挖和噴射混凝土超耗專項治理組織架構，根據(jù)工作內容，明確各方職責。根據(jù)隧道地質條件、設備配置、圍巖情況等選擇合理的施工方法，并編制詳細的施工方案，逐級做好技術交底工作，使操作人員掌握施工技術要點及施工流程，規(guī)范作業(yè)，降低混凝土的回彈率。根據(jù)監(jiān)控量測結論隨時調整隧道預留變形量，實現(xiàn)動態(tài)管理，降低噴射混凝土超耗。在爆破結束后，安排專人監(jiān)督檢查機械排險工作，避免因責任意識差、方法不當?shù)仍斐删植烤€性超挖，增加噴射混凝土超耗。此外，為提升現(xiàn)場管理質量，獎罰考核是必要的。根據(jù)每月噴射混凝土超耗指標，對現(xiàn)場技術、測量、試驗、操作等人員進行獎優(yōu)罰劣，提高責任意識。

4 控制效果

4.1 線性超挖控制效果

通過在施工現(xiàn)場采取上述的線性超挖控制措施，經(jīng)過3個多月的實踐，隧道平均線性超挖由36.5 cm下降至12.8 cm，線性超挖量得到了有效控制，如圖1所示。

圖1 線性超挖控制效果趨勢圖

4.2 噴射混凝土回彈量減少

經(jīng)過材料質量控制和配合比優(yōu)化后，在隧道的后續(xù)噴射施工中回彈量大大減少，不僅節(jié)約了施工成本，還減少了資源浪費。

4.3 提升現(xiàn)場管理能力

通過開展線性超挖和噴射混凝土超耗專項治理活動，大大改善了線性超挖和噴射混凝土超耗現(xiàn)象，提高了全員的責任意識，使項目部的現(xiàn)場管理能力得到提升。

4.4 噴射混凝土超耗控制效果

通過控制線性超挖、噴射混凝土回彈以及強化現(xiàn)場管理等措施，經(jīng)過3個多月的實踐，發(fā)現(xiàn)隧道噴射混凝土超耗率由200%下降至90%，如圖2所示。

圖2 噴射混凝土超耗控制效果趨勢圖

5 結語

噴射混凝土是隧道施工中的重要環(huán)節(jié)，如果發(fā)生噴射混凝土超耗問題，不僅影響施工成本，還會對隧道支護效果造成影響，因此必須采取有效措施來控制噴射混凝土超耗。本文以某隧道施工為例，針對隧道噴射混凝土出現(xiàn)超耗的原因，總結出相應的控制措施，如控制線性超挖、控制材料質量、改善速凝劑、優(yōu)化配合比，以及強化現(xiàn)場管理等，噴射混凝土超耗控制效果良好，經(jīng)濟效益明顯。